RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)建中的應(yīng)用與創(chuàng)新

蹇文軍

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

“物聯(lián)網(wǎng)”是近年來出現(xiàn)的一個(gè)新概念。由于“物聯(lián)網(wǎng)”在技術(shù)上具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，在?jīng)濟(jì)領(lǐng)域中具有功能，它將給人們的社會(huì)生活帶來巨大的變化。目前已成為信息產(chǎn)業(yè)最突出的熱點(diǎn)之一。射頻識(shí)別技術(shù)是“物聯(lián)網(wǎng)”中的關(guān)鍵信息感知技術(shù)之一，具有讀取速度快、操作方便、動(dòng)作距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。我國作為世界上最大的制造國，必須重視RFID技術(shù)在貨物管理中的重要作用，關(guān)注“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的巨大市場(chǎng)空間，促進(jìn)RFID技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

由于RFID技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于識(shí)別物品的能力，多數(shù)時(shí)候，例如在高速公路上，在交通管理中，在包裹跟蹤中，在貨物記錄中，在航空行李管理中，在防盜車系統(tǒng)中，人們需要標(biāo)簽，以獲得更多的信息，追蹤標(biāo)簽的位置，也就是說，如果將物聯(lián)網(wǎng)與人體相比較，RFID可以被看作是“眼睛”，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）被看作是“皮膚”，前者用讀卡器識(shí)別物體，后者用傳感器跟蹤物體的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)物體的監(jiān)控。介紹了一個(gè)基于 RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) WSID （wireless sensor Identification，WSID）識(shí)別平臺(tái)，并對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中間件進(jìn)行了詳細(xì)說明。本論文相對(duì)于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新穎的技術(shù)和硬件設(shè)計(jì)，包括雙頻雙協(xié)議讀卡器、傳感器網(wǎng)關(guān)、智能標(biāo)簽及工作模式。并給出了軟件設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)格式。在“物聯(lián)網(wǎng)”中，WSID識(shí)別平臺(tái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別、感知、聯(lián)網(wǎng)和定位等功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的智能無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)從底層到頂層可分為四個(gè)層次：檢測(cè)層、監(jiān)控層、管理層和備份接口。

這個(gè)檢測(cè)器有兩個(gè)功能實(shí)體：2.4GHz智能標(biāo)簽和915MHz RFID標(biāo)簽。SmartMarket tag被部署在一個(gè)固定的位置，負(fù)責(zé)收集WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的多種數(shù)據(jù)。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用樹形地址分配機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新路由函數(shù)的自動(dòng)選擇，以傳送采集數(shù)據(jù)。本論文第四部分研究了智能標(biāo)簽與讀取器或無線傳感器網(wǎng)關(guān)三種通信方式。RFID標(biāo)簽放在物料上或由監(jiān)控區(qū)域的人員攜帶。RF識(shí)別標(biāo)簽儲(chǔ)存的資料種類、序列號(hào)、人員編號(hào)等必需的資料，也可通過手持讀卡器或固定讀卡器讀取。采用RFID標(biāo)簽進(jìn)一步提高了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息采集能力。

監(jiān)測(cè)層設(shè)有固定/手持式讀卡器和無線傳感網(wǎng)關(guān)。雙頻閱讀器能夠讀取智能標(biāo)簽和RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。它收集各種不同的數(shù)據(jù)并發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)關(guān)。WSI網(wǎng)關(guān)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，也就是說，比較預(yù)設(shè)的閾值，在正常情況下，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，定期發(fā)送給監(jiān)控中心。如數(shù)據(jù)值超過預(yù)定閾值，立即報(bào)警，并通過以太網(wǎng)或GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。利用MAC地址和GIS系統(tǒng)對(duì)智能標(biāo)簽進(jìn)行精確定位；論文第四節(jié)將討論具體的交流形式。

管理部門包括監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。監(jiān)測(cè)中心的主要功能是分析、處理無線傳感器網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，通過GIS系統(tǒng)將標(biāo)簽的位置顯示在電子地圖上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和位置跟蹤。Dataserver是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中來自標(biāo)簽或讀取器的各種數(shù)據(jù)。在為各個(gè)子系統(tǒng)提供不同的相關(guān)數(shù)據(jù)庫接口的同時(shí)，應(yīng)用服務(wù)器還提供了完整的關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展功能，以保證對(duì)系統(tǒng)的訪問。通過WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持手持式閱讀器收集移動(dòng)數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和可移動(dòng)性。

WSID網(wǎng)關(guān)是WSID網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，它包括GPRS/CDMA和以太網(wǎng)兩個(gè)接口，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

在物流領(lǐng)域，WSID網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，其中一個(gè)很好的例子是它可以應(yīng)用到電子鎖系統(tǒng)中。這種裝有全球惟一標(biāo)識(shí)號(hào)的RFID芯片的電子鎖被固定在集裝箱上。貨車和車站都有記錄沿途集裝箱信息的讀卡器，當(dāng)貨車和集裝箱抵達(dá)碼頭時(shí)，讀卡器就會(huì)讀取這些信息，全部送到無線傳感網(wǎng)關(guān)，然后送到監(jiān)控中心。

圖1 RFID消息傳遞示意圖

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、控制中心和執(zhí)行器的紐帶，其主要功能是收集、分析和整合來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能標(biāo)簽數(shù)據(jù)，接收來自控制中心和用戶的因特網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)的指令并作出相應(yīng)的反應(yīng)。在WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)主要有兩個(gè)功能：（1）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)：WSID不僅有很強(qiáng)的通信能力，而且還具有處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)數(shù)據(jù)的智能性。（2）安全防護(hù)：無線傳感器網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)正常，則儲(chǔ)存起來，定期上傳到控制中心。不然立即報(bào)警。下圖顯示了無線傳感器網(wǎng)關(guān)的各個(gè)功能模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的處理算法。實(shí)現(xiàn)了與其他智能標(biāo)簽及控制器的通信。使用FlashRoM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，確保在意外停電的情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。內(nèi)存是用來存儲(chǔ)處理過的數(shù)據(jù)或其他臨時(shí)數(shù)據(jù)。輸入輸出接口包括通用輸入輸出接口、SPI接口、I2C接口和UART接口。通信模塊通過以太網(wǎng)或CDMA/GSM無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心通信；該顯示模塊包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提示。

3.2 雙頻射頻識(shí)別讀卡器

該讀寫器在WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中由處理器，SDRAM，RAM和閃存電路，射頻模塊以及外部接口電路組成。采用ARM（LPC2292）+DSP（TMS320VC5407）處理器，設(shè)計(jì)讀卡器，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理能力。閱讀器采用ARMLPC2292主控處理器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和通信。而DSPTMS320VC5407則是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的協(xié)處理器。這個(gè)任務(wù)分區(qū)可以充分發(fā)揮主處理器和協(xié)處理器對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，使數(shù)據(jù)熟悉度和信號(hào)處理能力最大化。

3.3 智能RFID節(jié)點(diǎn)

智能RFID節(jié)點(diǎn)是WSID異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)特有的技術(shù)。傳統(tǒng)的主動(dòng)式RFID標(biāo)簽不僅需要讀卡器安裝在固定位置，而且需要讀卡器天線的位置和方向的精確計(jì)算，極大地限制了讀卡器的靈活性。而在WSID異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，智能標(biāo)簽通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與讀寫器進(jìn)行通信，通信距離可以達(dá)到100米，可以實(shí)現(xiàn)定位功能。精度達(dá)到0.15米。其設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)整合和普及。由于溫度是一個(gè)非常重要的環(huán)境參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字單總線作為溫度傳感器接口（可連接DS1820型溫度傳感器）。同時(shí)保留了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器模擬輸入接口（4-20mA，1-5V），可配合多種傳感器使用，滿足不同的應(yīng)用要求。采用高集成的射頻接口芯片，將單片機(jī)、FLASH和RF電路集成在一起，大大提高了系統(tǒng)的集成度，降低了功耗。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，世界各國都在積極探索物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用，為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，還需要進(jìn)行大量的工作。一是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。強(qiáng)化國際合作，開展研究與開發(fā)，深化公共領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的合作，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化，示范，推廣。這些標(biāo)準(zhǔn)包括物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)準(zhǔn)和其他相關(guān)方面的標(biāo)準(zhǔn)，并堅(jiān)持與國際標(biāo)準(zhǔn)同步推進(jìn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。