ZigBee技術(shù)在二代身份證讀卡器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯ZigBee技術(shù)在二代身份證讀卡器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化RFID讀卡系統(tǒng)在機(jī)關(guān)、賓館、學(xué)校等企事業(yè)單位得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)讀卡器提供RS232/485、USB、以太網(wǎng)等通信接口，存在攜帶不便、布線因難、功耗大、成本高等缺點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)對(duì)無(wú)法布線、供電不便、距離遠(yuǎn)等復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。同時(shí)，隨著身份證換發(fā)工作的開(kāi)展，我國(guó)絕大部分地區(qū)居民已全面使用第二代居民身份證（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為二代證），這種新型身份證采用符合ISO14443TypeB國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式IC卡技術(shù)，存入了公民身份證號(hào)碼、照片等個(gè)人信息，并具有的序列號(hào)。讀取二代證序列號(hào)，無(wú)需專(zhuān)用的身份證安全控制模塊。因此，一方面，利用二代身份證代替只讀卡可降低成本，防止偽造，提高了只讀卡系統(tǒng)的安全性能；另一方面，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)讀卡信息的傳遞，可避免繁重的布線工作，適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。設(shè)計(jì)具有以上功能的新型二代證讀卡器具有廣闊的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱(chēng)于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和"嗡嗡"（zig）地抖動(dòng)翅膀的"舞蹈"來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是基于802.15.4的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，專(zhuān)注于低功耗，低成本，低開(kāi)發(fā)難度的通訊手段，自2022年ZigBeeAlliance成立，多家國(guó)際巨頭公司參與到其標(biāo)準(zhǔn)的制定和應(yīng)用推廣，如今在智能家庭、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和電信應(yīng)用領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大致分為2類(lèi)：

①傳感器節(jié)點(diǎn)，作用是采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)及處理，并通過(guò)短距離無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)路由器，具有自組網(wǎng)的能力。

②匯聚節(jié)點(diǎn)，作用是充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他外部網(wǎng)絡(luò)。

本設(shè)計(jì)屬于第二種傳感器節(jié)點(diǎn)。如圖1所示，硬件系統(tǒng)由二代證讀卡模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊及主控MCU（ATmega128L）等部分構(gòu)成。人機(jī)界面模塊包括LCD、蜂鳴器與按鍵等，向用戶提供參數(shù)設(shè)置、讀卡信息反饋、聲音提示等交互功能。二代證讀卡模塊接收MCU指令，閱讀身份證ID并返回。ZigBee通信模塊實(shí)現(xiàn)讀卡信息的發(fā)送、控制指令接收、數(shù)據(jù)更新等功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊保存近一段時(shí)間內(nèi)的所有讀卡信息，以保證讀信息的完整性與可靠性。電源模塊具有自發(fā)電功能，無(wú)需外部供電，可向系統(tǒng)提供持久工作電壓。

1.1二代證讀卡電路

讀卡電路選用MFRC531作為射頻基站芯片，它是NXP公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信的高集成IC讀寫(xiě)芯片系列中的一員。MFRC531射頻芯片提供了兩種通信方式：并行模式與SPI模式。為節(jié)省主控MCU引腳數(shù)量，設(shè)計(jì)中選用SPI方式。如圖2所示，主控MCUATmegal28L與射頻芯片MFRC531通過(guò)SPI接口連接，在SP|通信中，ATmegal28L為SPI主機(jī)，控制SPI從機(jī)MFRC531完成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。數(shù)據(jù)通信由SPI主機(jī)發(fā)起，它首先使NSS引腳輸出低電平以選中SPI從機(jī)，然后通過(guò)SCLK引腳向從機(jī)A2端口發(fā)送8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，SPI主機(jī)中8位移位寄存器的數(shù)據(jù)依次串行從MOSI引腳送出，經(jīng)過(guò)SPI從機(jī)A0引腳進(jìn)入其移位寄存器，同時(shí)從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)也通過(guò)DO引腳送入主機(jī)的移位寄存器中。由于通信雙方SPI模塊中移位寄存器均為8位，所以每次通信只能相互傳送8位數(shù)據(jù)。在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，SPI主機(jī)NSS引腳輸出高電平，使雙方的SPI模塊處于空閑狀態(tài)。此外，選用SPI通信方式，還須將MFRC531芯片A1引腳接低電平，NRD和NWR引腳接高電平，D7~D1引腳懸空。

1.2無(wú)線通信電路

無(wú)線通信（WirelessCommunication）是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展快、應(yīng)用廣的就是無(wú)線通信技術(shù)。在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信又通稱(chēng)為移動(dòng)通信，人們把二者合稱(chēng)為無(wú)線移動(dòng)通信。從初的電報(bào)開(kāi)始經(jīng)過(guò)150多年的現(xiàn)代電信的發(fā)展是來(lái)自各界的成千上萬(wàn)科學(xué)家、工程師和研究人員的辛勤勞動(dòng)的結(jié)果。他們當(dāng)中只有少數(shù)獨(dú)立負(fù)責(zé)發(fā)明的人成了名，而大多數(shù)達(dá)到頂點(diǎn)的發(fā)明是許多個(gè)人的成果。這里匯集了部分對(duì)于無(wú)線電通信發(fā)展中起到重要作用的歷史人物。

無(wú)線通信電路是讀卡器中重要的組成部分，承擔(dān)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，本設(shè)計(jì)無(wú)線射頻芯片選用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420.CC2420是一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻收發(fā)器，它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以O(shè).18μmCMOS工藝制成，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)250kbps,外圍元件極少，性能穩(wěn)定且功耗極低，其供電壓可低至2.1V,適合于電池供電。

如圖3所示，它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容。電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)，當(dāng)采用16MHz晶振時(shí)其電容值約為22pF.射頻輸入/輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。MCU通過(guò)4線SPI總線（SI、SO、CSn、SCLK）設(shè)置芯片的工作模式并實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)、讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。CC2420使用SFD、FIFI、FIFOP和CCA等4個(gè)引腳向MCU反映收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

1.3電源電路

設(shè)計(jì)中考慮到應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，采用以太陽(yáng)能為能源，以雙電層超級(jí)電容器與鋰電池為儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)成自供電裝置，提供讀卡器工作電壓。如圖4所示，圖中主要電源器件型號(hào)與參數(shù)分別為：太陽(yáng)能電池6V/350mA;超級(jí)電容180F/2.7V,2只串聯(lián)雙電層電容器；鋰電池3.7V/3300mA;穩(wěn)壓電路寬電壓升降壓DC/DCOUT3.3V/200mA.太陽(yáng)能電池在光照作用下，產(chǎn)生約6V的開(kāi)路電壓和350mA的短路電流，對(duì)鋰電池、超級(jí)電容充電，并向讀卡器工作提供能量。上述器件的選取基于以下原因：

①讀卡器設(shè)計(jì)工作電壓為3.3V,讀卡時(shí)瞬間工作電流約100mA,持續(xù)時(shí)間1s.突發(fā)連續(xù)讀卡次數(shù)800次。

②太陽(yáng)能電池具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，它將光能轉(zhuǎn)化電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容與鋰電池中，同時(shí)向讀卡器提供工作電壓，是主供電設(shè)備。

③超級(jí)電容具有充放電次數(shù)多（50000次）、瞬間放電電流大（1A）、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，與讀卡動(dòng)作發(fā)生情況極為相似，是次供電設(shè)備。

④鋰電池具有持續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)、充電時(shí)間長(zhǎng)、充電次數(shù)較少（1000次）等特點(diǎn)，用以應(yīng)對(duì)太陽(yáng)光線不足、持續(xù)讀卡次數(shù)多的特殊情況，是后備供電設(shè)備。

無(wú)太陽(yáng)電池供電儲(chǔ)能設(shè)備初始滿電荷時(shí)，檢測(cè)其讀卡情況如圖5所示。

讀卡測(cè)試結(jié)果表明，在持續(xù)陰雨或太陽(yáng)能電池?fù)p壞的極端情況下，依靠超級(jí)電容和鋰電池可穩(wěn)定支持突發(fā)式連續(xù)讀卡達(dá)1000次以上，超出設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在WinAVR、AVRStudio4開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，采用C語(yǔ)言編制而成，主要包括二代證閱讀電路的驅(qū)動(dòng)程序與無(wú)線通信程序兩部分。

如圖6所示，讀卡器在上電復(fù)位后，首先完成ATmegal28L及其外圍功能模塊的初始化，其任務(wù)主要是：設(shè)置TIMER0定時(shí)模塊用于周期性檢測(cè)卡是否存在；設(shè)置TMERl定時(shí)模塊用于紅外測(cè)卡的回波計(jì)時(shí)；配置MFRC531讀卡模塊，配置CC2420無(wú)線通信模塊及看門(mén)狗等。初始化完成后主程序接著調(diào)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)掃描子程序嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，若加入成功，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，發(fā)送結(jié)束后啟動(dòng)TIMER0定時(shí)并進(jìn)入低功耗模式。

當(dāng)TIMER0定時(shí)器時(shí)間到，主程序則啟動(dòng)TIMERl進(jìn)行卡探測(cè)，若卡存在，則調(diào)用讀卡子程序讀出二代證ID發(fā)送到協(xié)調(diào)器。，主程序重新啟動(dòng)TIMER0定時(shí)器并進(jìn)入低功耗模式。

二代證中的非接觸式IC卡遵循IS014443B規(guī)范，因此初始化過(guò)程中要嚴(yán)格按照其流程對(duì)MFRC531的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。讀卡時(shí)，MFRC531驅(qū)動(dòng)天線產(chǎn)生13.56MHz高頻磁場(chǎng)，循環(huán)發(fā)送REQB命令"0x050x000x00",對(duì)二代證進(jìn)行詢(xún)卡操作。當(dāng)二代證距離天線小于10cm時(shí)，二代證內(nèi)部的線圈接收到讀卡模塊天線發(fā)出的磁場(chǎng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電能對(duì)二代證內(nèi)部IC進(jìn)行供電。當(dāng)二代證內(nèi)部IC接收到讀卡模塊發(fā)送的REQB命令后，向讀卡模塊返回12個(gè)字節(jié)的卡類(lèi)型代碼。詢(xún)卡成功后，讀卡模塊發(fā)送SELECT命令"0xld0x000x00Ox000x000x000x080x010x08",對(duì)二代證進(jìn)行選卡操作，此時(shí)二代證會(huì)返回狀態(tài)碼。讀卡模塊發(fā)送GUID命令"0x00Ox360x000x000x08",讀取二代證的8字節(jié)的ID.

無(wú)線通信程序基于ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)安全。其中，網(wǎng)絡(luò)配置與調(diào)試采用Chipcon公司提供的開(kāi)發(fā)套件，該套件包括各種高性能的ZigBee軟件工具，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等，極大提高了開(kāi)發(fā)效率。

結(jié)語(yǔ)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無(wú)限擴(kuò)展。與移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具