RFID（RadioFrequencyIdentification）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其原理是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別。由于具有高速移動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等特點(diǎn)，RFID技術(shù)強(qiáng)有力地推動(dòng)家庭自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域的發(fā)展；ZigBee是一種新興的近距離無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種組網(wǎng)協(xié)議。利用ZigBee技術(shù)組建由大量節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各類(lèi)微型傳感器對(duì)信息目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶(hù)。本文通過(guò)RFID和WSN的融合組建RFID無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)，并將其應(yīng)用于家庭智能安防系統(tǒng)。
傳統(tǒng)有線(xiàn)安防系統(tǒng)存在布線(xiàn)難、成本高以及布防撤防不方便的缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足人們?cè)絹?lái)越高的安防需求。基于RFID無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)組建智能安防系統(tǒng)能有效解決上述問(wèn)題，RFID主要實(shí)現(xiàn)家庭安防智能小車(chē)的巡邏定位，WSN完成家庭環(huán)境參數(shù)的分布式智能監(jiān)控。該系統(tǒng)既繼承了RFID技術(shù)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)的特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)感知與通信的功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶有移動(dòng)路由器的自適應(yīng)星型網(wǎng)絡(luò)，既保證家庭安防系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又避開(kāi)了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而提高了家庭安防系統(tǒng)的整體性能。
1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)架構(gòu)是以智能家庭網(wǎng)關(guān)為中心協(xié)調(diào)器組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)。家庭環(huán)境中安裝各種安防監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)，一旦監(jiān)測(cè)到異常情況，立刻將警情的具體信息發(fā)送到家庭智能網(wǎng)關(guān)，家庭智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)的警情處理，如進(jìn)行無(wú)線(xiàn)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警或派遣巡邏小車(chē)對(duì)警情作進(jìn)一步的探測(cè)；智能巡邏小車(chē)是網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)移動(dòng)路由器，同時(shí)可以根據(jù)家庭智能網(wǎng)關(guān)的指令對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)有可能出現(xiàn)警情隱患的區(qū)域進(jìn)行更為詳細(xì)的監(jiān)控；而貼上智能RFID標(biāo)簽的物體主要用于智能小車(chē)的巡邏定位。
1.1 RFID無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)定位原理
家庭安防系統(tǒng)首要關(guān)心的問(wèn)題就是，在什么位置或區(qū)域發(fā)生了什么事件，而實(shí)際中巡邏小車(chē)的定位只須確定以下三個(gè)問(wèn)題，我在哪里？我要到哪里？該怎么走？在本系統(tǒng)中，采用了一種以RFID標(biāo)簽為路標(biāo)，用WSN來(lái)導(dǎo)航的巡邏定位方法。
在家庭中的一些固定物體（如沙發(fā)、桌子、椅子和書(shū)柜等）以及某些重要位置貼上無(wú)源RFID標(biāo)簽，這些就是家庭環(huán)境中的位置路標(biāo)。安裝RFID讀卡器的家庭小車(chē)在家庭環(huán)境中進(jìn)行巡邏，一旦監(jiān)測(cè)到周?chē)蠷FID標(biāo)簽，立刻停止前進(jìn)，讀取RFID標(biāo)簽，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將標(biāo)簽值發(fā)給家庭智能網(wǎng)關(guān)。每個(gè)RFID標(biāo)簽的具體位置、與其相鄰RFID標(biāo)簽位置信息以及各個(gè)RFID標(biāo)簽之間的相對(duì)位置關(guān)系都以位置表、鄰居表和導(dǎo)航表的形式預(yù)先存儲(chǔ)在家庭智能網(wǎng)關(guān)中，家庭智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)具體巡邏任務(wù)、當(dāng)前RFID標(biāo)簽值并結(jié)合這三張表的信息就可以為智能巡邏小車(chē)進(jìn)行導(dǎo)航。
1.2 家庭智能網(wǎng)關(guān)
智能家庭網(wǎng)關(guān)處在智能家庭網(wǎng)絡(luò)的中心位置，是通信、決策、報(bào)警的核心。家庭智能網(wǎng)關(guān)一方面利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對(duì)布防在家庭中的各個(gè)安防監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和控制；另一方面通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)用戶(hù)的遠(yuǎn)程通信。當(dāng)安防監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到警情出現(xiàn)時(shí)，家庭智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)GSM模塊向遠(yuǎn)端用戶(hù)發(fā)送報(bào)警短信或撥打報(bào)警電話(huà)。
1.3 安防監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)
各類(lèi)安防監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)部署在家庭環(huán)境中可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域，根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的不同，原理上略有區(qū)別，但基本上都是由安防傳感器（溫度、濕度、煙霧、紅外以及振動(dòng)）和CC2430射頻模塊組成。
1.4 智能巡邏小車(chē)
設(shè)計(jì)的智能巡邏小車(chē)是在微型賽車(chē)的基礎(chǔ)上裝上CC2430射頻模塊、RFID讀卡器、攝像頭以及溫度、煙霧等家庭安防傳感器。
智能巡邏小車(chē)在家庭安防系統(tǒng)中主要有以下幾個(gè)功能：
①智能巡邏小車(chē)充當(dāng)家庭安防傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)。ZigBee星型網(wǎng)精簡(jiǎn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和家庭智能網(wǎng)關(guān)通信。在實(shí)際家庭環(huán)境中，臥室內(nèi)的安防節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)由于受到內(nèi)墻及室內(nèi)障礙物的影響，導(dǎo)致客廳中的家庭智能網(wǎng)關(guān)接收到的信號(hào)很弱，而增加多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)又會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，本系統(tǒng)采用在網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)解決這個(gè)問(wèn)題。在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)收到回復(fù)信號(hào)，家庭智能網(wǎng)關(guān)命令巡邏小車(chē)作到特定的位置（由RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)）采集信號(hào)較弱的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)發(fā)給家庭智能網(wǎng)關(guān)。
②智能巡邏小車(chē)上裝有各種安防傳感器，執(zhí)行巡邏任務(wù)時(shí)，對(duì)各個(gè)有安全隱患的區(qū)域進(jìn)行一次更為仔細(xì)監(jiān)控，比如對(duì)煤氣管道附件的區(qū)域進(jìn)行一次全面燃?xì)庑孤z測(cè)。
③當(dāng)某個(gè)安防監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到有警情狀況時(shí)，家庭智能網(wǎng)關(guān)導(dǎo)航智能小車(chē)去現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)巡邏，以確定是否由于環(huán)境干擾信號(hào)造成的誤報(bào)警，一旦確定警情出現(xiàn)，開(kāi)啟攝像頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照。
2 主要功能模塊硬件設(shè)計(jì)
2.1 CC2430射頻模塊設(shè)計(jì)
射頻模塊設(shè)計(jì)采用的CC2430和CC2591功放的結(jié)合，CC2430延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，芯片在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器；CC2591集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器（balun）、交換機(jī)、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等，最大輸出功率可以達(dá)到22dbm，靈敏度可以提高6dbm。根據(jù)CC2591已經(jīng)包含了RF匹配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，所以在RF輸入/輸出部分，不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，從而使電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。
2.2 RFID讀卡器模塊設(shè)計(jì)
在CC2430射頻模塊上擴(kuò)展RFID讀卡模塊，RFID主芯片選擇CLRC632。
射頻芯片RC632與CC2430的連接方式選擇了獨(dú)立的讀/寫(xiě)選通模式。在該模式下CLRC632的連接方式。該讀卡IC利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念,完全集成了在13156MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。本設(shè)計(jì)采用的RFID通信協(xié)議是IEC15693協(xié)議。
CC2430通過(guò)端口P0與CLRC632的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連，可實(shí)現(xiàn)與無(wú)線(xiàn)射頻芯片RC632之間的命令與數(shù)據(jù)的傳遞。CC2430的引腳P210和引腳P211分別與CLRC632的NWR引腳和NRD引腳相連，分別控制RC632的數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取。同時(shí)，將CC2430的P112作為RC632的片選信號(hào)的輸入端，該端口低電平有效。RSTPD引腳為復(fù)位和掉電引腳，當(dāng)為高時(shí)，停止輸入端并與外部斷開(kāi)，該引腳信號(hào)的下降沿觸發(fā)芯片復(fù)位，用引腳P116控制。
3 系統(tǒng)測(cè)試分析
系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了CC2430射頻模塊和RFID讀卡器模塊，為在CC2430射頻模塊基礎(chǔ)上擴(kuò)展設(shè)計(jì)家庭智能網(wǎng)關(guān)，正面為CC2430模塊，背面為T(mén)C35iGSM模塊；安裝上CC2430射頻模塊和RFID讀卡器的智能巡邏小車(chē)。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬家庭環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了一些測(cè)試，下面是對(duì)測(cè)試結(jié)果的一些分析結(jié)論：
①CC2430射頻模塊在室內(nèi)無(wú)障礙物情況下有效通信距離為50m以?xún)?nèi)，遇實(shí)體障礙物信號(hào)衰減嚴(yán)重。
②RFID讀卡器有效讀卡距離在15cm以?xún)?nèi)，讀卡速率為5card/s。
③智能巡邏小車(chē)在以015m/s低速前進(jìn)時(shí)能識(shí)別RFID標(biāo)簽，并能完成從一個(gè)RFID標(biāo)簽到另一個(gè)RFID標(biāo)簽的定位。
④發(fā)送GSM短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制和報(bào)警。
4 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)都是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，兩者相結(jié)合組成RFID無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)可以以更低的成本應(yīng)用于物流和供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)制造和裝配、遙感勘測(cè)、搶險(xiǎn)、安防等領(lǐng)域。本文針對(duì)目前家庭安防系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于RFID無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的智能家庭安防系統(tǒng)，同時(shí)該設(shè)計(jì)對(duì)其他類(lèi)似擴(kuò)展應(yīng)用也具有一定的參考價(jià)值。