基于RFID的近距离无线控制系统

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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。

图2 基于RFID的无线控制系统结构


系统工作流程如下:当系统运行后,PC开始定时向所有从机发送查询传感器信息和执行器状态的命令,接收到查询命令的从机被激活,并在完成相应的数据采集任务后,将这些信息以指定格式送入RFlD标签。RFID读写器接收到RFID标签的信息后,通过USB接口将其送入PCE中进行处理,随后,处理得到的控制命令被发送至各RFID标签,最后,单片机根据控制命令的要求完成对执行器的操作。

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[5]。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。

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