基于CC2530的人员辅助定位装置的设计与实现

廖曦文++赵晴

摘 要：介绍一种基于CC2530的人员辅助定位装置，讲述125 kHz信号的调制发射、曼彻斯特编码在RFID中的使用和2.4 GHz无线通信的应用。该辅助定位装置不仅可以根据不同的应用环境灵活调整功能，方便进行远程操作，还具有低成本、可靠性强等优势。

关键词：CC2530；RFID；MAX487；人员定位；曼彻斯特编码

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）05-000-03

0 引 言

现今，多频RFID组合人员定位系统广泛用于养老院、监狱、部队等地方，已成为一种较为常用的定位方式。但遗憾的是，目前应用的大多数系统中，125 kHz低频辅助定位装置仍存在着一些问题，如无法与控制系统进行通信，激励通道数较少等。

本文介绍了一种可以监听2.4 GHz读写器、激活125 kHz电子标签的辅助定位装置。该装置以CC2530为核心，利用芯片自身无线收发器和RS-485通信接口芯片MAX487，可实现多重通信。此外，它完成了六通道125 kHz信号的调制输出，可减少现场系统中辅助定位装置的使用数量，从而有效降低系统成本。

1 人员定位系统介绍

人员定位系统底层设备主要包括标签、2.4 GHz读写器和辅助定位装置，上层装置主要由服务器、控制中心组成，其整体架构如图1所示。该定位系统主要应用于精神疾病医院，医护人员携带标签在医院活动，当其进入某个放有125 kHz矩形天线区域时，标签将被辅助定位装置激活——标签将自身ID、获取的辅助定位装置的通道ID和RSSI值[1]打包通过2.4GHz无线通信方式发送给读写器，这些获取的数据再由读写器通过交换机汇聚到服务器，最终监控中心可以通过服务器的数据解析直观地在室内图形界面上显示人员的具体位置[2]。当出现紧急情况时，医护人员还可以按下标签报警按钮，实现快速定位报警。

2 辅助定位装置的设计原理

人员定位系统主要根据接收信号强度来估计位置[3]，为了辅助系统定位而加入了辅助定位装置，如在房间内外放置该装置的125 kHz天线，电子标签进入该范围后被激活，并将天线通道ID上传，从而辅助系统判断标签在房间内还是房间外。该装置是有源RFID随机跳频系统的重要组成部分，其系统结构如图2所示。

图1 人员定位系统架构图

图2 辅助定位装置系统框图

装置的主控制器采用CC2530芯片，其可对数据进行编码并将编码后的数据调制成125 kHz信号，调制后的信号由射随电路进行电流放大，再由驱动器TC4421/TC4422驱动天线将其发射输出。CC2530还可外接极少器件实现2.4 GHz通信，上位机可以利用读写器发送2.4 GHz无线信号从而实现控制辅助定位装置低频信号开关、激活间隔时间、更改通道ID等功能。外接的信号指示灯用于显示装置工作状态。

3 系统硬件设计

3.1 微控制器模块

CC2530是TI公司推出的一款兼容IEEE802.15.4的多功能片上系统[4]，可为无线通信提供广泛的硬件支持。该芯片集成了增强型8051内核，提供多达18个中断源，具有8 kb的超低功耗SRAM，还允许开发者设计各种不同应用的外设，如多数量、多模式定时器，ADC，I/O控制器等。

微控制器的RF内核控制模拟无线电模块，通过RF_N和RF_P引脚外接少量电容电感与天线即可实现2.4 GHz无线通信的硬件电路。微控制器还通过6个I/O口输出125 kHz信号，其中引脚P0.2与P0.3，P1.6与P1.7，P1.0与P1.1三组I/O口映射为定时器1，定时器3和定时器4的外设I/O口，并与外围射随电路相连。

3.2 射随电路

射随电路是将信号从基极输入，发射极输出的放大电路，其电压放大系数略低于1，具有一定的电流放大功能。该部分电路主要功能是：一方面将6路I/O口输出的调制PWM信号进行电流放大，提高MOSFET驱动器的输入电流；另一方面作为I/O口与驱动器之间的缓存器，可以减少两个电路直接相连所带来的影响。射随电路中的一组电路原理如图3所示。

图3 射随电路原理图

3.3 驱动电路

驱动电路是将较小的PWM信号进行放大，用以驱动外接的天线电路，其能够实现125 kHz信号的发射。该电路采用TC4421和TC4422芯片，其中TC4421是反向驱动器，TC4422是正向驱动器。这两种型号的驱动器具有宽输入供电电压，低输出阻抗，高连续输出电流等优点。6路PWM信号被分成3组，每组2路，第1组和第3组与TC4421连接，第2组与TC4422连接，这样相邻信号相位刚好相差180°，避免了各组信号之间的干扰。输出端口与天线之间串接了电位器，方便调节激活范围。驱动电路原理图如图4所示。

3.4 电源模块

电源部分主要由LM2596和LM1117芯片构成。LM2596具有较宽的输入电压范围，输出电压可调，输出电流高达3 A等优点，外部电源经开关电压调节器LM2596后变为5 V输出，此电压作为MAX487的供电电压。LM1117具有多种电压输出，电流限制和热保护，输出电流高达800 mA等特点，5 V电源经过线性稳压器LM1117后变为3.3 V输出，此电压作为微控制器CC2530和射随电路供电电压。电源模块原理如图5所示。

4 软件设计

本设计采用集成开发环境IAR作为软件开发平台。首先要对单片机的内部寄存器进行初始化，其中3个定时器需设置为比较切换输出模式，对计数器和通道比较寄存器中的内容进行比较，生成PWM信号。接着是将要输出的数据进行曼彻斯特编码，将其调制在125 kHz载波上形成所需的激励信号，不断往外发送。每次到达5秒时间后，辅助定位装置会自动进入RF接收模式，用来监听读写器发送的控制指令，如果在指定时间内收到指令，则执行相应任务，否则将继续执行激活任务。系统软件流程如图6所示。

4.1 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是一种同步时钟的编码技术，其对所要发送的数据进行编码的方式是在数据位中间产生跳变，从高往低跳表示1，从低往高跳表示0[5]。曼彻斯特编码规则如图7所示。虽然一位码元变成了高低电平，速率降为一半，但是这样去除了零频率成分，提高了抗干扰性。在RFID系统中，常将NRZ码进行曼彻斯特编码后再调制，而不是直接调制NRZ码。

在编码调制过程中，定时器1、定时器3和定时器4必须同时开启或关闭，目的是同步信号。过程是：先同时开启3个定时器，延时350 us，然后同时关闭定时器，再延时350 us。延时过程中定时器通过比较切换输出将曼彻斯特码1进行调制，相反操作则将曼彻斯特码0进行调制。

图6 系统软件流程图

图7 曼彻斯特编码规则

4.2 激励信号调制

辅助定位装置需要发射指定的激励信号才能唤醒电子标签。电子标签中的AS3932芯片能通过125 kHz天线监听信号，将接收到的信号送至内部解调器解调信号，对数据自动进行曼彻斯特码解码并恢复时钟，得到需要的数据。

只有特定的唤醒协议才能唤醒AS3932，唤醒协议如图8所示。辅助定位装置初始载波脉冲串需要长达42位曼彻斯特符号，空1位符号后再发送大于4位曼彻斯特码的调制信号，即10101010的特定格式，然后再发送存储在AS3932寄存器R6、R5中的唤醒模式码，整个前导码和唤醒模式码的总位数应小于40位，最后发送定位所需的通道ID等数据信息。如果标签接收的模式码正确，则拉高芯片的WAKE引脚，唤醒标签主控制器读取AS3932数据引脚DAT输出的数据。

Carrier Burst Preamble Pattern Data

持续大于42位曼彻斯特码 空1位 大于4位曼彻斯特码，即8位10101010 1001011001101000 数据

Preamble + Pattern < 40位

图8 唤醒协议

4.3 监听读写器

辅助定位装置在一定时间内开启监听读写器的功能，通过解调读写器发送的控制信号，可根据相应指令执行装置的激励信号开关，发射间隔时间调整，或者更改装置通道ID等功能。需要注意的是，为避免信道相同导致通信受干扰，读写器与辅助定位装置之间的2.4 GHz无线通信信道需不同于标签之间的通信信道。辅助定位装置与读写器通信流程如图9所示。

图9 与读写器通信流程图

辅助定位装置处于未监听状态时不能收到2.4 GHz信号，因此读写器发送控制指令给辅助定位装置有一定的失败率，需要多次发送信号以确保收到辅助定位装置的反馈信号。

5 结 语

本装置以CC2530为核心，利用自身RF内核控制无线模块进行2.4 GHz无线通信，同时将指定数据进行曼彻斯特编码，再将其调制成125 kHz信号用以唤醒电子标签，起到辅助定位作用。经测试，该低频辅助装置可以激活一定范围内的标签，读写器能够准确获取带有激励通道ID和RSSI值的标签信息，在室内图形界面上能显示标签具体位置，能够实现远程操作，具有很好的扩展性和很强的实用价值。

参考文献

[1] 方震，赵湛，郭鹏，等.基于RSSI 测距分析[J].传感技术学报，2007，20（11） ：2526-2530.

[2] 陈军慧，杨登辉，黄慧冬. 基于半有源RFID技术的人员跟踪定位系统[J]. 现代电子技术，2014，37（18）：130-132.

[3] Samer SSaab ， Zahi S.Nakad. A Standalone RFID Indoor Positioning System Using Passive Tags[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（5）：1961-1970.

[4] 郑茂全，侯媛彬. 基于CC2530的井下人员信息采集模块设计[J]. 工矿自动化，2012，38（6）： 7-10.

[5] 段争云，屈菲，李书涛. 基于C8051F300的曼彻斯特译码的软件实现[J].电子技术，2007，36（11）： 141-143.