·468. 智能系统学报 第8卷 速、廉价的ZigBee节点的构建，拥有独立的射频输 围器件+5V和+3.3V的直流稳压电源需求， 入输出端口，仅需天线、3.3V和1.8V电源滤波电 2.2RFID电子标签硬件电路的设计 路、芯片晶振电路和复位电路等外围电路配合就能 有源电子标签电路包括天线、射频读写芯片 实现信号的收发功能[8劉 CC2430、电源模块等，如图6所示.在电子标签中， 考虑到一般幼儿园范围或外出活动范围比较 CC2430内部存储器存储标签识别程序和射频标签 大，终端节点的分布比较广，在CC2430与天线之间 相关信息，电子标签采用睡眠/唤醒工作模式，工作 增加CC2591射频前端（见图1），放大发送和接收 时微控制器8051执行读写器的指令，控制无线收发 信号的功率.CC2591输出功率达22dBm,对CC2430 器自动完成电子标签与读写器之间的指令信号和反 的接收灵敏度可提高6dB,能显著扩展信号传输距 射应答数据信号的打包、编码、发送调制、接收解调、 离和网络覆盖范围，减少路由器的个数[」 解码等收发任务.天线采用小型PCB环形天线，直 2.1.3键盘与显示模块 接印制在PCB板上.使用3V纽扣电池供电，信号指 用于输入或显示相关信息，实现用户操作所需 示灯包括正常工作时的工作指示灯和出现异常时进 的人机界面.MSP430F149中拥有大容量的片内存储 行闪烁的报警指示灯 器，方便读写器本身实现大规模数据的存储.根据系 工作灯 复位键 统功能需求，读写器设置4个功能按键和1个复位 按键，控制相应功能显示模块用于显示幼儿、幼儿 射频前端CC2591 报警灯 电子标签 家长的身份信息、查询信息、报警信息等.显示设备 CC2430 调试接口 选用DMF50840单色液晶显示器，液晶显示控制器 电源 采用SED1335.MISP430F149与SED1335及LCD模 块接口电路如图5所示. 图6 电子标签硬件电路原理 Fig.6 Frame of Electronic tag P5.0-P5.7 D0-D7 DATA 3 列驱动 系统软件设计 MSP430 SED1335 P3.0 LCDP 行驱动 递变器 系统软件设计包括读写器与电子标签上的嵌入 P3.1 CS 液品屏 P3.2 R CM 偏压电路 式软件设计、ZigBee网络无线通信软件设计和上位 P3.3 WD 机的软件开发.读写器嵌入式软件包括 MSP430F149、CC2430等各组成模块的初始化程序、 图5LCD接口电路 数据存储/处理程序、射频卡读/写程序、键盘/显示 Fig.5 LCD interface circuit 程序、通信程序、实时时钟程序等：电子标签软件主 2.1.4其他功能模块 要实现标签身份的识别和数据的无线通信.下面重 扩展存储模块选用AT45DB161B串行FLASH 点介绍系统主程序及射频卡读/写操作流程，ZigBee 网络的组建及无线通信设计. 存储器，扩展单片机的存储器空间，方便读写器单独 3.1系统主程序流程图 使用于某些数据存储量大的应用中，保存所需的电 系统主程序流程图如图7所示.系统主程序主 子标签数据，同时保存用于显示的用户字库 要完成MSP430F149、CC2430及外围模块接口、Zig 通信模块用于读写器直接与计算机进行通信， Bee协议栈所需的初始化工作，并打开中断：ZigBee 方便调试读写器，方便读写器单独使用时将保存的 协调器建立好网络，路由器和终端节点加入网络，并 电子标签数据适时下载或发送给上位机.其中USB 发送和处理绑定命令，协调器与各节点进行通信；用 户设置工作模式，通过键盘操作完成相应的软件更 接口选用PS1582,串行通信接口选用MAX3232. 新、射频卡读/写、信息显示、数据通信等读写操作； 电源系统采用AC电源、USB电源以及电池供 读写器读写标签数据通过ZigBee网络传送，写入终 电相结合的模式，为读写器进行供电和充电，满足读 端节点或上传上位机（服务器），上位机判断标签合 写器不同场合的应用，以及满足MSP430F149与外 法性并做处理。速、廉价的 ＺｉｇＢｅｅ 节点的构建ꎬ拥有独立的射频输 入输出端口ꎬ仅需天线、３.３ Ｖ 和 １.８ Ｖ 电源滤波电 路、芯片晶振电路和复位电路等外围电路配合就能 实现信号的收发功能[８] . 考虑到一般幼儿园范围或外出活动范围比较 大ꎬ终端节点的分布比较广ꎬ在 ＣＣ２４３０ 与天线之间 增加 ＣＣ２５９１ 射频前端(见图 １)ꎬ放大发送和接收 信号的功率.ＣＣ２５９１ 输出功率达 ２２ ｄＢｍꎬ对 ＣＣ２４３０ 的接收灵敏度可提高 ６ ｄＢꎬ能显著扩展信号传输距 离和网络覆盖范围ꎬ减少路由器的个数[９] . ２.１.３ 键盘与显示模块 用于输入或显示相关信息ꎬ实现用户操作所需 的人机界面.ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 中拥有大容量的片内存储 器ꎬ方便读写器本身实现大规模数据的存储.根据系 统功能需求ꎬ读写器设置 ４ 个功能按键和 １ 个复位 按键ꎬ控制相应功能.显示模块用于显示幼儿、幼儿 家长的身份信息、查询信息、报警信息等.显示设备 选用 ＤＭＦ５０８４０ 单色液晶显示器ꎬ液晶显示控制器 采用 ＳＥＤ１３３５.ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 与 ＳＥＤ１３３５ 及 ＬＣＤ 模 块接口电路如图 ５ 所示. 图 ５ ＬＣＤ 接口电路 Ｆｉｇ.５ ＬＣＤ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ２.１.４ 其他功能模块 扩展存储模块选用 ＡＴ４５ＤＢ１６１Ｂ 串行 ＦＬＡＳＨ 存储器ꎬ扩展单片机的存储器空间ꎬ方便读写器单独 使用于某些数据存储量大的应用中ꎬ保存所需的电 子标签数据ꎬ同时保存用于显示的用户字库. 通信模块用于读写器直接与计算机进行通信ꎬ 方便调试读写器ꎬ方便读写器单独使用时将保存的 电子标签数据适时下载或发送给上位机.其中 ＵＳＢ 接口选用 ＩＰＳ１５８２ꎬ串行通信接口选用 ＭＡＸ３２３２. 电源系统采用 ＡＣ 电源、ＵＳＢ 电源以及电池供 电相结合的模式ꎬ为读写器进行供电和充电ꎬ满足读 写器不同场合的应用ꎬ以及满足 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 与外 围器件＋５ Ｖ和＋３.３ Ｖ的直流稳压电源需求. ２.２ ＲＦＩＤ 电子标签硬件电路的设计 有源电子标签电路包括天线、射频读写芯片 ＣＣ２４３０、电源模块等ꎬ如图 ６ 所示.在电子标签中ꎬ ＣＣ２４３０ 内部存储器存储标签识别程序和射频标签 相关信息ꎬ电子标签采用睡眠/ 唤醒工作模式ꎬ工作 时微控制器 ８０５１ 执行读写器的指令ꎬ控制无线收发 器自动完成电子标签与读写器之间的指令信号和反 射应答数据信号的打包、编码、发送调制、接收解调、 解码等收发任务.天线采用小型 ＰＣＢ 环形天线ꎬ直 接印制在 ＰＣＢ 板上.使用 ３ Ｖ 纽扣电池供电ꎬ信号指 示灯包括正常工作时的工作指示灯和出现异常时进 行闪烁的报警指示灯. 图 ６ 电子标签硬件电路原理 Ｆｉｇ.６ Ｆｒａｍｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔａｇ ３ 系统软件设计 系统软件设计包括读写器与电子标签上的嵌入 式软件设计、ＺｉｇＢｅｅ 网络无线通信软件设计和上位 机的 软 件 开 发. 读 写 器 嵌 入 式 软 件 包 括 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９、ＣＣ２４３０ 等各组成模块的初始化程序、 数据存储/ 处理程序、射频卡读/ 写程序、键盘/ 显示 程序、通信程序、实时时钟程序等ꎻ电子标签软件主 要实现标签身份的识别和数据的无线通信.下面重 点介绍系统主程序及射频卡读/ 写操作流程ꎬＺｉｇＢｅｅ 网络的组建及无线通信设计. ３.１ 系统主程序流程图 系统主程序流程图如图 ７ 所示.系统主程序主 要完成 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９、ＣＣ２４３０ 及外围模块接口、Ｚｉｇ￣ Ｂｅｅ 协议栈所需的初始化工作ꎬ并打开中断ꎻＺｉｇＢｅｅ 协调器建立好网络ꎬ路由器和终端节点加入网络ꎬ并 发送和处理绑定命令ꎬ协调器与各节点进行通信ꎻ用 户设置工作模式ꎬ通过键盘操作完成相应的软件更 新、射频卡读/ 写、信息显示、数据通信等读写操作ꎻ 读写器读写标签数据通过 ＺｉｇＢｅｅ 网络传送ꎬ写入终 端节点或上传上位机(服务器)ꎬ上位机判断标签合 法性并做处理. 􀅰４６８􀅰 智 能 系 统 学 报 第 ８ 卷