RFID（RadioFrequencyIdentification）是一種非接觸式自動識別技術(shù)，其原理是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，實現(xiàn)對物體的自動識別。由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，RFID技術(shù)強有力地推動家庭自動化、工業(yè)自動化、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域的發(fā)展；ZigBee是一種新興的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)，是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的一種組網(wǎng)協(xié)議。利用ZigBee技術(shù)組建由大量節(jié)點組成的面向任務的分布式網(wǎng)絡，通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監(jiān)測，并通過無線通信網(wǎng)絡將信息傳送至遠程用戶。本文通過RFID和WSN的融合組建RFID無線傳感網(wǎng)，并將其應用于家庭智能安防系統(tǒng)。
傳統(tǒng)有線安防系統(tǒng)存在布線難、成本高以及布防撤防不方便的缺點，難以滿足人們越來越高的安防需求?；赗FID無線傳感網(wǎng)組建智能安防系統(tǒng)能有效解決上述問題，RFID主要實現(xiàn)家庭安防智能小車的巡邏定位，WSN完成家庭環(huán)境參數(shù)的分布式智能監(jiān)控。該系統(tǒng)既繼承了RFID技術(shù)自動識別目標的特性，同時實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡主動感知與通信的功能。本系統(tǒng)設計了帶有移動路由器的自適應星型網(wǎng)絡，既保證家庭安防系統(tǒng)的實時性，又避開了復雜的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，從而提高了家庭安防系統(tǒng)的整體性能。
1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
本系統(tǒng)的整體設計架構(gòu)是以智能家庭網(wǎng)關(guān)為中心協(xié)調(diào)器組建ZigBee星型網(wǎng)絡。家庭環(huán)境中安裝各種安防監(jiān)測模塊節(jié)點，一旦監(jiān)測到異常情況，立刻將警情的具體信息發(fā)送到家庭智能網(wǎng)關(guān)，家庭智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)具體情況進行相應的警情處理，如進行無線報警、現(xiàn)場報警或派遣巡邏小車對警情作進一步的探測；智能巡邏小車是網(wǎng)絡中的移動節(jié)點，充當移動路由器，同時可以根據(jù)家庭智能網(wǎng)關(guān)的指令對家庭環(huán)境內(nèi)有可能出現(xiàn)警情隱患的區(qū)域進行更為詳細的監(jiān)控；而貼上智能RFID標簽的物體主要用于智能小車的巡邏定位。
1.1 RFID無線傳感網(wǎng)定位原理
家庭安防系統(tǒng)首要關(guān)心的問題就是，在什么位置或區(qū)域發(fā)生了什么事件，而實際中巡邏小車的定位只須確定以下三個問題，我在哪里？我要到哪里？該怎么走？在本系統(tǒng)中，采用了一種以RFID標簽為路標，用WSN來導航的巡邏定位方法。
在家庭中的一些固定物體（如沙發(fā)、桌子、椅子和書柜等）以及某些重要位置貼上無源RFID標簽，這些就是家庭環(huán)境中的位置路標。安裝RFID讀卡器的家庭小車在家庭環(huán)境中進行巡邏，一旦監(jiān)測到周圍有RFID標簽，立刻停止前進，讀取RFID標簽，并通過無線傳感器網(wǎng)絡將標簽值發(fā)給家庭智能網(wǎng)關(guān)。每個RFID標簽的具體位置、與其相鄰RFID標簽位置信息以及各個RFID標簽之間的相對位置關(guān)系都以位置表、鄰居表和導航表的形式預先存儲在家庭智能網(wǎng)關(guān)中，家庭智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)具體巡邏任務、當前RFID標簽值并結(jié)合這三張表的信息就可以為智能巡邏小車進行導航。
1.2 家庭智能網(wǎng)關(guān)
智能家庭網(wǎng)關(guān)處在智能家庭網(wǎng)絡的中心位置，是通信、決策、報警的核心。家庭智能網(wǎng)關(guān)一方面利用ZigBee網(wǎng)絡，對布防在家庭中的各個安防監(jiān)測模塊節(jié)點進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理，同時實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡設備的管理和控制；另一方面通過GSM模塊實現(xiàn)與外網(wǎng)用戶的遠程通信。當安防監(jiān)測模塊節(jié)點監(jiān)測到警情出現(xiàn)時，家庭智能網(wǎng)關(guān)通過GSM模塊向遠端用戶發(fā)送報警短信或撥打報警電話。
1.3 安防監(jiān)測模塊節(jié)點
各類安防監(jiān)測模塊節(jié)點部署在家庭環(huán)境中可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域，根據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的不同，原理上略有區(qū)別，但基本上都是由安防傳感器（溫度、濕度、煙霧、紅外以及振動）和CC2430射頻模塊組成。
1.4 智能巡邏小車
設計的智能巡邏小車是在微型賽車的基礎上裝上CC2430射頻模塊、RFID讀卡器、攝像頭以及溫度、煙霧等家庭安防傳感器。
智能巡邏小車在家庭安防系統(tǒng)中主要有以下幾個功能：
①智能巡邏小車充當家庭安防傳感器網(wǎng)絡的移動路由節(jié)點。ZigBee星型網(wǎng)精簡了系統(tǒng)設計，但每個節(jié)點都只能和家庭智能網(wǎng)關(guān)通信。在實際家庭環(huán)境中，臥室內(nèi)的安防節(jié)點發(fā)射的信號由于受到內(nèi)墻及室內(nèi)障礙物的影響，導致客廳中的家庭智能網(wǎng)關(guān)接收到的信號很弱，而增加多個路由節(jié)點又會增加網(wǎng)絡的復雜度，本系統(tǒng)采用在網(wǎng)絡中增加一個移動路由節(jié)點解決這個問題。在一定時間內(nèi)沒收到回復信號，家庭智能網(wǎng)關(guān)命令巡邏小車作到特定的位置（由RFID標簽標識）采集信號較弱的節(jié)點數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)發(fā)給家庭智能網(wǎng)關(guān)。
②智能巡邏小車上裝有各種安防傳感器，執(zhí)行巡邏任務時，對各個有安全隱患的區(qū)域進行一次更為仔細監(jiān)控，比如對煤氣管道附件的區(qū)域進行一次全面燃氣泄漏檢測。
③當某個安防監(jiān)測模塊節(jié)點監(jiān)測到有警情狀況時，家庭智能網(wǎng)關(guān)導航智能小車去現(xiàn)場詳細巡邏，以確定是否由于環(huán)境干擾信號造成的誤報警，一旦確定警情出現(xiàn)，開啟攝像頭進行現(xiàn)場拍照。
2 主要功能模塊硬件設計
2.1 CC2430射頻模塊設計
射頻模塊設計采用的CC2430和CC2591功放的結(jié)合，CC2430延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器；CC2591集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器（balun）、交換機、電感器和RF匹配網(wǎng)絡等，最大輸出功率可以達到22dbm，靈敏度可以提高6dbm。根據(jù)CC2591已經(jīng)包含了RF匹配網(wǎng)絡的特點，所以在RF輸入/輸出部分，不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡，從而使電路設計變得簡單。
2.2 RFID讀卡器模塊設計
在CC2430射頻模塊上擴展RFID讀卡模塊，RFID主芯片選擇CLRC632。
射頻芯片RC632與CC2430的連接方式選擇了獨立的讀/寫選通模式。在該模式下CLRC632的連接方式。該讀卡IC利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念,完全集成了在13156MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。本設計采用的RFID通信協(xié)議是IEC15693協(xié)議。
CC2430通過端口P0與CLRC632的數(shù)據(jù)總線相連，可實現(xiàn)與無線射頻芯片RC632之間的命令與數(shù)據(jù)的傳遞。CC2430的引腳P210和引腳P211分別與CLRC632的NWR引腳和NRD引腳相連，分別控制RC632的數(shù)據(jù)的寫入和讀取。同時，將CC2430的P112作為RC632的片選信號的輸入端，該端口低電平有效。RSTPD引腳為復位和掉電引腳，當為高時，停止輸入端并與外部斷開，該引腳信號的下降沿觸發(fā)芯片復位，用引腳P116控制。
3 系統(tǒng)測試分析
系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了CC2430射頻模塊和RFID讀卡器模塊，為在CC2430射頻模塊基礎上擴展設計家庭智能網(wǎng)關(guān)，正面為CC2430模塊，背面為TC35iGSM模塊；安裝上CC2430射頻模塊和RFID讀卡器的智能巡邏小車。
在實驗室環(huán)境下模擬家庭環(huán)境對系統(tǒng)性能進行了一些測試，下面是對測試結(jié)果的一些分析結(jié)論：
①CC2430射頻模塊在室內(nèi)無障礙物情況下有效通信距離為50m以內(nèi)，遇實體障礙物信號衰減嚴重。
②RFID讀卡器有效讀卡距離在15cm以內(nèi)，讀卡速率為5card/s。
③智能巡邏小車在以015m/s低速前進時能識別RFID標簽，并能完成從一個RFID標簽到另一個RFID標簽的定位。
④發(fā)送GSM短消息實現(xiàn)遠程無線控制和報警。
4 結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡和RFID技術(shù)都是當今的研究熱點，兩者相結(jié)合組成RFID無線傳感網(wǎng)可以以更低的成本應用于物流和供應鏈管理、生產(chǎn)制造和裝配、遙感勘測、搶險、安防等領(lǐng)域。本文針對目前家庭安防系統(tǒng)中存在的問題，設計了一種基于RFID無線傳感網(wǎng)的智能家庭安防系統(tǒng)，同時該設計對其他類似擴展應用也具有一定的參考價值。