基于CC2530的人員輔助定位裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖曦文++趙晴

摘 要：介紹一種基于CC2530的人員輔助定位裝置，講述125 kHz信號(hào)的調(diào)制發(fā)射、曼徹斯特編碼在RFID中的使用和2.4 GHz無(wú)線通信的應(yīng)用。該輔助定位裝置不僅可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境靈活調(diào)整功能，方便進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，還具有低成本、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：CC2530；RFID；MAX487；人員定位；曼徹斯特編碼

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）05-000-03

0 引 言

現(xiàn)今，多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)廣泛用于養(yǎng)老院、監(jiān)獄、部隊(duì)等地方，已成為一種較為常用的定位方式。但遺憾的是，目前應(yīng)用的大多數(shù)系統(tǒng)中，125 kHz低頻輔助定位裝置仍存在著一些問(wèn)題，如無(wú)法與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，激勵(lì)通道數(shù)較少等。

本文介紹了一種可以監(jiān)聽(tīng)2.4 GHz讀寫(xiě)器、激活125 kHz電子標(biāo)簽的輔助定位裝置。該裝置以CC2530為核心，利用芯片自身無(wú)線收發(fā)器和RS-485通信接口芯片MAX487，可實(shí)現(xiàn)多重通信。此外，它完成了六通道125 kHz信號(hào)的調(diào)制輸出，可減少現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)中輔助定位裝置的使用數(shù)量，從而有效降低系統(tǒng)成本。

1 人員定位系統(tǒng)介紹

人員定位系統(tǒng)底層設(shè)備主要包括標(biāo)簽、2.4 GHz讀寫(xiě)器和輔助定位裝置，上層裝置主要由服務(wù)器、控制中心組成，其整體架構(gòu)如圖1所示。該定位系統(tǒng)主要應(yīng)用于精神疾病醫(yī)院，醫(yī)護(hù)人員攜帶標(biāo)簽在醫(yī)院活動(dòng)，當(dāng)其進(jìn)入某個(gè)放有125 kHz矩形天線區(qū)域時(shí)，標(biāo)簽將被輔助定位裝置激活——標(biāo)簽將自身ID、獲取的輔助定位裝置的通道ID和RSSI值[1]打包通過(guò)2.4GHz無(wú)線通信方式發(fā)送給讀寫(xiě)器，這些獲取的數(shù)據(jù)再由讀寫(xiě)器通過(guò)交換機(jī)匯聚到服務(wù)器，最終監(jiān)控中心可以通過(guò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)解析直觀地在室內(nèi)圖形界面上顯示人員的具體位置[2]。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，醫(yī)護(hù)人員還可以按下標(biāo)簽報(bào)警按鈕，實(shí)現(xiàn)快速定位報(bào)警。

2 輔助定位裝置的設(shè)計(jì)原理

人員定位系統(tǒng)主要根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)估計(jì)位置[3]，為了輔助系統(tǒng)定位而加入了輔助定位裝置，如在房間內(nèi)外放置該裝置的125 kHz天線，電子標(biāo)簽進(jìn)入該范圍后被激活，并將天線通道ID上傳，從而輔助系統(tǒng)判斷標(biāo)簽在房間內(nèi)還是房間外。該裝置是有源RFID隨機(jī)跳頻系統(tǒng)的重要組成部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 輔助定位裝置系統(tǒng)框圖

裝置的主控制器采用CC2530芯片，其可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并將編碼后的數(shù)據(jù)調(diào)制成125 kHz信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)由射隨電路進(jìn)行電流放大，再由驅(qū)動(dòng)器TC4421/TC4422驅(qū)動(dòng)天線將其發(fā)射輸出。CC2530還可外接極少器件實(shí)現(xiàn)2.4 GHz通信，上位機(jī)可以利用讀寫(xiě)器發(fā)送2.4 GHz無(wú)線信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)控制輔助定位裝置低頻信號(hào)開(kāi)關(guān)、激活間隔時(shí)間、更改通道ID等功能。外接的信號(hào)指示燈用于顯示裝置工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器模塊

CC2530是TI公司推出的一款兼容IEEE802.15.4的多功能片上系統(tǒng)[4]，可為無(wú)線通信提供廣泛的硬件支持。該芯片集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，提供多達(dá)18個(gè)中斷源，具有8 kb的超低功耗SRAM，還允許開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)各種不同應(yīng)用的外設(shè)，如多數(shù)量、多模式定時(shí)器，ADC，I/O控制器等。

微控制器的RF內(nèi)核控制模擬無(wú)線電模塊，通過(guò)RF_N和RF_P引腳外接少量電容電感與天線即可實(shí)現(xiàn)2.4 GHz無(wú)線通信的硬件電路。微控制器還通過(guò)6個(gè)I/O口輸出125 kHz信號(hào)，其中引腳P0.2與P0.3，P1.6與P1.7，P1.0與P1.1三組I/O口映射為定時(shí)器1，定時(shí)器3和定時(shí)器4的外設(shè)I/O口，并與外圍射隨電路相連。

3.2 射隨電路

射隨電路是將信號(hào)從基極輸入，發(fā)射極輸出的放大電路，其電壓放大系數(shù)略低于1，具有一定的電流放大功能。該部分電路主要功能是：一方面將6路I/O口輸出的調(diào)制PWM信號(hào)進(jìn)行電流放大，提高M(jìn)OSFET驅(qū)動(dòng)器的輸入電流；另一方面作為I/O口與驅(qū)動(dòng)器之間的緩存器，可以減少兩個(gè)電路直接相連所帶來(lái)的影響。射隨電路中的一組電路原理如圖3所示。

圖3 射隨電路原理圖

3.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是將較小的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，用以驅(qū)動(dòng)外接的天線電路，其能夠?qū)崿F(xiàn)125 kHz信號(hào)的發(fā)射。該電路采用TC4421和TC4422芯片，其中TC4421是反向驅(qū)動(dòng)器，TC4422是正向驅(qū)動(dòng)器。這兩種型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器具有寬輸入供電電壓，低輸出阻抗，高連續(xù)輸出電流等優(yōu)點(diǎn)。6路PWM信號(hào)被分成3組，每組2路，第1組和第3組與TC4421連接，第2組與TC4422連接，這樣相鄰信號(hào)相位剛好相差180°，避免了各組信號(hào)之間的干擾。輸出端口與天線之間串接了電位器，方便調(diào)節(jié)激活范圍。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

3.4 電源模塊

電源部分主要由LM2596和LM1117芯片構(gòu)成。LM2596具有較寬的輸入電壓范圍，輸出電壓可調(diào)，輸出電流高達(dá)3 A等優(yōu)點(diǎn)，外部電源經(jīng)開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596后變?yōu)? V輸出，此電壓作為MAX487的供電電壓。LM1117具有多種電壓輸出，電流限制和熱保護(hù)，輸出電流高達(dá)800 mA等特點(diǎn)，5 V電源經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器LM1117后變?yōu)?.3 V輸出，此電壓作為微控制器CC2530和射隨電路供電電壓。電源模塊原理如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。首先要對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，其中3個(gè)定時(shí)器需設(shè)置為比較切換輸出模式，對(duì)計(jì)數(shù)器和通道比較寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行比較，生成PWM信號(hào)。接著是將要輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，將其調(diào)制在125 kHz載波上形成所需的激勵(lì)信號(hào)，不斷往外發(fā)送。每次到達(dá)5秒時(shí)間后，輔助定位裝置會(huì)自動(dòng)進(jìn)入RF接收模式，用來(lái)監(jiān)聽(tīng)讀寫(xiě)器發(fā)送的控制指令，如果在指定時(shí)間內(nèi)收到指令，則執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，否則將繼續(xù)執(zhí)行激活任務(wù)。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

4.1 曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼是一種同步時(shí)鐘的編碼技術(shù)，其對(duì)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式是在數(shù)據(jù)位中間產(chǎn)生跳變，從高往低跳表示1，從低往高跳表示0[5]。曼徹斯特編碼規(guī)則如圖7所示。雖然一位碼元變成了高低電平，速率降為一半，但是這樣去除了零頻率成分，提高了抗干擾性。在RFID系統(tǒng)中，常將NRZ碼進(jìn)行曼徹斯特編碼后再調(diào)制，而不是直接調(diào)制NRZ碼。

在編碼調(diào)制過(guò)程中，定時(shí)器1、定時(shí)器3和定時(shí)器4必須同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉，目的是同步信號(hào)。過(guò)程是：先同時(shí)開(kāi)啟3個(gè)定時(shí)器，延時(shí)350 us，然后同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，再延時(shí)350 us。延時(shí)過(guò)程中定時(shí)器通過(guò)比較切換輸出將曼徹斯特碼1進(jìn)行調(diào)制，相反操作則將曼徹斯特碼0進(jìn)行調(diào)制。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

圖7 曼徹斯特編碼規(guī)則

4.2 激勵(lì)信號(hào)調(diào)制

輔助定位裝置需要發(fā)射指定的激勵(lì)信號(hào)才能喚醒電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽中的AS3932芯片能通過(guò)125 kHz天線監(jiān)聽(tīng)信號(hào)，將接收到的信號(hào)送至內(nèi)部解調(diào)器解調(diào)信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行曼徹斯特碼解碼并恢復(fù)時(shí)鐘，得到需要的數(shù)據(jù)。

只有特定的喚醒協(xié)議才能喚醒AS3932，喚醒協(xié)議如圖8所示。輔助定位裝置初始載波脈沖串需要長(zhǎng)達(dá)42位曼徹斯特符號(hào)，空1位符號(hào)后再發(fā)送大于4位曼徹斯特碼的調(diào)制信號(hào)，即10101010的特定格式，然后再發(fā)送存儲(chǔ)在AS3932寄存器R6、R5中的喚醒模式碼，整個(gè)前導(dǎo)碼和喚醒模式碼的總位數(shù)應(yīng)小于40位，最后發(fā)送定位所需的通道ID等數(shù)據(jù)信息。如果標(biāo)簽接收的模式碼正確，則拉高芯片的WAKE引腳，喚醒標(biāo)簽主控制器讀取AS3932數(shù)據(jù)引腳DAT輸出的數(shù)據(jù)。

Carrier Burst Preamble Pattern Data

持續(xù)大于42位曼徹斯特碼 空1位 大于4位曼徹斯特碼，即8位10101010 1001011001101000 數(shù)據(jù)

Preamble + Pattern < 40位

圖8 喚醒協(xié)議

4.3 監(jiān)聽(tīng)讀寫(xiě)器

輔助定位裝置在一定時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)讀寫(xiě)器的功能，通過(guò)解調(diào)讀寫(xiě)器發(fā)送的控制信號(hào)，可根據(jù)相應(yīng)指令執(zhí)行裝置的激勵(lì)信號(hào)開(kāi)關(guān)，發(fā)射間隔時(shí)間調(diào)整，或者更改裝置通道ID等功能。需要注意的是，為避免信道相同導(dǎo)致通信受干擾，讀寫(xiě)器與輔助定位裝置之間的2.4 GHz無(wú)線通信信道需不同于標(biāo)簽之間的通信信道。輔助定位裝置與讀寫(xiě)器通信流程如圖9所示。

圖9 與讀寫(xiě)器通信流程圖

輔助定位裝置處于未監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)不能收到2.4 GHz信號(hào)，因此讀寫(xiě)器發(fā)送控制指令給輔助定位裝置有一定的失敗率，需要多次發(fā)送信號(hào)以確保收到輔助定位裝置的反饋信號(hào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本裝置以CC2530為核心，利用自身RF內(nèi)核控制無(wú)線模塊進(jìn)行2.4 GHz無(wú)線通信，同時(shí)將指定數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，再將其調(diào)制成125 kHz信號(hào)用以喚醒電子標(biāo)簽，起到輔助定位作用。經(jīng)測(cè)試，該低頻輔助裝置可以激活一定范圍內(nèi)的標(biāo)簽，讀寫(xiě)器能夠準(zhǔn)確獲取帶有激勵(lì)通道ID和RSSI值的標(biāo)簽信息，在室內(nèi)圖形界面上能顯示標(biāo)簽具體位置，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作，具有很好的擴(kuò)展性和很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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