基于融合傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID實現(xiàn)的5G 物聯(lián)網(wǎng)信息平臺研究

郭 強， 俞嘯玲， 胡 翔， 陸 斌

（杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司， 浙江 杭州 311100；國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭區(qū)供電公司， 浙江 杭州 311100）

引言

5G 是指第五代移動通信系統(tǒng)、通信技術(shù)，是目前廣泛被使用的4G 的升級版[1]?！熬W(wǎng)絡(luò)”這個詞正延申至人與物、物與物的“萬物互聯(lián)”智能連接。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過網(wǎng)絡(luò)、傳感器、RFID 技術(shù)和全球定位系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行信息交換和通信的網(wǎng)絡(luò)[2]。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)依次執(zhí)行數(shù)據(jù)感應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸，以及提供具體應(yīng)用服務(wù)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心是FRID（頻射識別）技術(shù)與傳感器技術(shù)[4]。RFID（Radio Frequency Identification），頻射識別技術(shù)，主要是利用無限電信號識別特定目標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的無機(jī)械式數(shù)據(jù)讀寫技術(shù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是指相隔一定距離、某一區(qū)域內(nèi)，所有具有移動通信能力和數(shù)據(jù)計算能力的傳感器結(jié)點，通過組織形成網(wǎng)絡(luò)，共同完成中心發(fā)布指定任務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本文以傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID（頻射識別）技術(shù)為基礎(chǔ)，探討5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)與實現(xiàn)方法。描繪平臺架構(gòu)和核心業(yè)務(wù)流程，以及探討具體應(yīng)用與管理行業(yè)的益處。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究綜述及研究動態(tài)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起源于美國麻省理工大學(xué)的Kevin Ashton、Sanjay Sanma 和David Brock。最早出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)概念的是比爾蓋茨于1995 年發(fā)表的《未來之路》。2005 年，ITU 發(fā)布《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報告2005 物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念。2009 年我國提出“感知中國”。2011 年，“十二五”規(guī)劃出臺物聯(lián)網(wǎng)專項資金管理暫行辦法。2013 年，發(fā)改委等多部委印《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項行動計劃（2013—2015）》，提出10 各領(lǐng)域的培養(yǎng)方案，并規(guī)定了目標(biāo)。2017 年，開始全面推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。2018 年，《物聯(lián)網(wǎng)安全白皮書》指出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀，并提出展望。

射頻識別技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)，1990 年起美國將其應(yīng)用于伊拉克戰(zhàn)爭調(diào)配物資與武器。射頻識別技術(shù)由此開始進(jìn)入應(yīng)用階段。根據(jù)有無電源，RFID 分為：有源RFID、無源RFID 以及半源RFID。

我國傳感器技術(shù)，最早于1986 年“七五”計劃正式被列入國家重點項目。同一時期，美國進(jìn)入傳感器時代，率先運用于軍用，不斷改進(jìn)并普及至民用。

2 平臺設(shè)計

2.1 平臺架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)有三層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如下頁圖1 所示。感知層，是通過搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集信息，將數(shù)據(jù)傳入網(wǎng)關(guān)，然后感應(yīng)層識別目標(biāo)物體的基本信息并傳回可用信息。RFID 裝置發(fā)送感應(yīng)信息，含有電子標(biāo)簽的非接觸數(shù)據(jù)載體通過耦合元件感應(yīng)后進(jìn)行反饋，GPS 自動定位感應(yīng)物所在位置，攝像頭記錄物理外部環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡(luò)相互共享信息，最早RDIF 識別讀出裝置將收集到的數(shù)據(jù)上傳至終端。

網(wǎng)絡(luò)層是架于感知層和應(yīng)用層之間的橋梁。網(wǎng)絡(luò)層是指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所依托的通信網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)的接口是應(yīng)用層，它與專業(yè)技術(shù)相互融合，提供特定的服務(wù)，倚靠數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行存儲、過濾，分析后進(jìn)行處理并反饋至總機(jī)。

2.2 平臺核心流程

5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺是通過電纜、電線、衛(wèi)星、光纖等實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、信息交流的平臺，它基于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、電磁感應(yīng)等技術(shù)，將傳感器、RFID、控制系統(tǒng)等進(jìn)行連接。

RFID 系統(tǒng)組成有：帶有電子標(biāo)簽的設(shè)備、讀寫器以及終端系統(tǒng)。

電子標(biāo)簽被附著于芯片內(nèi)，芯片被附著于物體，每個標(biāo)簽都有唯一編碼。半主動式電子標(biāo)簽雖然有電源，但電源只提供計算所需能量，支撐其與讀寫器之間信息傳遞的能量仍需從讀寫器發(fā)射的電磁波中獲取。

射頻讀寫器主要由收發(fā)機(jī)、微處理機(jī)、天線以及不同接口組成。收發(fā)機(jī)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)通過電感耦合和電磁感應(yīng)內(nèi)發(fā)射信號至電子標(biāo)簽；接收機(jī)負(fù)責(zé)采集電子標(biāo)簽傳遞的信息，并傳給微處理器。微處理器是存儲并實現(xiàn)與標(biāo)簽的協(xié)議和通信的器件，可同時完成解碼和編碼以及糾錯功能。感知器負(fù)責(zé)同應(yīng)用平臺進(jìn)行通信，執(zhí)行操作指令等。天線以電磁波的形式，把射頻信號接收或發(fā)送出去。接口有通信接口：為讀寫器和外部實體提供通信指令。

終端系統(tǒng)必須包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，存儲、處理RFID 信息。它接收讀寫器傳遞的數(shù)據(jù)，下達(dá)指令至讀寫器，讀寫器根據(jù)指令，分配工作給設(shè)備。

RFID 的核心流程如下：

1）帶有讀寫器的設(shè)備通過電線向周圍發(fā)出帶有一定頻率的電信信號。

2）由于帶有標(biāo)簽的物體是隨著人或者其他運輸設(shè)備，甚至可以憑借自身動力進(jìn)行地理上的移動。但當(dāng)它進(jìn)入讀寫器的掃描范圍時，標(biāo)簽被電流激活，成為“開”狀態(tài)。

3）標(biāo)簽通過網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，向物聯(lián)網(wǎng)平臺的讀寫器發(fā)送自身編碼信息或其他參數(shù)。讀寫器進(jìn)行解調(diào)和解碼等逆向處理，通過接口或網(wǎng)口發(fā)送到終端管理系統(tǒng)。

4）終端管理系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)首先驗證標(biāo)簽的合理性，針對不同需求采用不同算法，下達(dá)指令。

其中，RFID 工作系統(tǒng)根據(jù)工作頻率分類如表1所示。

表1 RFID 分類

根據(jù)工作原理，繪制平臺核心流程圖2 所示。

2.3 應(yīng)用平臺

2.3.1 制造業(yè)

汽車制造行業(yè)是普遍采用RFID 技術(shù)的制造行業(yè)。汽車生產(chǎn)過程中，每個車間生產(chǎn)指定零件，因為部分車間溫度高，普通條碼跟蹤是不可能實現(xiàn)的，所以零件之間都打入電子標(biāo)簽，在每個車間也設(shè)置讀寫器。無需車間員工手動輸入，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、信息訪問的時間與成本。

2.3.2 公共服務(wù)業(yè)

公共服務(wù)業(yè)如圖書館檔案室大多采用RFID 技術(shù)形成物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，它的功能有實現(xiàn)圖書的自助借還、流通分揀等。采購圖書后，給圖書分配標(biāo)簽，錄入系統(tǒng)；讀者挑選書籍后，送至自助借還機(jī)器，讀取到圖書標(biāo)簽后，鎖定唯一標(biāo)識，將數(shù)據(jù)錄入并更新圖書庫存信息。入館處會設(shè)安全防盜系統(tǒng)，若圖書標(biāo)簽是“在館”，入館處讀寫器識別到物體正準(zhǔn)備出館時，會發(fā)出警告，提示讀者不能未經(jīng)借閱帶走館內(nèi)圖書。

2.3.3 零售業(yè)

采用RFID 物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)的零售業(yè)，可以實時共享銷售量、庫存量等信息。銷售商及時了解庫存信息，及時下達(dá)補貨命令，節(jié)約成本。對于零售業(yè)管理，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺不僅能保障物品的庫存安全，還能智能制定采購計劃。

2.3.4 交通運輸業(yè)

交通運輸業(yè)可以分為交通和物流運輸兩類。當(dāng)汽車行駛時，通過識別交通工具上的標(biāo)簽，自動識別車輛號碼，讀寫器將數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)運輸狀態(tài)，實時監(jiān)控車輛的輪胎氣壓等情況。物流方面，智能物流將信息進(jìn)行整合；同時，與電子商務(wù)行業(yè)進(jìn)行合作，統(tǒng)一管理，實時更新物流信息，同時提高信息的流通速度，提供便利、快捷的科學(xué)信息服務(wù)。

2.3.5 安全識別業(yè)

安全識別業(yè)有軍事安全、生活安全等等?？梢詫娛挛镔Y、救援器械進(jìn)行統(tǒng)一管理，進(jìn)行動態(tài)和監(jiān)控和實時追蹤等，保證物品的安全性、保密性。生活安全則涉及生活中或工作中的財產(chǎn)人身安全，例如在公司出入口安裝讀寫器，進(jìn)出人員只需要攜帶射頻卡，就能自動鎖定身份，一旦非法闖入就會自動報警。

2.4 應(yīng)用前景

我國雖然物聯(lián)網(wǎng)起步晚，但隨著近幾年通信、計算機(jī)行業(yè)等的大力發(fā)展，我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)慢慢成為世界技術(shù)前沿，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景將會持續(xù)擴(kuò)大，從而產(chǎn)生新的業(yè)務(wù)，帶動新的經(jīng)濟(jì)增長方式。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生積極影響，節(jié)約成本，提高安全性與便利性，隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，標(biāo)簽已從紙張、木材制品升級至小型芯片，金屬；未來可能出現(xiàn)更綠色的標(biāo)簽、網(wǎng)線等；同時，電源可能編程更綠色環(huán)保的清潔能源。

3 結(jié)語

傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID 技術(shù)已在全球多個國家、不同領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)前5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展還未完全成熟，仍存諸多問題。同時應(yīng)探索更綠色更環(huán)保的金屬或其他材質(zhì)材料，對于綠色能源、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等，需大力同時發(fā)展，方可進(jìn)一步推進(jìn)5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)。