利用ZigBee和RFID技术的设备防盗系统架构设计

颜洲，李晓辕

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

1 引言

随着芯片技术和网络技术的快速发展，办公自动化的普及程度和办公效率不断提高。人们在工作中对小型设备的使用越来越普遍，如移动扫描枪、移动投影仪、移动扬声器、平板电脑等，实现了万物互联。这些小型设备通常存储第一手数据信息，为工作提供了便利。然而，设备的工作场所往往难以达到人们的理想状态，有时会发生移动设备丢失问题，这极易导致工作不能继续进行，对单位、人员造成财产损失。同时，设备丢失也会带来数据泄露和信息不安全问题，对企业和单位造成不利影响。

结合上述问题，本文设计了一种基于ZigBee 和RFID 技术的无线定位系统。无线定位系统具有如下功能：电子设备能实时反馈设备工作状态、反馈设备所在区域、自动定位和超出区域自动报警、信息管理，等等。

2 ZigBee 技术的自组无线局域网

随着芯片技术、网络技术的飞速发展，自组网络技术越来越成熟。①ZigBee 是一种无线通信协议，底层是采用IEEE 802.15.4 标准规范的媒体接入层和物理层，具有低功耗、低成本、简单、多接入点、支持多种拓扑、安全可靠等特点。②蓝牙是一种短距离无线通信技术。蓝牙模块体积小，可以集成到笔记本电脑、手机和其他移动终端当中，因其低功耗和高安全性而得到广泛应用。其位原理主要基于RSSI（信号强度定位），iBeacon 部署在固定区域并传输信号，蓝牙设备接收信号并将其反馈，在部署范围内，通过接收信号的强度来估计位置。然而，使用蓝牙的室内定位系统在一些复杂环境中稳定性较差，容易受到其他信号的干扰，并且信号强度受到距离的限制，超出一定范围后，蓝牙将断开连接。③WiFi 定位技术。近年来，随着通信技术和网络技术的发展，WiFi 技术已经应用到城市的各个角落，WiFi 芯片也分布在用户的各个终端。这种广泛的部署得益于WiFi 定位的自然优势，使其可以在大范围内应用。其缺点是WiFi 定位的使用必须处于联网状态，并且功耗高。如果WiFi 网络中有更多终端，则可能导致网络拥塞并降低定位质量。④NFC 代表近场通信，其被开发用于室内定位，但用于接近感测。当两个设备（均支持NFC）相互接触时，数据传输既快速又简单。传输的数据量不能过大，即从96 字节到8 192 字节（或8 kB）。典型的数据类型包括（但不限于）：信用卡/借记卡配置文件、网站URL、小型HTML、联系信息或纯文本。通过一些编码，NFC 标签可以触发设置中的某些更改内容（使手机静音、配置WiFi 设置以将手机验证到WiFi 网络等）、发送短信和电话、打开应用程序和Web 服务。对于现有设备的改造升级从理论上比较简单可行，无线技术的性能比较如表1所示。

表1 无线技术性能比较

ZigBee 技术的无线自组局域网主要由以下几种类型的设备构成：路由设备、协调设备和末端节点。在自组网络中，路由设备和协调设备要具有数据收集和路由选择功能，网络协调器和路由器必须是FFD，而终端节点则可以是FFD 或者RFD。每个网络节点（FFD）需要与通信范围内的多个协调设备（FFD）和末端节点（RFD）进行无线连接。

3 利用ZigBee 和RFID 技术的设备防盗系统架构设计

3.1 设备防盗系统架构设计

在ZigBee 技术的无线自组局域网运行过程中，局域网中的末端节点如果发生位移，并且位移达到一定的距离或者离开某个范围，监控系统发出报警，所有的出入口关闭，末端节点的位置实时反馈到管理员监控系统，管理员通过视频监控进行查看，同时，派出保安人员现场进行处理。如果末端节点属于正常移动或者在授权情况下进行移动，则给予放行。如果末端节点需要离开监控区域，则需要授权并且在门禁系统进行验证和登记，然后才能放行。

设备防盗系统在规划设计时，需要从企业的发展规划、实际需求、企业现状（软件、硬件、人员、费用等）等角度进行可行性分析，然后根据实际情况制定符合企业特点的最可行方案。在考虑企业情况的同时，需要充分分析现有设备的性能参数，选择功耗低、抗污染、可重复、扫描快、体积小的协调设备和末端设备。

通过技术参数比对，CC2431RTCR 具有低功耗、抗污染、可重复、扫描快、体积小等特点，可以进行表面贴装，方便在公共设备和电子设备安装使用。在做嵌入式处理前，需要将设备的技术参数及相关需要的参数写入128 kB 的闪存中。在设置协调节点时，需要根据空间的大小进行设置，每个独立空间最少设置3 个协调设备（见图1）。走廊和楼梯两侧分别按照设备的技术参数进行交叉设置协调设备；走廊、走廊尽头、楼梯间按照摄像设备的性能，按照无死角原则进行设置；每层根据协调设备和终端节点的个数安装路由设备；每个建筑物的出入口安装4 个协调节点和摄像设备。通过这些全功能设备（FFD）和半功能（RFD）设备组成ZigBee 无线自组局域网络。

图1 防盗系统单层平面设计图

3.2 RFID 定位模块设计

无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号、空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID 技术具有读取距离远、数据可加密等特点。在设备中使用到的电子标签具有存储功能，同时具有超薄、价格低廉、可反复使用等特点。RFID 技术通常使用于电子设备，特别是智能设备，应用领域包括物流、商品管理、设备管理及智能家居等。按照防盗系统的设计和设备的特点，定位模块可以选择无源电子标签。无源电子标签由于自身的特点，没有计算能力，需要借助第三方进行信号接收和信号处理。第三方通常为具有读写功能的协调设备，其组成三角型，进行定位设置。由于协调设备的识别范围在10 m 左右，其定位精度会比较高，定位比较准确。

3.3 发射端电路设计

发射端需要通过超声波探头发送40 kHz 方波信号，超声波发射器采用分体式超声波探头T40-16，其原理是压电陶瓷能量转换。单片机提供脉宽调制（PWM）电压信号输出功能，可为系统提供原始40 kHz 方波信号。但是，由单片机输出的PWM 波信号直接驱动探头会使测量距离较短，不能满足实际测量要求，需要对单片机的输出信号进行放大。本设计采用了由逆变器74als04 组成的驱动电路，单片机产生的信号分为两路：一路信号通过反相器，然后通过两个并联反相器；另一路信号直接通过两个并联逆变器，将输出到探头的电压加倍，以达到放大效果。放大后的信号可以传输得更远，并且可以增加可测量范围。

3.4 定位测距系统设计

定位测距系统包括3 个部分，分别为发射端、无线传输模块和接收端，其在同一个空间分布有发射端F 和接收端A、B、C，但发射端发送电磁信号后，由接收端分别接收电磁信号，然后对信号进行滤波、整形和放大，交由上一级进行处理。

在ZigBee 防盗系统中，通过对终端已经写入信息的电子标签进行定位，可以快速确定终端的具体位置，这种快速定位技术分为非测距方法和测距方法两种形式。一般常用的测距方法包括以下几种：基于信号到达时间（Time of Arrival，TOA）定位、基于信号到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位、基于RSSI 定位、基于信号到达角（Angle of Arrival，AOA）定位等。上述测距技术，是基于协调设备与终端设备之间的实际距离进行测算的方法。

3.5 接收模块定位设计

无线定位技术是利用电磁波进行距离测控，根据相关算法判断被测物体的位置，实现定位、追踪、识别和监测目标位置等功能。无线定位一般包括3 个部分：定位设备、定位接收器和定位系统。无线定位涉及的参数一般包括：无线电波传输的幅度、时间、相位和到达角，等等。测量的方法有很多种，主要包括以下几种：红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、射频识别技术、WiFi 技术、ZigBee 技术，等等。

在设备防盗系统中，定位系统设计是基于三角关系定位技术、ZigBee 技术、无线测距技术及FFD 设备、RFD 设备组成的。其使用的MC13224 芯片符合IEEE 802.15.4 标准以及ZigBee、ZigBee PRO 和ZigBee RF4CE 标准，能够实现点对点连接和完整的ZigBee 网状网络。MC13224 集成了完整的低功耗2.4 GHz 无线电收发器，内嵌了32 位ARM7 处理器，集成了用于IEEE 802.15.4、MAC 和AES 安全加密的硬件加速器以及MCU 成套外设。根据数据比对（见表2），定位采用源于ZigBee 信号强度（RSSI）的指纹定位算法，其根据信号的强弱与理论值进行比较，可以比较精确地计算出末端节点的位置数据。

表2 测距性能对比

4 监测系统定位设计

无线定位技术是一种利用电磁波进行距离测量的技术，它通过特定的算法来确定测量物体的准确位置信息。测量参数一般包括传输的时间、相位、幅度等。现有的测量方法有：蓝牙方法、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）方法、超宽带（Ultra Wideband，UWB）方法、WiFi 方法和ZigBee方法等。从定位原理来看，定位技术分为3 种：三角关系与运算定位技术、临近关系定位技术和场景分析定位技术。不同的定位方法和定位技术，对测量精度有很大影响。

在小型电子设备防盗系统中定位系统设计是利用ZigBee 技术、三角关系和运算定位技术进行设计，其核心是使用Chipcon 公司的CC2431 芯片，CC2431 芯片自带的硬件定位引擎符合ZigBee/IEEE 802.15.4 技术要求。其定位引擎是基于RSSI 技术，根据信号的强度与参考信号进行比较，能准确地计算出终端节点的位置数据，并将位置信息发送给协调节点并传送到监测系统。

4.1 基于ZigBee 的RSSI 定位技术应用

在ZigBee 的RSSI 定位技术中，为了对室内设备进行定位，一般使用三角定位测量技术。协调设备固定在三角点位上，然后根据接收的电磁信号的强弱和电磁信号的特点，通过计算得出末端节点的位置，进行定位。由于信号在传输过程中会受到电磁信号的干扰和空间物体的影响，在测量时会利用理论值和实地测量数据进行比对，通过公式的计算得出在一定误差范围内的数据值。RSSI 值的公式为：RSSI=A-10nlg（d）。式中，n 为信号传输路径损耗（Pass Loss）指数；A 为无线收发节点相距1 m 时无线接收器接收到的值；d 为接收端接收到的信号强度。

4.2 RSSI 取值设计

无线网络中协调节点可以接收末端节点发出的Blast 数据包，从数据包中可以获取相应的RSSI 数值。RSSI 数值的取值有3 种方法：中值取值策略、多数投票取值策略和均值取值策略。

中值取值策略可以避免取值出现较大偏差，而影响测量精度，使用中值取值一般采用测量值的中值作为测量结果，以保证能得到准确的结果。多数投票取值策略是通过符合条件的取值个数决定测量值是否可用，其精确度比较高，但对资源消耗比较大，不适合资源比较有限的无线传感器网络。均值取值策略是通过计算所有得到的测量结果，取其平均值。由于RSSI 取值受到环境的影响比较大，所有均值取值策略会出现一些偏差。

通过对这3 种策略的分析，选择中值取值策略作为设备防盗系统的RSSI 取值方法。

5 结语

随着信息技术的快速发展和人工智能的兴起，利用无线局域网进行组网设计会越来越普及。同样，采用无线局域网技术的设备防盗系统就是利用无线网建设的便捷性、方便性、高效性等特点建立了无线传感器网络。在未来，可以把温度监测、湿度监测和烟雾监测融入无线传感器网络中，使ZigBee 技术的无线局域网具有更大的扩展性。