ZigBee和RFID技术相结合的物联网系统研究

1、 产业观察DO I:10.3969/.j issn.1001 3824.2011.01.011Z igBee和RFID技术相结合的物联网系统研究收稿日期:2010 05 25乐英高,徐卫东,周天鹏(四川理工学院自动化与电子信息学院,四川自贡643000摘 要:重点介绍了物联网的组成及关键技术,设计了一种基于Z i gBee无线传感网络与物联网R F I D技术相结合的系统,该系统具有灵活性高、可扩展性高等优点,数据传输具有较高的可靠性和安全性,能使物联网技术得到更好的推行和使用。关键词:物联网;R F I D技术;Z i gBee无线传感网络0 引 言最近物联网引起了人们越来越多的关注,同时随

2、着经济全球化、工业自动化和信息化进程的不断深入,客户对产品的质量要求越来越高,产品的生产周期要求越来越短,现有的条形码技术由于其本身的特性和应用的局限性已不能满足现代工厂的需要。RFI D技术的出现和应用发展,以及物联网的组建可实现与现代工厂内现有网络系统的信息整合,同时优化内部物流供应和流通流程,提高工厂的生产效率和产品质量,进而提高整个企业的核心竞争力。一个良好的基于RFI D应用架构的系统可以较好地帮助工厂达到这些目标,实现高效高质量产品的出货。近几年来,随着RFI D和基于Z i g Bee协议的无线个域网(W PAN的飞速发展,人们对RFI D使用的便利性以及ZigBee组网的灵活性

3、要求越来越高1。本文首先分析研究了这2种技术的特点、标准协议及实现的关键环节,其使用的UH F频段和2 45GH z(I SM频段均为免费频段,使RFI D通信距离更远、读写速度快,同微波频段相比受环境影响较小;然后结合ZigBee无线个域网在使用中互补性强、技术冲突小等特点,提出将二者进行融合研究的新观点、新方法及混合型无线传感识别网络的实现方案2。通过实验证明了二者结合的可行性,从而把RFI D技术由单纯节点方式的信息采集推广到在无线个域网络中自组网、协同操作的应用,为最终实现 物联网 提供了一条简单、可行的途径。1 物联网的组成及工作原理1 1 物联网的组成典型的物联网由三大部分组成,即

4、RFI D系统、中间件Savant系统和I nter net系统。其中典型的RFI D系统包括RFI D电子标签(Tag、阅读器(Read er以及数据交换和管理系统软件;中间件Savant系统由Savant服务器,ONS服务器和P ML(physica l m arkup language服务器及相应的数据软件等组成;I nternet系统通常由计算机系统和网络服务器等组成3。物联网的组成框图如图1所示。物联网是通过射频识别、红外感应器、激光扫描器和全球定位系统等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物

5、联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。1 2 物联网底层关键技术RFID模块的工作原理RFI D射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFI D技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。每个货物可以分配到41 产业观察 D I G I TAL COMMUN I CAT I O N /2011 1图1 物联网的基本组1个具有惟一性的电子标签。RFI D 由电子标签、阅读器和数据交换与管理系统三大部分组成。电子标签由耦合元件及芯片组成,其中包含带加

6、密逻辑。利用它通过无线射频方式进行非接触式的全双工数据通信,对实物目标加以识别。RFI D 标签由芯片和天线组成,每个标签具有惟一的产品电子码。RFI D 系统可以在无线电收发器与传感器收发器之间传送数据。RFI D 系统工作时,先由阅读器通过天线发送一定频率的射频信号,当RFI D 标签进人阅读器的工作场时,其天线产生感应电流,从而使RFI D 标签获得能量被激活并向阅读器发送自身的编码等信息。对于无源系统,阅读器通过耦合元件(无线电收发器发出一定频率的射频信号,当标签进入该区域时,从耦合元件中获得能量以驱动后级芯片与阅读器进行通信。阅读器读取标签的自身编码等信息并解码后送至数据交换、管理系

7、统(计算机系统处理。而对于有源系统,标签进入阅读器工作区域后,由自身内嵌的电池为后级芯片供电以完成与阅读器间的相应通信过程。1 3 Z igBee 技术及其网络拓扑模型ZigBee 既是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案,也是一种具有近距离、低复杂度、低功耗、低成本特点的双向无线通信技术,主要适用于自动控制和远程控制领域。I EEE 802 15 4是Zi g Bee 技术的基础,与高速率个人区域网、蓝牙或802 11x 无线局域网相比,ZigBee 协议更为简单实用。Zig Bee 网络的拓扑结构主要有3种:星型、树状和网状网络。网状网络容错能力高、自适应力好、传输距离长,但其复杂度也

8、最高;星型网络具有简洁和低功耗等特点,使用简单,适用于家庭小规模、低复杂度的应用;树状网络则介于两者之间。在不同的工作频率状态下,信道个数是不一样的,数据传输速率也不相同,它们分别为20kb it/s ,40kbit/s ,250kb it/s ,其相应的传输距离也不一样,一般在1095m 之间。根据不同的具体应用情况,选择不同的工作频率,同时也可以增加功率放大装置,使其在具体工程实践中有更加宽广的应用空间。1 4 GPS 模块和GPR S 网络在物联网中的应用全球定位系统(g lobal position i n g syste m,GPS 是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的全球定位

9、系统,在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息4。GPS 系统由3个部分组成:空间部分 GPS卫星星座、地面控制部分 地面监控系统和用户设备部分 GPS 信号接收机。其任务是:接收GPS 卫星发射信号,获得必要的导航和定位信息,经过数据处理完成导航和定位工作。GPS 定位装置的功能是通过接收卫星信号计算出货物的具体位置,完成对运送车辆位置的定位功能,这是货物全程监控的基础。GPRS(general packet radio ser v ice是通用分组无线业务的简称,是在GS M 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式4,在嵌入式系统中应用非常广泛

10、。系统的GPRS 模块利用手机模块和SI M 卡进行短消息发送,发送的短消息包括货物的登记信息、运输人员、上下车、位置信息、报警信息等。由于GPRS 通信网络实现了联网和漫游,这样利用网络传输数据无须再组建专用通信网络。因此采用短信方式传输数据的系统应用将越来越广泛,这使得以短信方式传输控制命令成为可能。2 Z ig Bee 和RFI D 技术相结合的物联网系统2 1 系统工作原理在RFI D 读写器中嵌入Z i g B ee 模块,从而使多台RFI D 阅读器无线联接组网或者与其它仪器、设备及不同协议读写器之间联网,实现数据的多点无线采集和传输的目的,最终形成一个基于ZigBee 技术的多点

11、自动识别、智能无线组网的RFI D 识别系统。系统中的RFI D 阅读器(Reader可控制射频模块向电子标签发射读取信号,并接收标签的应答信号,同时可对电子标签的对象标识信息进行解码,从而将对象标识信息连带电子标签上的其它相关信息传输到Savant 系统以供处理,通常其工作频段和电子标签上的频率是一致的。RFI D 系统在工作42 产业观察时,先由阅读器通过天线发送一定频率的射频信号,当RFI D标签进入阅读器的工作场时,其天线产生感应电流,从而使RFI D标签获得能量被激活并向阅读器发送自身的编码等EPC信息;阅读器接收到来自电子标签的载波信息,对其进行解调和解码后,会将信息送至计算机中的

12、中间件Savant系统软件进行处理。另外,在整个系统中监控中心如果想要知道某个货物目前的位置,就通过GPRS网络发出查询信息;各子模块接收到查询信息后,通过RFI D读写器阅读自身的RFI D信息,并与中心传递的编码相比较,确认是否是询问自己;如果是,则从GPS中读取地理信息,并通过GPRS网络将位置传送到监控中心,监控中心可以判断该物流的运行方向是否正确,或掌握该货物目前的运行状况,以做出相应的处理决定。以GPS和GPRS技术在物联网中的应用实例来说明:如货物在开始配送时,首先对贴有RFI D的货物写入信息,以确立货物电子身份,然后通过对RFI D的信息采集、数据传输,再次核对配送的货物种类

13、及数目并备份到跟踪数据库中;其次在运输过程中,在运输工具上安装RFI D/ GPRS信息采集传输器对运输途中的货物进行跟踪和丢失防御,到达各级配送分流站时,通过对货物的RFI D信息写入来记录货物的历经地和中途转运经办人等,并通过GPRS即时将数据传输到跟踪数据库;最后,当货物到达目的地时,通过信息的再次采集,来实现货物点收。在整个过程中,跟踪数据服务系统都可将货物的流向公布在站点上,可以很方便地实现货物在物流配送过程中的跟踪查询。2 2 系统的主要优势凭借Zi g B ee技术的种种优点,将Z i g Bee技术引入RFI D中,使得基于Zi g B ee技术的无线射频识别系统有了明显的改善

14、,其主要优势在于:1长距离的识别不需要进行方向配置,提高了系统的灵活性;2技术相对简单、存储容量大、成本低、时延小,在用电管理上,通过睡眠唤醒功能上的改进,使其功耗大大降低;3由于现在Zi g B ee芯片集成的功能越来越多,其本身可扩展性高,促使整个系统的可扩展性也随之提高;4Zi g B ee技术在通信时采用CS MA机制,保证了数据信息的可靠性;5Zi g B ee技术提供CRC数据包完整性校验,使用了AES 128的加密算法,并采用基于直序列展频技术的接取方式,确保整个传输阶段的安全性,提高了抗干扰特性和保密性。另外系统把RFI D技术、ZigBee技术、GPS技术和GPRS技术融合起

15、来了,应用于物联网系统中,使物联网技术得到更好的推广和使用。3 结束语目前RFI D技术的难点还是远距离识别和识别的准确抗干扰性,只有更全面地解决RFI D技术的种种问题,才能使RFI D的应用范围更广泛。基于Zi g B ee技术的无线射频识别系统能很好地解决其中一些主要难点,为RFI D技术注入新的强大的活力。本文在充分考虑RFI D系统的现有状况和深入分析技术难题的前提下,将ZigBee技术与RFI D技术相结合,构建了一套基于ZigBee技术的无线射频识别系统。ZigBee技术和RFI D技术还在不断地发展,随着技术的不断更新,其结合后的优势将更为突出,将更好地改善我们的生活。GPRS

16、通信方式有瞬间上网、永远在线、快速传输、按量计费、数据吞吐量大的优点。虽然物联网作为因特网的下一代新兴技术,还有许多问题如技术标准,安全保密问题等亟待解决5。但是当 物联网 的构想成为现实的时候,世界上的万事万物无论何时何地都能够彼此相关,互相 交流 ,整个世界的面貌将会为之焕然一新。参考文献:1 D I M ITAR V.Serv i ce G atew ay A rchitec t ure for a S m artHom eJ.I EEE Commun ica tion sM ag azi ne,2004,11(8:123 132.2 杜玉梅.射频识别技术(RF ID及其在物流系统中的应用J.企业技术开发学报,2004,2