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基于 RFID 的近距离无线控制系统
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0 引言
有线通信技术已被广泛地应用于各个控制领域，它们功耗低、速度快，易于实施，非常适用于通信节点较少，节点位置较为固定的场合。 然而，随着分布式、模块化技术的发展，越来越多的控制系统开始采用灵活性更高，扩展性更强的分布式控制结构。相较于常规结构，它们具有控制节点多，节点间位置和连接关系不确定等特点。这使得通过线缆连接的分布式控制系统布线繁琐，故障发生率高，且灵活性和扩展性也受到很大限制。利用无线通信技术构建无线分布式控制系统可以避免上述问题，从而有效地提高系统的可靠性、扩展性和重构性。目前，无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点，各种用于工业控制自动化和家电智能化的近距离无线互联标准相继出现。
近几年来，较为流行的有红外(IrDA)、蓝牙(Bluetooth)和wi—Fi(IEEES02．11)等。IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，它主要用于计算机与外设之间的近距离数据传输。Bluetooth能实现近距离范围内的数据互通，具有通用的无线电接口及控制软件，已广泛地用于便携式设备间的数据通信。基于以太网协议和CSMA／CA机制的无线局域网(Wi—Fi)是当前无线接入的主要标准，它具有较长的通讯距离和较高的通信速度。上述无线通信标准解决了有线控制系统中存在的问题，增加了系统的灵活性，降低了集成专用无线通信技术的风险。然而，IrDA 存在视距角度、传输距离短等问题，也不适用于多台设备间的连接。Bluetooth和wi—Fi虽然具有易于组网、通信速率高、传输距离远等优点，但软硬件较为复杂、成本较高、功耗也较大。因此，为了满足部分控制系统的简易、低成本无线联网要求，需要采用一种复杂程度较低、成本和功耗均很低的无线连接技术。射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种通过射频信号获取目标对象相关数据的非接触式自动识别技术，它最初用于替换条形码应用在物流领域，现已被应用到了交通、加工制造、生产线自动化、无线传感器网络等方面，与以上无线通信技术相比，它具有功耗小、成本低、抗干扰能力强、使用寿命长等优点。表1是 RFID 通信技术与其他几种常用无线传输方式的性能比较。
1 RFlD系统概述
1．1 RFID 系统的组成
一个最基本的 RFID 系统通常由三部分组成：标签(Tag)：由芯片及天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，并可存储一定容量的数据以标识目标对象。标签依据发送射频信号方式的不同，可分为有源(Active)、半无源(semi-passive)和无源(passive)三种。有源标签包含内部电源，能主动向读写器发送射频信号；半无源标签也包含内部电源，但其只给标签内的处理器供电，而不提供发射射频信号所需的能量；无源标签不带电源，其处理器和信号发射及内部处理器运行所需的能量均来自读写器产生电磁场。
读写器(Reader／writer)：用于控制射频收发器发射射频信号，并通过收发器接收来自标签上已编码的射频信号，或将信息编码写入标签。
应用软件：控制读写器或标签发送指定的数据信号，并对其接收到的数据进行相关处理。
1．2 RFID 系统的工作原理
RFID 系统的工作原理如图1所示，当半无源或无源标签进入读写器所产生的电磁场后，凭借感应电流获得能量，将存储在芯片中的特定信息以反射调制方式发出，而有源标签则在检测到读写器的读写请求后，主动发送某一频率的信号。读写器在接收到标签的信号后，将其解码并送至应用软件进行处理。
2 系统总体结构和工作流程
基于 RFID 的分布式无线控制系统主要包括一个具有 RFID 读写功能的主控 PC 以及多个具有 RFID 标签的从机。其逻辑结构如图2所示，分为上下两层，上层由 PC 和 RFID 读写器组成，其中，RFID 读写器通过 USB 接口和 PC 连接。下层由多个从机构成，每个从机都包括单片机、传感器、执行器、RFID 标签以及电池五个部分。上层结构负责整个系统的协调和管理任务，它可以获取所有从机的传感器信息和运行状态，并由此来规划和协调各个从机的行为。
3 硬件电路设计
系统硬件由 PC 机、RFID 读写器和若干从机组成。PC 和 RFID 读写器均采用广泛商用的部件，因此，系统的硬件设计也即从机的设计。由图2可知，每一个从机都包括单片机、RFID 标签、传感器以及执行器四个部分，传感器和执行器的选择与特定的应用背景密切相关关，因而，根据系统特性要求，选择合适的单片机和 RFID 标签也就成为设计中最为关键的部分。
3．1 单片机的选择
由于从机采用电池供电，为了延长电池的使用寿命并简化电源电路的设计，单片机需要有较低的功耗和较宽的工作电压范围。Atmel公司的AVR系列单片机ATMEGA8L是基于 RISC 结构的低功耗8位CMOS微控制器。其内部带8KByte的F1ash、512Byte的EEPROM和1KByte的SRAM，具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率为1MIPs／MHz；工作电压范围2．7v～5．5v，工作时钟范围0～8MHz，且4MHz速度运行时，电流仅3．6mA。可以满足系统在功耗、电压范围和处理速度方面的要求。此外，它还有丰富的高级语言编程环境，软件开发也较为便利。
3．2 RFID标签的选择
RFID标签是整个系统的核心部分，直接关系到系统的通信速率、通信距离和功耗。IDS—SL900A是IDSMicrochip公司推出的UHF半无源RFID标签[6]。它的电压范围为1．1～3．3V，工作于860MHz～960MHz，IDS～SL900A内置了温度传感器、实时时钟、ADC和EEPROM等功能模块，只需要外接电池和天线即可工作，系统参数还可通过SPI接口进行读取和配置，因此使用起来非常方便。
IDS—SL900A的功耗非常低，它具有三种工作模式：关机模式、空闲模式和记录模式。在关机模式下，系统具有最小的工作电流，一般为O．1uA；在空闲模式下，电流约为2uA，此时芯片中只有晶振电路和时钟电路工作；而在记录模式下，Iss—SL900A内部的温度传感器、EEPROM等所有功能模块全部工作，电流约为200uA。由上可见，IDS—SL900A功能多、功耗低，外围电路简单，非常适合于采用电池供电的应用场合。
3．3 设计原理图
从机的硬件连接如图3所示，主控单片机为ATMEGA8L；有源RFID标签为IDS—SL900A；执行器为Futaba系列舵机中的S3110微型舵机。其中，ATMEGA8L通过SPI接口和两个通用输入＼输出接口与RFID标签连接以读取标签中的数据并对标签运行参数进行配置。S3110舵机的控制信号是PPM(Pulse Position Modulation)信号，这是一种脉宽调制信号，周期为20ms，其中，正脉冲的宽度决定了舵机的转动角度，范围从1ms到2ms，分别对应舵机的额定转角的最小值和最大值。图4为PPM信号的格式，该信号由ATMEGA8L内部定时计数器l产生，并经输出比较接口0ClA输出至S3110。
4 软件设计
系统采用一主多的上下层结构，所有从机都工作在PC的监控下，并通过运行于PC上的图形化界面接收用户指令。根据系统的结构特点以及系统各部分所实现的功能，可以将系统软件划分为人机交互程序、数据通信程序以及传感器和执行器的控制程序三个部分，如图5所示。
人机交互程序运行于PＣ上，它一方面接收用户输入的控制参数，将其转化为各从机的控制命令；另一方面，还定时向各从机发送查询指令，并将从机发送回来的传感器信息和运行状态信息等反馈给用户。
数据通信程序与应用程序独立，它通过数据缓冲区和同步信号实现从机和PC机之间的双向数据传递，它包括运行于PC上的上层通信子程序和运行于ATMEGA8L上的下层通信子程序。
传感器和执行器的控制程序运行于下层ATMEGA8L上，它们负责传感器信号和从机运行状态的采集工作；同时，在接收到了控制命令后，还能根据控制命令指定的控制参数完成对执行器的控制操作。
5 小结
近几年来，分布式控制系统越来越受到人们的重视，本文根据这种控制系统的使用特点，在分析常用通信技术的特性基础上，提出了一种基于 RFID 的分布式无线控制系统，该系统采用了主从通信模式，具有结构简单、应用灵活、实用性强等优点，可以按多种需求灵活地进行系统配置，并且在成本和功耗方面也具有较为明显的优势。
有线通信技术已被广泛地应用于各个控制领域，它们功耗低、速度快，易于实施，非常适用于通信节点较少，节点位置较为固定的场合。 然而，随着分布式、模块化技术的发展，越来越多的控制系统开始采用灵活性更高，扩展性更强的分布式控制结构。相较于常规结构，它们具有控制节点多，节点间位置和连接关系不确定等特点。这使得通过线缆连接的分布式控制系统布线繁琐，故障发生率高，且灵活性和扩展性也受到很大限制。利用无线通信技术构建无线分布式控制系统可以避免上述问题，从而有效地提高系统的可靠性、扩展性和重构性。目前，无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点，各种用于工业控制自动化和家电智能化的近距离无线互联标准相继出现。
近几年来，较为流行的有红外(IrDA)、蓝牙(Bluetooth)和wi—Fi(IEEES02．11)等。IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，它主要用于计算机与外设之间的近距离数据传输。Bluetooth能实现近距离范围内的数据互通，具有通用的无线电接口及控制软件，已广泛地用于便携式设备间的数据通信。基于以太网协议和CSMA／CA机制的无线局域网(Wi—Fi)是当前无线接入的主要标准，它具有较长的通讯距离和较高的通信速度。上述无线通信标准解决了有线控制系统中存在的问题，增加了系统的灵活性，降低了集成专用无线通信技术的风险。然而，IrDA 存在视距角度、传输距离短等问题，也不适用于多台设备间的连接。Bluetooth和wi—Fi虽然具有易于组网、通信速率高、传输距离远等优点，但软硬件较为复杂、成本较高、功耗也较大。因此，为了满足部分控制系统的简易、低成本无线联网要求，需要采用一种复杂程度较低、成本和功耗均很低的无线连接技术。射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种通过射频信号获取目标对象相关数据的非接触式自动识别技术，它最初用于替换条形码应用在物流领域，现已被应用到了交通、加工制造、生产线自动化、无线传感器网络等方面，与以上无线通信技术相比，它具有功耗小、成本低、抗干扰能力强、使用寿命长等优点。表1是 RFID 通信技术与其他几种常用无线传输方式的性能比较。
1 RFlD系统概述
1．1 RFID 系统的组成
一个最基本的 RFID 系统通常由三部分组成：标签(Tag)：由芯片及天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，并可存储一定容量的数据以标识目标对象。标签依据发送射频信号方式的不同，可分为有源(Active)、半无源(semi-passive)和无源(passive)三种。有源标签包含内部电源，能主动向读写器发送射频信号；半无源标签也包含内部电源，但其只给标签内的处理器供电，而不提供发射射频信号所需的能量；无源标签不带电源，其处理器和信号发射及内部处理器运行所需的能量均来自读写器产生电磁场。
读写器(Reader／writer)：用于控制射频收发器发射射频信号，并通过收发器接收来自标签上已编码的射频信号，或将信息编码写入标签。
应用软件：控制读写器或标签发送指定的数据信号，并对其接收到的数据进行相关处理。
1．2 RFID 系统的工作原理
RFID 系统的工作原理如图1所示，当半无源或无源标签进入读写器所产生的电磁场后，凭借感应电流获得能量，将存储在芯片中的特定信息以反射调制方式发出，而有源标签则在检测到读写器的读写请求后，主动发送某一频率的信号。读写器在接收到标签的信号后，将其解码并送至应用软件进行处理。
2 系统总体结构和工作流程
基于 RFID 的分布式无线控制系统主要包括一个具有 RFID 读写功能的主控 PC 以及多个具有 RFID 标签的从机。其逻辑结构如图2所示，分为上下两层，上层由 PC 和 RFID 读写器组成，其中，RFID 读写器通过 USB 接口和 PC 连接。下层由多个从机构成，每个从机都包括单片机、传感器、执行器、RFID 标签以及电池五个部分。上层结构负责整个系统的协调和管理任务，它可以获取所有从机的传感器信息和运行状态，并由此来规划和协调各个从机的行为。
3 硬件电路设计
系统硬件由 PC 机、RFID 读写器和若干从机组成。PC 和 RFID 读写器均采用广泛商用的部件，因此，系统的硬件设计也即从机的设计。由图2可知，每一个从机都包括单片机、RFID 标签、传感器以及执行器四个部分，传感器和执行器的选择与特定的应用背景密切相关关，因而，根据系统特性要求，选择合适的单片机和 RFID 标签也就成为设计中最为关键的部分。
3．1 单片机的选择
由于从机采用电池供电，为了延长电池的使用寿命并简化电源电路的设计，单片机需要有较低的功耗和较宽的工作电压范围。Atmel公司的AVR系列单片机ATMEGA8L是基于 RISC 结构的低功耗8位CMOS微控制器。其内部带8KByte的F1ash、512Byte的EEPROM和1KByte的SRAM，具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率为1MIPs／MHz；工作电压范围2．7v～5．5v，工作时钟范围0～8MHz，且4MHz速度运行时，电流仅3．6mA。可以满足系统在功耗、电压范围和处理速度方面的要求。此外，它还有丰富的高级语言编程环境，软件开发也较为便利。
3．2 RFID标签的选择
RFID标签是整个系统的核心部分，直接关系到系统的通信速率、通信距离和功耗。IDS—SL900A是IDSMicrochip公司推出的UHF半无源RFID标签[6]。它的电压范围为1．1～3．3V，工作于860MHz～960MHz，IDS～SL900A内置了温度传感器、实时时钟、ADC和EEPROM等功能模块，只需要外接电池和天线即可工作，系统参数还可通过SPI接口进行读取和配置，因此使用起来非常方便。
IDS—SL900A的功耗非常低，它具有三种工作模式：关机模式、空闲模式和记录模式。在关机模式下，系统具有最小的工作电流，一般为O．1uA；在空闲模式下，电流约为2uA，此时芯片中只有晶振电路和时钟电路工作；而在记录模式下，Iss—SL900A内部的温度传感器、EEPROM等所有功能模块全部工作，电流约为200uA。由上可见，IDS—SL900A功能多、功耗低，外围电路简单，非常适合于采用电池供电的应用场合。
3．3 设计原理图
从机的硬件连接如图3所示，主控单片机为ATMEGA8L；有源RFID标签为IDS—SL900A；执行器为Futaba系列舵机中的S3110微型舵机。其中，ATMEGA8L通过SPI接口和两个通用输入＼输出接口与RFID标签连接以读取标签中的数据并对标签运行参数进行配置。S3110舵机的控制信号是PPM(Pulse Position Modulation)信号，这是一种脉宽调制信号，周期为20ms，其中，正脉冲的宽度决定了舵机的转动角度，范围从1ms到2ms，分别对应舵机的额定转角的最小值和最大值。图4为PPM信号的格式，该信号由ATMEGA8L内部定时计数器l产生，并经输出比较接口0ClA输出至S3110。
4 软件设计
系统采用一主多的上下层结构，所有从机都工作在PC的监控下，并通过运行于PC上的图形化界面接收用户指令。根据系统的结构特点以及系统各部分所实现的功能，可以将系统软件划分为人机交互程序、数据通信程序以及传感器和执行器的控制程序三个部分，如图5所示。
人机交互程序运行于PＣ上，它一方面接收用户输入的控制参数，将其转化为各从机的控制命令；另一方面，还定时向各从机发送查询指令，并将从机发送回来的传感器信息和运行状态信息等反馈给用户。
数据通信程序与应用程序独立，它通过数据缓冲区和同步信号实现从机和PC机之间的双向数据传递，它包括运行于PC上的上层通信子程序和运行于ATMEGA8L上的下层通信子程序。
传感器和执行器的控制程序运行于下层ATMEGA8L上，它们负责传感器信号和从机运行状态的采集工作；同时，在接收到了控制命令后，还能根据控制命令指定的控制参数完成对执行器的控制操作。
5 小结
近几年来，分布式控制系统越来越受到人们的重视，本文根据这种控制系统的使用特点，在分析常用通信技术的特性基础上，提出了一种基于 RFID 的分布式无线控制系统，该系统采用了主从通信模式，具有结构简单、应用灵活、实用性强等优点，可以按多种需求灵活地进行系统配置，并且在成本和功耗方面也具有较为明显的优势。
