RFID和6LoWPAN的智能家居定位鞋设计＊

葛厚洋，付蔚，杨卓，王俊

（重庆邮电大学 自动化学院 智能家居实验室，重庆400065）

引 言

近年来，以物联网技术为核心的智能家居发展势头十分迅猛。智能家居可以定义为一个系统，它可将先进的计算机技术、网络通信技术和各种遥感和自动化技术有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加智能、舒适、节能。6LoWPAN技术是比较有发展前景的无线传感器网络，可以和互联网完美融合，是智能家居领域的一个应用热点。实现此关键技术的重点就是对用户的识别与定位。

目前国内可应用于室内的定位技术有红外线室内定位技术、蓝牙定位技术、超声波定位技术、超宽带定位技术、WiFi定位技术、ZigBee技术和射频识别（RFID）技术等。红外线室内定位技术精度较高，但限制条件多，成本也比较高。蓝牙定位技术使用方便，但精度较低，稳定性差，易受干扰，成本也比较高。超声波定位技术结构简单、精度较高，但易受多径效应影响，成本也比较高。超宽带定位技术定位精确，但该技术尚未成熟应用，尚在试验阶段。WiFi技术和ZigBee技术的精度都较低，且ZigBee技术需要大量节点，复杂度较高，成本较高，WiFi技术的稳定性不高，能量消耗也比较大。由此可见以上几种定位方法的成本太高，不易在普通家居中普遍使用。而射频识别技术的定位精度可以达到几厘米，且使用方便、成本低、复杂度低，并且可以根据实际应用情况来调节精度控制成本。其缺点就是不具备与外界通信的能力，但将RFID定位技术与6LoWPAN网络技术结合，便可开发出定位精度高、结构简单、方便实用且易于推广的家居定位系统。

1 系统设计

1.1 系统拓扑结构

如图1所示，本系统由4个部分构成，即RFID位置标签、RFID阅读模块、6LoWPAN网络节点模块以及6LoWPAN网关。RFID位置标签根据需要贴在地板的固定地方，将每个标签根据其所在区域进行有序编号并存储在标签的芯片内。例如可以用4位十六进制来表示位置编号，厨房可以定义为0x01XX。同时在网关中定义出区域编号及区域内的位置编号，形成有序的位置列表。RFID阅读模块和6LoWPAN网络节点模块都集成在特制的鞋中，这种具有定位功能的鞋称作定位鞋。当定位鞋经过某一位置时，就会读取可读范围内的标签编号并通过串口将编号信息发给6LoWPAN网络节点模块。6LoWPAN网络节点模块再通过6LoWPAN网络将编号信息上传至6LoWPAN网关，网关通过编号判断使用者所在位置。

图1 系统结构图

1.2 RFID定位原理

根据阅读器自身参数的不同（如工作频率、增益系数等），特定的阅读器系统（包括天线）具有特定的识读范围。如图2所示，对于范围内的 标 签 Label，阅 读 器Reader可以实现正常的识读，而超出该范围，阅读器则无能为力。根据这一特点，只要在家居空间中合理布置一定数量的RFID标签，用不同的RFID标签将待定位空间划分成若干子区域，通过轮询所有附近RFID标签，就可以判定待定位阅读器所在的子区域。对于精度要求不高的区域，可以用单个标签来确定位置；对于精度要求比较高的区域，则可以比较密集的安装标签，通过读取到的标签标号，推算出比较精确的位置坐标。

图2 基于空间划分的RFID定位原理

1.3 6LoWPAN

IPv6over IEEE802.15.4 或IPv6over LR ＿PAN（简称6LoWPAN）是IETF于2004年11月新成立的一个工作组，致力于完成IPv6数据包在IEEE802.15.4上传输的实现。6LoWPAN技术采用的是规定的IEEE802.15.4物理层和MAC层，同时使用IETF规定的IPv6功能，上层采用TCP／IPv6协议栈，其与TCP／IP协议栈对比的参考模型如图3所示。6LoWPAN协议栈参考模型与TCP／IP的参考模型大致相似，区别在于6LoWPAN协议栈底层使用IEEE802.15.4PHY标准，而且因低速无线局域网的特性，6LoWPAN的传输层没有使用TCP协议。

图3 TCP／IPv6与TCP／IP对比的参考模型图

由于6LoWPAN协议栈给每个终端都分配了唯一的IP地址，而且还具有IEEE802.15.4的低功耗特点，十分有利于物联网与互联网的融合，故6LoWPAN技术在同时使用互联网和物联网的智能家居中有良好的应用前景。

2 硬件设计

本系统的硬件主要由RFID读写器模块和支持IEEE802.15.4协议的无线模块组成。RFID读写器模块选用TI公司的RFID标签读写芯片TRF7962A，与控制器MCU连接就可以构成读写器电路。CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，因此选择了CC2530构成6LoWPAN节点的无线模块。此外CC2530内部集成了8051核，故CC2530同时可以充当TRF7962A的控制器MCU。如图4所示，TRF7962A经射频匹配电路由天线获得标签数据，并通过并行线将获得的读取标签数据传给CC2530，CC2530通过RF电路将数据传送到6LoWPAN网关。

图4 系统硬件框图

实际电路图设计如图5所示，CC2530通过P0口和P1口与TRF7962A进行并行通信，并对TRF7962A进行 相应的控制，例如选择通信方式是并行还是串行。

图5 系统硬件电路图

32kHz晶振X1、32MHz晶振X2为CC2530提供休眠和正常工作两种状态下的工作时钟，C4、C5、C6、C7、C8、L1、L2构成射频输入、输出端与单端天线的匹配电路。31.56MHz晶振X3为TRF7962A提供工作时钟，C18、C20、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、L3、L4、L5构成TRF7962A射频输入、输出端与读写天线间的匹配电路。

3 软件设计

本系统的程序流程图如图6所示，在系统初始化的时候CC2530会初始化定时器等内部配置并向6LoWPAN路由发出入网请求，路由会分配地址给CC2530。然后向TRF7962A发出读标签指令，获取位置标签数据。若为停放点（平时不用时存放定位鞋的地方，一般贴有特殊标签）的位置标签，则将定时器初始值设为5s；否则将初始值设为1s。设置完定时器后便将获得的位置信息发到网关，发送完毕后打开定时器，系统进入休眠状态。当定时器定时结束后，关闭定时器并唤醒系统。系统被唤醒后重新开始读取标签数据及以后的操作，以此构成循环。由于读取标签和发送数据给网关所需要的时间只有几ms，故大部分的时间都是不需要工作的，因此设计了系统的休眠状态，从而节约了大量的能量，延长电池的持续工作时间。

图6 系统软件流程图

4 鞋封装设计

由于本系统中存在两个高频天线，即RFID阅读器的天线和CC2530的天线。虽然两个高频电路工作在不同的频段，但复杂的电磁环境势必会影响其工作性能。为了解决电磁干扰问题，应将两部分电路进行严格的隔离，在本系统中对RFID的天线用锡箔进行半封闭隔离，使其与RFID电路隔离开来，中间用同轴线相连进行信号的传输。同时，整个电路都用锡箔半封闭式与CC2530的天线隔离，从而在电磁环境上改善电路的工作性能，可以有效提高射频识别的灵敏度。

由于定位鞋是要在房屋内不断地移动，不可能使用外部电源供电，所以就要在鞋的内部放置一块电池，且这块电池的容量既要使系统正常运行一定的时间，又要满足使用者的舒适感。综合以上考虑，定位鞋采用小容量电池，完全封闭防水封装，印制电路板采用硬软板结合的方式保证鞋底的正常弯曲。电池的充电采用无线充电方式，当定位鞋放置到具有无线充电功能的设备上并识别到特定的标签时，就会向家居系统发出充电请求，请求通过后，家居系统打开无线充电开关，定位鞋启动充电模式进行充电，完成后家居系统关闭无线充电装置电源，节约能源。

结 语

本文对基于RFID技术和6LoWPAN无线传感网的定位鞋技术进行了系统的阐述与分析。该定位系统的使用和搭建都比较简单，非常适用于在普通家庭的推广，且所需成本也是由用户要求决定的，可以根据用户情况进行人性化的成本调节。随着导电油墨等新兴技术的发展，可以大大降低RFID标签的成本，所以RFID在定位服务中的广泛应用是指日可待的。

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