無線傳感ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用*

任小洪，樂英高，徐衛(wèi)東，周天鵬

（四川理工學(xué)院 人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越受重視。2003年，美國《技術(shù)評論》提出物聯(lián)網(wǎng)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首，物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用電子商品代碼EPC、RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造的一個(gè)覆蓋世界上萬事萬物的信息網(wǎng)絡(luò)，是獨(dú)立于EPC系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合的產(chǎn)物[1]。物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE.802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。它使用的頻段是全球通用的2.4 GHz，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在IEEE.802.15.4物理層(PHY)和標(biāo)準(zhǔn)媒體訪問控制層(MAC)上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù),ZigBee聯(lián)盟的長期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的搭建，對促進(jìn)研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研對接也具有十分重要的意義，為最終實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了一條簡單、可行的途徑。

1 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心就是射頻識別技術(shù)(RFID)，基本的RFID系統(tǒng)至少包含閱讀器(Reader)和 RFID標(biāo)簽(Tag)，它具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可重復(fù)使用等多種優(yōu)勢。RFID標(biāo)簽由芯片與天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，標(biāo)簽附著在物體上以表示目標(biāo)對象[2]。

物聯(lián)網(wǎng)另一個(gè)重要技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目前無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有六種，分別是藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(WiFi)、超寬帶通信(UWB)、近場通信(NFC)、Zig-Bee和紅外數(shù)據(jù)通信IrDA技術(shù)。其中藍(lán)牙技術(shù)是工作在2.4 GHz頻段的無線技術(shù)，目前在計(jì)算機(jī)外設(shè)方面應(yīng)用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復(fù)雜、開發(fā)成本高、節(jié)點(diǎn)功耗大等缺點(diǎn)，從而限制了其在工農(nóng)業(yè)方面的進(jìn)一步推廣；WiFi技術(shù)的通信速率為 11 Mb/s,通信距離為 50～100 m,適合于多媒體的應(yīng)用，但其本身實(shí)現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，因而在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用較少；紅外技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和操作相對簡單、成本低廉,但紅外光線易受遮擋，可移動(dòng)性差，只支持點(diǎn)對點(diǎn)視距對接，無法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；超寬帶通信(UWB)是一種無線載波通信技術(shù)，主要的應(yīng)用是在視頻消費(fèi)娛樂方面的無線個(gè)人局域網(wǎng)；近場通信(NFC)采用雙向的識別和連接技術(shù)，主要應(yīng)用于遙控識別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并；ZigBee技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成[3]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種:星型、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE.802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質(zhì)訪問控制層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)架構(gòu)。

ZigBee硬件電路上采用TI/Chipcon公司開發(fā)的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案 CC2430/CC2431無線單片機(jī)，它免費(fèi)提供ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的全面兼容的IEEE.802.15.4-2003協(xié)議規(guī)范和ZigBee 2006協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧源代碼和開發(fā)文檔，集單片機(jī)仿真器、編程器、ZigBee協(xié)議分析儀、圖片點(diǎn)陣LCD顯示屏、高性能語音電路、Joystick及幾種典型模擬組件于一體的開發(fā)母版，實(shí)現(xiàn)TI/Chipcon公司提供的ZigBee開發(fā)軟件的完全無縫連接。CC2430整合了業(yè)界領(lǐng)先的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機(jī)CC2420以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU的卓越性能,還包括了8 KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他強(qiáng)大特性。CC2430在接收機(jī)傳輸模式下的電流損耗為25 mA，使得RF-IC成為針對超長電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。ZigBee嵌入RFID射頻識別系統(tǒng)的電路圖如圖1所示。

在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)中還有GPS和GPRS模塊，全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是一種以空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的全球定位系統(tǒng),在全球任何地方以及近地空間能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時(shí)間信息[4]。GPS系統(tǒng)由3大部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡稱，位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通信技術(shù)之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，它只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，而得到的用戶數(shù)據(jù)速率比GSM網(wǎng)絡(luò)快得多。GPRS模塊利用手機(jī)模塊和SIM卡,把GPS定位到的數(shù)據(jù)進(jìn)行短消息發(fā)送,告知對方物品所在的位置。

2 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中使用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，這是一套高精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開發(fā)工具，它具有高度優(yōu)化的C/C++編譯器,高性能的CSPY調(diào)試器和硬件調(diào)試工具，支持RTOS內(nèi)核識別調(diào)試，提供現(xiàn)成的代碼流程，使二次開發(fā)更加簡便快捷。還有ZigBee協(xié)議分析儀軟件Packet Sniffer，它可以對空氣中的無線信號進(jìn)行監(jiān)聽、過濾和數(shù)據(jù)解碼，并將其按照一定的數(shù)據(jù)包格式顯示在GUI界面中，也可以將這些數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件格式存儲。Z-Location Engine是專為CC2430無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖形監(jiān)視軟件,可以實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的上位機(jī)實(shí)時(shí)定位監(jiān)控，對系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)修改和配置，以及定位電子地圖顯示和更新功能。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電子標(biāo)簽EPC也稱應(yīng)答器，為防止不必要的損耗，應(yīng)答器平時(shí)處于低功耗睡眠模式。閱讀器在讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號,當(dāng)EPC電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀取范圍時(shí)，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取工作所需的電能后被激活，進(jìn)入工作狀態(tài)，向閱讀器發(fā)送自身的編碼等EPC信息，閱讀器在接收到來自電子標(biāo)簽的載波信息后,對接收信號進(jìn)行解調(diào)和解碼,將其信息送至數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。RFID數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件Savant系統(tǒng)。另外在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)中如果想知道某個(gè)物品的位置時(shí)，只需通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出查詢信號，各子模塊接收到查詢信息后，通過RFID讀寫器閱讀自身的RFID信息，并與中心傳遞的編碼相比較，確認(rèn)是否是詢問自己，并從GPS系統(tǒng)中讀自己的地理位置信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將位置信號傳送給控制中心，從而掌握物品所在位置，提高工作人員的工作效率和降低物品管理成本。另外讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)容易發(fā)生“沖突”，就是同時(shí)有兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入讀卡器讀取范圍，都向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)，使讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突。目前有數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和防碰撞算法 (ALOHA)兩種方法解決這個(gè)問題，其中ALOHA是一種時(shí)分多址存取方式，基本原理是閱讀器在等待狀態(tài)中的循環(huán)時(shí)隙段內(nèi)發(fā)送請求命令，該命令使工作應(yīng)答器同步，然后提供一或兩個(gè)時(shí)隙給工作應(yīng)答器使用，工作應(yīng)答器將選擇自己的傳輸時(shí)隙，如果在這一或兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)有較多應(yīng)答器發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突，則閱讀器就用下一個(gè)請求命令增加可使用的時(shí)隙數(shù)，直到不出現(xiàn)沖突為止[5]。

4 系統(tǒng)測試和結(jié)論

本文設(shè)計(jì)由參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的定位系統(tǒng)，將參考節(jié)點(diǎn)布置在一定的區(qū)域，本次選擇兩組，一組10個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中 2個(gè)做測試用，另一組20個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中4個(gè)做測試用。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)把定位信息通過上位機(jī)顯示出來。通過多次改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置來測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后與實(shí)際位置進(jìn)行比較，表1和表2是以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為例在不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測量的結(jié)果。

表1 8×8區(qū)域內(nèi)測量結(jié)果

表2 16×16區(qū)域內(nèi)測量結(jié)果

從表中得出的數(shù)據(jù)可以看出，區(qū)域不大時(shí)，定位精度相對高些，在區(qū)域大的地方相對定位精度低些，檢測節(jié)點(diǎn)位置在區(qū)域中心，定位相對準(zhǔn)確，邊緣位置定位誤差相對大些。經(jīng)過試驗(yàn)，定位精度還與所在的環(huán)境有關(guān)，在空曠平緩的地方精度高些，在崎嶇有障礙物的地方定位精度相對較低。

本文在充分考慮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)有狀況和深入分析技術(shù)難題的前提下,把 RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技術(shù)融合在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺中，構(gòu)建一套基于ZigBee技術(shù)和無線射頻識別的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)，提高了閱讀器的讀取能力、防沖突能力和組網(wǎng)能力，但是在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題,如RFID的ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)、RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院瓦h(yuǎn)距離識別、抗干擾能力等問題亟待解決。隨著RFID、ZigBee、GPS等技術(shù)的不斷發(fā)展和不斷更新,它們在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢將更為突出,必將更好地改善我們的生活。

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