利用ZigBee和RFID技術(shù)的設(shè)備防盜系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

顏洲，李曉轅

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 引言

隨著芯片技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，辦公自動化的普及程度和辦公效率不斷提高。人們在工作中對小型設(shè)備的使用越來越普遍，如移動掃描槍、移動投影儀、移動揚(yáng)聲器、平板電腦等，實(shí)現(xiàn)了萬物互聯(lián)。這些小型設(shè)備通常存儲第一手?jǐn)?shù)據(jù)信息，為工作提供了便利。然而，設(shè)備的工作場所往往難以達(dá)到人們的理想狀態(tài)，有時(shí)會發(fā)生移動設(shè)備丟失問題，這極易導(dǎo)致工作不能繼續(xù)進(jìn)行，對單位、人員造成財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)，設(shè)備丟失也會帶來數(shù)據(jù)泄露和信息不安全問題，對企業(yè)和單位造成不利影響。

結(jié)合上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee 和RFID 技術(shù)的無線定位系統(tǒng)。無線定位系統(tǒng)具有如下功能：電子設(shè)備能實(shí)時(shí)反饋設(shè)備工作狀態(tài)、反饋設(shè)備所在區(qū)域、自動定位和超出區(qū)域自動報(bào)警、信息管理，等等。

2 ZigBee 技術(shù)的自組無線局域網(wǎng)

隨著芯片技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越成熟。①ZigBee 是一種無線通信協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體接入層和物理層，具有低功耗、低成本、簡單、多接入點(diǎn)、支持多種拓?fù)?、安全可靠等特點(diǎn)。②藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)。藍(lán)牙模塊體積小，可以集成到筆記本電腦、手機(jī)和其他移動終端當(dāng)中，因其低功耗和高安全性而得到廣泛應(yīng)用。其位原理主要基于RSSI（信號強(qiáng)度定位），iBeacon 部署在固定區(qū)域并傳輸信號，藍(lán)牙設(shè)備接收信號并將其反饋，在部署范圍內(nèi)，通過接收信號的強(qiáng)度來估計(jì)位置。然而，使用藍(lán)牙的室內(nèi)定位系統(tǒng)在一些復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定性較差，容易受到其他信號的干擾，并且信號強(qiáng)度受到距離的限制，超出一定范圍后，藍(lán)牙將斷開連接。③WiFi 定位技術(shù)。近年來，隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WiFi 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到城市的各個(gè)角落，WiFi 芯片也分布在用戶的各個(gè)終端。這種廣泛的部署得益于WiFi 定位的自然優(yōu)勢，使其可以在大范圍內(nèi)應(yīng)用。其缺點(diǎn)是WiFi 定位的使用必須處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，并且功耗高。如果WiFi 網(wǎng)絡(luò)中有更多終端，則可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞并降低定位質(zhì)量。④NFC 代表近場通信，其被開發(fā)用于室內(nèi)定位，但用于接近感測。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備（均支持NFC）相互接觸時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸既快速又簡單。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不能過大，即從96 字節(jié)到8 192 字節(jié)（或8 kB）。典型的數(shù)據(jù)類型包括（但不限于）：信用卡/借記卡配置文件、網(wǎng)站URL、小型HTML、聯(lián)系信息或純文本。通過一些編碼，NFC 標(biāo)簽可以觸發(fā)設(shè)置中的某些更改內(nèi)容（使手機(jī)靜音、配置WiFi 設(shè)置以將手機(jī)驗(yàn)證到WiFi 網(wǎng)絡(luò)等）、發(fā)送短信和電話、打開應(yīng)用程序和Web 服務(wù)。對于現(xiàn)有設(shè)備的改造升級從理論上比較簡單可行，無線技術(shù)的性能比較如表1所示。

表1 無線技術(shù)性能比較

ZigBee 技術(shù)的無線自組局域網(wǎng)主要由以下幾種類型的設(shè)備構(gòu)成：路由設(shè)備、協(xié)調(diào)設(shè)備和末端節(jié)點(diǎn)。在自組網(wǎng)絡(luò)中，路由設(shè)備和協(xié)調(diào)設(shè)備要具有數(shù)據(jù)收集和路由選擇功能，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD，而終端節(jié)點(diǎn)則可以是FFD 或者RFD。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）需要與通信范圍內(nèi)的多個(gè)協(xié)調(diào)設(shè)備（FFD）和末端節(jié)點(diǎn)（RFD）進(jìn)行無線連接。

3 利用ZigBee 和RFID 技術(shù)的設(shè)備防盜系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備防盜系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在ZigBee 技術(shù)的無線自組局域網(wǎng)運(yùn)行過程中，局域網(wǎng)中的末端節(jié)點(diǎn)如果發(fā)生位移，并且位移達(dá)到一定的距離或者離開某個(gè)范圍，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，所有的出入口關(guān)閉，末端節(jié)點(diǎn)的位置實(shí)時(shí)反饋到管理員監(jiān)控系統(tǒng)，管理員通過視頻監(jiān)控進(jìn)行查看，同時(shí)，派出保安人員現(xiàn)場進(jìn)行處理。如果末端節(jié)點(diǎn)屬于正常移動或者在授權(quán)情況下進(jìn)行移動，則給予放行。如果末端節(jié)點(diǎn)需要離開監(jiān)控區(qū)域，則需要授權(quán)并且在門禁系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和登記，然后才能放行。

設(shè)備防盜系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要從企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃、實(shí)際需求、企業(yè)現(xiàn)狀（軟件、硬件、人員、費(fèi)用等）等角度進(jìn)行可行性分析，然后根據(jù)實(shí)際情況制定符合企業(yè)特點(diǎn)的最可行方案。在考慮企業(yè)情況的同時(shí)，需要充分分析現(xiàn)有設(shè)備的性能參數(shù)，選擇功耗低、抗污染、可重復(fù)、掃描快、體積小的協(xié)調(diào)設(shè)備和末端設(shè)備。

通過技術(shù)參數(shù)比對，CC2431RTCR 具有低功耗、抗污染、可重復(fù)、掃描快、體積小等特點(diǎn)，可以進(jìn)行表面貼裝，方便在公共設(shè)備和電子設(shè)備安裝使用。在做嵌入式處理前，需要將設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及相關(guān)需要的參數(shù)寫入128 kB 的閃存中。在設(shè)置協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要根據(jù)空間的大小進(jìn)行設(shè)置，每個(gè)獨(dú)立空間最少設(shè)置3 個(gè)協(xié)調(diào)設(shè)備（見圖1）。走廊和樓梯兩側(cè)分別按照設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行交叉設(shè)置協(xié)調(diào)設(shè)備；走廊、走廊盡頭、樓梯間按照攝像設(shè)備的性能，按照無死角原則進(jìn)行設(shè)置；每層根據(jù)協(xié)調(diào)設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)安裝路由設(shè)備；每個(gè)建筑物的出入口安裝4 個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和攝像設(shè)備。通過這些全功能設(shè)備（FFD）和半功能（RFD）設(shè)備組成ZigBee 無線自組局域網(wǎng)絡(luò)。

圖1 防盜系統(tǒng)單層平面設(shè)計(jì)圖

3.2 RFID 定位模塊設(shè)計(jì)

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號、空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID 技術(shù)具有讀取距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)可加密等特點(diǎn)。在設(shè)備中使用到的電子標(biāo)簽具有存儲功能，同時(shí)具有超薄、價(jià)格低廉、可反復(fù)使用等特點(diǎn)。RFID 技術(shù)通常使用于電子設(shè)備，特別是智能設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域包括物流、商品管理、設(shè)備管理及智能家居等。按照防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備的特點(diǎn)，定位模塊可以選擇無源電子標(biāo)簽。無源電子標(biāo)簽由于自身的特點(diǎn)，沒有計(jì)算能力，需要借助第三方進(jìn)行信號接收和信號處理。第三方通常為具有讀寫功能的協(xié)調(diào)設(shè)備，其組成三角型，進(jìn)行定位設(shè)置。由于協(xié)調(diào)設(shè)備的識別范圍在10 m 左右，其定位精度會比較高，定位比較準(zhǔn)確。

3.3 發(fā)射端電路設(shè)計(jì)

發(fā)射端需要通過超聲波探頭發(fā)送40 kHz 方波信號，超聲波發(fā)射器采用分體式超聲波探頭T40-16，其原理是壓電陶瓷能量轉(zhuǎn)換。單片機(jī)提供脈寬調(diào)制（PWM）電壓信號輸出功能，可為系統(tǒng)提供原始40 kHz 方波信號。但是，由單片機(jī)輸出的PWM 波信號直接驅(qū)動探頭會使測量距離較短，不能滿足實(shí)際測量要求，需要對單片機(jī)的輸出信號進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)采用了由逆變器74als04 組成的驅(qū)動電路，單片機(jī)產(chǎn)生的信號分為兩路：一路信號通過反相器，然后通過兩個(gè)并聯(lián)反相器；另一路信號直接通過兩個(gè)并聯(lián)逆變器，將輸出到探頭的電壓加倍，以達(dá)到放大效果。放大后的信號可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)，并且可以增加可測量范圍。

3.4 定位測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定位測距系統(tǒng)包括3 個(gè)部分，分別為發(fā)射端、無線傳輸模塊和接收端，其在同一個(gè)空間分布有發(fā)射端F 和接收端A、B、C，但發(fā)射端發(fā)送電磁信號后，由接收端分別接收電磁信號，然后對信號進(jìn)行濾波、整形和放大，交由上一級進(jìn)行處理。

在ZigBee 防盜系統(tǒng)中，通過對終端已經(jīng)寫入信息的電子標(biāo)簽進(jìn)行定位，可以快速確定終端的具體位置，這種快速定位技術(shù)分為非測距方法和測距方法兩種形式。一般常用的測距方法包括以下幾種：基于信號到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）定位、基于信號到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位、基于RSSI 定位、基于信號到達(dá)角（Angle of Arrival，AOA）定位等。上述測距技術(shù)，是基于協(xié)調(diào)設(shè)備與終端設(shè)備之間的實(shí)際距離進(jìn)行測算的方法。

3.5 接收模塊定位設(shè)計(jì)

無線定位技術(shù)是利用電磁波進(jìn)行距離測控，根據(jù)相關(guān)算法判斷被測物體的位置，實(shí)現(xiàn)定位、追蹤、識別和監(jiān)測目標(biāo)位置等功能。無線定位一般包括3 個(gè)部分：定位設(shè)備、定位接收器和定位系統(tǒng)。無線定位涉及的參數(shù)一般包括：無線電波傳輸?shù)姆?、時(shí)間、相位和到達(dá)角，等等。測量的方法有很多種，主要包括以下幾種：紅外線定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識別技術(shù)、WiFi 技術(shù)、ZigBee 技術(shù)，等等。

在設(shè)備防盜系統(tǒng)中，定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于三角關(guān)系定位技術(shù)、ZigBee 技術(shù)、無線測距技術(shù)及FFD 設(shè)備、RFD 設(shè)備組成的。其使用的MC13224 芯片符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee、ZigBee PRO 和ZigBee RF4CE 標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)連接和完整的ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。MC13224 集成了完整的低功耗2.4 GHz 無線電收發(fā)器，內(nèi)嵌了32 位ARM7 處理器，集成了用于IEEE 802.15.4、MAC 和AES 安全加密的硬件加速器以及MCU 成套外設(shè)。根據(jù)數(shù)據(jù)比對（見表2），定位采用源于ZigBee 信號強(qiáng)度（RSSI）的指紋定位算法，其根據(jù)信號的強(qiáng)弱與理論值進(jìn)行比較，可以比較精確地計(jì)算出末端節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。

表2 測距性能對比

4 監(jiān)測系統(tǒng)定位設(shè)計(jì)

無線定位技術(shù)是一種利用電磁波進(jìn)行距離測量的技術(shù)，它通過特定的算法來確定測量物體的準(zhǔn)確位置信息。測量參數(shù)一般包括傳輸?shù)臅r(shí)間、相位、幅度等?，F(xiàn)有的測量方法有：藍(lán)牙方法、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）方法、超寬帶（Ultra Wideband，UWB）方法、WiFi 方法和ZigBee方法等。從定位原理來看，定位技術(shù)分為3 種：三角關(guān)系與運(yùn)算定位技術(shù)、臨近關(guān)系定位技術(shù)和場景分析定位技術(shù)。不同的定位方法和定位技術(shù)，對測量精度有很大影響。

在小型電子設(shè)備防盜系統(tǒng)中定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用ZigBee 技術(shù)、三角關(guān)系和運(yùn)算定位技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其核心是使用Chipcon 公司的CC2431 芯片，CC2431 芯片自帶的硬件定位引擎符合ZigBee/IEEE 802.15.4 技術(shù)要求。其定位引擎是基于RSSI 技術(shù)，根據(jù)信號的強(qiáng)度與參考信號進(jìn)行比較，能準(zhǔn)確地計(jì)算出終端節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，并將位置信息發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)并傳送到監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 基于ZigBee 的RSSI 定位技術(shù)應(yīng)用

在ZigBee 的RSSI 定位技術(shù)中，為了對室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行定位，一般使用三角定位測量技術(shù)。協(xié)調(diào)設(shè)備固定在三角點(diǎn)位上，然后根據(jù)接收的電磁信號的強(qiáng)弱和電磁信號的特點(diǎn)，通過計(jì)算得出末端節(jié)點(diǎn)的位置，進(jìn)行定位。由于信號在傳輸過程中會受到電磁信號的干擾和空間物體的影響，在測量時(shí)會利用理論值和實(shí)地測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，通過公式的計(jì)算得出在一定誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)值。RSSI 值的公式為：RSSI=A-10nlg（d）。式中，n 為信號傳輸路徑損耗（Pass Loss）指數(shù)；A 為無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)相距1 m 時(shí)無線接收器接收到的值；d 為接收端接收到的信號強(qiáng)度。

4.2 RSSI 取值設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以接收末端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的Blast 數(shù)據(jù)包，從數(shù)據(jù)包中可以獲取相應(yīng)的RSSI 數(shù)值。RSSI 數(shù)值的取值有3 種方法：中值取值策略、多數(shù)投票取值策略和均值取值策略。

中值取值策略可以避免取值出現(xiàn)較大偏差，而影響測量精度，使用中值取值一般采用測量值的中值作為測量結(jié)果，以保證能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。多數(shù)投票取值策略是通過符合條件的取值個(gè)數(shù)決定測量值是否可用，其精確度比較高，但對資源消耗比較大，不適合資源比較有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。均值取值策略是通過計(jì)算所有得到的測量結(jié)果，取其平均值。由于RSSI 取值受到環(huán)境的影響比較大，所有均值取值策略會出現(xiàn)一些偏差。

通過對這3 種策略的分析，選擇中值取值策略作為設(shè)備防盜系統(tǒng)的RSSI 取值方法。

5 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和人工智能的興起，利用無線局域網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)會越來越普及。同樣，采用無線局域網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備防盜系統(tǒng)就是利用無線網(wǎng)建設(shè)的便捷性、方便性、高效性等特點(diǎn)建立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在未來，可以把溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測和煙霧監(jiān)測融入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，使ZigBee 技術(shù)的無線局域網(wǎng)具有更大的擴(kuò)展性。