圖3 單片機(jī)外圍電路原理圖
2.2 射頻通信模塊
考慮到功耗、接收靈敏度、傳輸速率和芯片成本等因素，系統(tǒng)采用了TI 公司的無(wú)線射頻收發(fā)芯片CC2500 作為無(wú)線通信模塊控制器。CC2500 是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、體積小的2.4 GHz 無(wú)線通信頻段的收發(fā)器，工作頻率波段為2400~2 483.5 MHz。RF 收發(fā)器集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbit/s 的高度， 可配置的調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)64 位傳輸/接收FIFO(先進(jìn)先出堆棧)。CC2500 的寄存器配置可通過(guò)SPI 接口控制。它具有載波監(jiān)聽(tīng)和休眠模式，非常適合低功耗應(yīng)用。
射頻通信模塊主要由CC2500 收發(fā)器、傳輸與接收天線及其外圍濾波、匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其中天線采用了Rainsun 公司的貼片天線，系統(tǒng)電路原理圖如圖4 所示。
圖4 CC2500 外圍電路原理圖
CC2500 通過(guò)4 線SPI 兼容接口(SI，SO，SCLK 和CSN)與PIC16F877A 相連，這個(gè)接口用作寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)。SI 為數(shù)據(jù)輸入線，SO 為數(shù)據(jù)輸出線，SCLK 為時(shí)鐘線，CSN 為片選信號(hào)線，低電平有效。SPI 接口的狀態(tài)控制線還包含一個(gè)讀/寫(xiě)信號(hào)控制線。CC2500 的狀態(tài)寄存器里指示一些系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。
2.3 電源模塊
RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)一般主要布置在樓宇、倉(cāng)儲(chǔ)建筑物等的內(nèi)部，有些具有移動(dòng)性，所以節(jié)點(diǎn)大多數(shù)需要采用電池供電，在元器件的選取中，盡量選擇低功耗器件以降低系統(tǒng)功耗，2.4~3.6 V 的電壓可以使系統(tǒng)中所有的器件和模塊正常工作。因此，實(shí)際中采用與之電壓匹配的高能紐扣鋰電池作為供電電源。
2.4 電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)2.45 GHz 的RFID 系統(tǒng)時(shí)要考慮電磁兼容性(EMC)，以保證讀寫(xiě)器和標(biāo)簽在設(shè)定的電磁環(huán)境和規(guī)定的安全界限內(nèi)運(yùn)行。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，元件的選擇和電路設(shè)計(jì)是影響電磁兼容的重要因素，對(duì)于射頻通信模塊需要去耦電容來(lái)去除元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的噪聲電壓，并且要注意信號(hào)源和信號(hào)終端的阻抗匹配。PCB 上的導(dǎo)線同樣具有阻抗、電感、電容特性，因此在PCB 布局和布線也考慮了電磁兼容性等問(wèn)題。布局是按照信號(hào)流程放置元件， 盡量縮短元件之間的連接，CC2500 底部通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時(shí)，為了抗電磁干擾，把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開(kāi)來(lái)。RFID 定位系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)位置應(yīng)盡量避開(kāi)高大障礙物，以減少對(duì)電磁波的阻隔，影響傳輸性能。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 定位算法的選擇
本RFID 定位系統(tǒng)采用LANDMARC 定位原理。LANDMARC定位算法適用于有源RFID 室內(nèi)定位。它將具有固定位置信息的標(biāo)簽作為定位系統(tǒng)中的坐標(biāo)參考點(diǎn)，通過(guò)參考點(diǎn)標(biāo)簽與移動(dòng)讀寫(xiě)器之間的通信，獲取兩者之間的無(wú)線射頻信號(hào)強(qiáng)度值RSSI， 繼而獲取讀寫(xiě)器與多個(gè)參考標(biāo)簽之間的RSSI 值，根據(jù)RSSI 與通信距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取讀寫(xiě)器與多個(gè)參考標(biāo)簽之間的距離關(guān)系。LANDMARC 算法可以通過(guò)比較讀寫(xiě)器與參考標(biāo)簽之間RSSI 值的大小來(lái)獲得離讀寫(xiě)器距離最近的幾個(gè)參考標(biāo)簽，然后根據(jù)這幾個(gè)最鄰近參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，并結(jié)合它們的權(quán)重，可計(jì)算出讀寫(xiě)器的坐標(biāo)。
3.2 RFID 定位算法
無(wú)線信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系可以用式(1)來(lái)表示，其中RSSI 是接收信號(hào)強(qiáng)度，d 是收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，n 是信號(hào)傳播因子。
由式(1)中可以看出，常數(shù)A 和n 的值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。射頻參數(shù)A 和n 用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。射頻參數(shù)A 被定義為用dBm 表示的距發(fā)射器1 m時(shí)接收到信號(hào)平均能量的絕對(duì)值。如平均接收能量為-40dBm，那么參數(shù)A 被定為40。射頻參數(shù)n 指出了信號(hào)能量隨著距收發(fā)器距離增加而衰減的速率，其數(shù)值的大小取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境。