RFID和ZigBee的圖書(shū)館智能監(jiān)控通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)※＊

吳蓬勃，李學(xué)海，卜新華

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊050031）

引 言

傳統(tǒng)的圖書(shū)館防盜報(bào)警系統(tǒng)，采用磁條檢測(cè)防盜，檢測(cè)率低，系統(tǒng)容易受磁性或金屬物質(zhì)的影響而產(chǎn)生誤報(bào)或漏報(bào)。而且系統(tǒng)電路復(fù)雜、集成度低、故障率高。另外，圖書(shū)防盜裝置多為單機(jī)系統(tǒng)或者有線通信系統(tǒng)，而圖書(shū)館部門繁多、地理位置分散、布線困難，使得圖書(shū)館管理人員不能實(shí)時(shí)可靠地了解圖書(shū)館的運(yùn)行狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：圖書(shū)館出入口監(jiān)測(cè)單元和ZigBee以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換單元。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

1.1 出入口監(jiān)測(cè)單元

出入口監(jiān)測(cè)單元主要包括：RFID射頻讀卡模塊、熱釋電人流量統(tǒng)計(jì)模塊、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、聲光報(bào)警模塊和LCD顯示模塊。該單元完成的主要功能有：

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

①通過(guò)RFID射頻讀卡模塊對(duì)出入口監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)非法（未解鎖）的貼有RFID標(biāo)簽的圖書(shū)經(jīng)過(guò)，則發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊，將告警信息發(fā)送給本地的服務(wù)臺(tái)PC機(jī)和遠(yuǎn)端的ZigBee協(xié)調(diào)器。

②通過(guò)熱釋電人流量統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行出入人數(shù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)信息可以顯示到該單元的LCD中，同時(shí)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給遠(yuǎn)端的ZigBee協(xié)調(diào)器。

1.2 ZigBee以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換單元

各出入口監(jiān)測(cè)單元的狀態(tài)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括：STM32微控制器、RFID射頻讀卡模塊、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、聲光報(bào)警模塊、LCD顯示模塊、熱釋電人流量統(tǒng)計(jì)模塊。以上幾個(gè)部分構(gòu)成了出入口監(jiān)測(cè)單元。另外還有連接服務(wù)臺(tái)PC的ZigBee模塊、連接服務(wù)器的ZigBee協(xié)調(diào)器。本文重點(diǎn)介紹RFID射頻讀卡器、熱釋電人流量統(tǒng)計(jì)模塊、ZigBee無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 RFID射頻讀卡模塊設(shè)計(jì)

由于圖書(shū)館出入口距離較短，并且出入者可能攜帶多本圖書(shū)（即多個(gè)RFID標(biāo)簽），所以要求RFID射頻讀卡模塊要有很高的靈敏度、很高的讀取速度和很好的穿透能力，并且可以進(jìn)行多標(biāo)簽識(shí)別。

本系統(tǒng)選用了奧地利微電子公司的UHF RFID讀寫器專用芯片AS3992，該芯片支持DRM（多閱讀器），有較好的防沖撞和抗干擾能力。芯片內(nèi)部集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、控制接口等部分；可以通過(guò)并行接口或SPI串行接口與MCU通信（本系統(tǒng)使用了STM32的SPI口與AS3992對(duì)接）。AS3992與MCU有兩種通信模式可選：Normal mode和Direct mode。其中，Normal mode支持ISO18000－6C（EPC Gen2）標(biāo)準(zhǔn)，Direct mode可兼容ISO18000－6A／B標(biāo)準(zhǔn)。

基于AS3992射頻芯片的RFID讀卡器電路框圖如圖2所示。STM32通過(guò)EN引腳控制AS3992的使能，通過(guò)SPI口發(fā)送數(shù)據(jù)到射頻芯片AS3992，AS3992將數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議編碼、調(diào)制載波，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)900MHz巴倫（平衡不平衡轉(zhuǎn)換器）0900BL18B100，將兩路射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為單路射頻信號(hào)。接著通過(guò)功率放大器SPA－2118Z進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)低通濾波器LPCN－1000D＋后，信號(hào)被送到定向耦合器RCP890A05，再經(jīng)過(guò)阻抗匹配后由天線發(fā)送出去。

圖2 RFID讀寫器電路框圖［1]

同樣，經(jīng)過(guò)天線接收到的射頻信號(hào)也要經(jīng)過(guò)阻抗匹配和定向耦合器后，被送至巴倫，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路差分信號(hào)，經(jīng)過(guò)AS3992的解調(diào)、解碼后，通過(guò)IRQ引腳向STM32提供數(shù)據(jù)接收中斷，STM32通過(guò)SPI口從AS3992中讀取接收到的數(shù)據(jù)。

2.2 熱釋電人流量統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)

熱釋電探測(cè)器電路圖如圖3所示。根據(jù)人體峰值輻射波長(zhǎng)，本系統(tǒng)選用敏感波長(zhǎng)為7～14μm的熱釋電傳感器RE200B探測(cè)人體紅外輻射，將紅外信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。同時(shí)為了探測(cè)人體的移動(dòng)，在傳感器前端安裝了菲涅爾透鏡。

在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電傳感器只探測(cè)到恒定的背景溫度，該信號(hào)經(jīng)過(guò)紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001識(shí)別后，從VO引腳輸出并且維持低電平（作為常態(tài)）；只有當(dāng)帶有紅外熱源的人體進(jìn)入探測(cè)區(qū)，并且相對(duì)于探頭做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，熱釋電傳感器才將感應(yīng)到人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)送到BISS0001進(jìn)行處理，從VO引腳輸出高電平，該信號(hào)被送到STM32；VO引腳的高電平在保持一段延時(shí)T1后返回低電平，經(jīng)過(guò)一段防干擾保護(hù)時(shí)間T2后，等待下一次觸發(fā)。

其中T1＝49152×R1×C1，T2＝24×R2×C2，可通過(guò)調(diào)整R1、C1、R2、C2來(lái)設(shè)定時(shí)間T1和T2，從而調(diào)整紅外探測(cè)器的反應(yīng)速度。其中BISS0001的A引腳用來(lái)設(shè)置是否重復(fù)觸發(fā)（電路中利用一個(gè)3芯排針TRIG＿SET跨接短路子來(lái)設(shè)置），當(dāng)A為“1”時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸發(fā)。［3]

為了能夠分辨是走出還是走入的人員，需要在進(jìn)出通道的前后兩端分別安裝一個(gè)熱釋電探測(cè)器，利用兩個(gè)探測(cè)器所探測(cè)到信號(hào)的先后順序來(lái)判斷人員是出還是入，同時(shí)對(duì)兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到有效信號(hào)的時(shí)間間隔設(shè)置一個(gè)上限，只有兩個(gè)有效信號(hào)的時(shí)間間隔在設(shè)置的時(shí)間上限內(nèi)，才被認(rèn)為是有效的出入，否則將被認(rèn)為是干擾信號(hào)。熱釋電探測(cè)器電路圖如圖3所示。

2.3 ZigBee無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的ZigBee模塊主要有兩種：連接服務(wù)器的ZigBee協(xié)調(diào)器、連接出入口監(jiān)測(cè)單元和服務(wù)臺(tái)PC的Zig－Bee路由器。兩種ZigBee模塊的硬件設(shè)計(jì)完全相同，只是在軟件設(shè)計(jì)中有所區(qū)別。

本系統(tǒng)采用了TI公司的ZigBee／IEEE 802.15.4無(wú)線射頻收發(fā)器CC2530。CC2530的功能強(qiáng)大，其芯片內(nèi)部包括了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051 CPU、在線可編程的程序存儲(chǔ)器Flash、8KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和多種功能豐富的電路模塊。CC2530不僅能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求，而且從休

圖3 熱釋電探測(cè)器電路圖［2]

圖4 CC2530Zigbee無(wú)線傳輸模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32為主控制單元，通過(guò)RFID讀卡器實(shí)現(xiàn)讀卡功能，接收熱釋電傳感器傳過(guò)來(lái)的人體檢測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)人流量的統(tǒng)計(jì)，通過(guò)串口連接ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線眠模式中喚醒所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，還可使其進(jìn)一步降低電能消耗。

CC2530ZigBee無(wú)線傳輸模塊的電路圖如圖4所示。CC2530無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線信號(hào)到有線信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絊TM32。其中CC2530的天線部分，一般有2種設(shè)計(jì)方案可選：SMA天線和PCB天線。當(dāng)選擇常用的SMA天線時(shí)，傳輸距離一般是350～450m；而PCB天線如果做的不好，傳輸距離只有100～150m?？紤]到室內(nèi)墻壁等障礙物的遮擋，為了使得ZigBee無(wú)線信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的傳輸，本系統(tǒng)采用了SMA天線。數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)聲光告警設(shè)備進(jìn)行防盜報(bào)警，通過(guò)LCD顯示設(shè)備信息和人流量信息。另外，ZigBee無(wú)線傳輸模塊以CC2530為主控制單元，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組建和無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。本文重點(diǎn)對(duì)RFID讀卡器部分和ZigBee無(wú)線傳輸模塊部分的軟件進(jìn)行介紹。

3.1 RFID射頻讀卡器軟件設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上大部分標(biāo)簽不具備EAS標(biāo)識(shí)位，部分具有EAS標(biāo)識(shí)位的標(biāo)簽由于體積較大、成本高，不適合用于圖書(shū)管理。本系統(tǒng)選取了Alien公司的UHF無(wú)源電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽符合ISO／IEC 18000－6C和EPC Class1Gen2標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于多標(biāo)簽的同時(shí)讀取，在一個(gè)存盤周期內(nèi)讀寫器可以識(shí)別2Q－1個(gè)標(biāo)簽。開(kāi)始讀寫前會(huì)賦予Q一個(gè)初始值，當(dāng)處于射頻場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量小于2Q－1時(shí)，存盤可以正常進(jìn)行；如果標(biāo)簽數(shù)量大于2Q－1時(shí)，會(huì)發(fā)生沖突，通過(guò)在軟件中自動(dòng)調(diào)整Q值，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻場(chǎng)內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的自適應(yīng)。本系統(tǒng)中多標(biāo)簽的讀取流程如圖5所示。

圖5 RFID多標(biāo)簽讀取流程［6]

3.2 ZigBee無(wú)線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線傳輸模塊的主要功能是自動(dòng)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將串口數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線收發(fā)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)功能，需要先配置1個(gè)協(xié)調(diào)器（通過(guò)串口連接本系統(tǒng)的服務(wù)器），并設(shè)置PANID號(hào)，該協(xié)調(diào)器為整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，其他無(wú)線ZigBee模塊配置為路由器（連接出入口監(jiān)測(cè)單元和服務(wù)臺(tái)PC），加入到協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器會(huì)為每個(gè)路由器設(shè)備分配一個(gè)16位的短地址（Short Address）。只要網(wǎng)絡(luò)中不再加入新的路由器或節(jié)點(diǎn)設(shè)備，短地址不會(huì)發(fā)生改變。

ZigBee路由器的16位短地址可以作為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備通信地址使用。但是具體哪個(gè)短地址對(duì)應(yīng)哪個(gè)圖書(shū)借閱部門出入口，傳入?yún)f(xié)調(diào)器中的數(shù)據(jù)如何區(qū)分是來(lái)自哪個(gè)圖書(shū)借閱部門，上述問(wèn)題也被解決。本系統(tǒng)將ZigBee模塊的短地址和實(shí)際物理地址進(jìn)行了綁定，并存儲(chǔ)到STM32的內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中。

ZigBee路由器的ZigBee的短地址與物理地址的綁定過(guò)程略——編者注。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款用于圖書(shū)館的智能監(jiān)控通道。通過(guò)RFID射頻讀卡器讀取圖書(shū)中RFID標(biāo)簽的模擬EAS位來(lái)進(jìn)行報(bào)警監(jiān)測(cè)，較之原來(lái)的磁條檢測(cè)方式，本系統(tǒng)有更高的集成度和較高的標(biāo)簽檢測(cè)率。采用ZigBee組建無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行ZigBee設(shè)備地址與實(shí)際物理地址的綁定，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸圖書(shū)防盜信息和人流量統(tǒng)計(jì)信息，克服了有線傳輸所帶來(lái)的局限性。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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