一種基于ZigBee技術(shù)的RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

　　摘要：將ZigBee技術(shù)與無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）相結(jié)合構(gòu)建一套基于 ZigBee技術(shù)的RFID手持式讀寫器網(wǎng)絡(luò)。RFID手持式讀寫器網(wǎng)絡(luò)以自組織網(wǎng)的方式連接起來形成，提高了原RFID的靈活性，使原來的網(wǎng)絡(luò)由單跳網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槎嗵W(wǎng)絡(luò)，增加了原RFID的讀寫距離，并將傳感器嵌入到主動(dòng)式RFID標(biāo)簽中，使閱讀器既可以讀取物品信息，又可以檢測(cè)物品的周圍環(huán)境。

　　射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有非接觸、安全性高、傳輸速度快、支持多目標(biāo)識(shí)別的特點(diǎn)。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，RFID設(shè)備的成本大大降低，RFID技術(shù)逐漸走向?qū)嵱?，在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。RFID讀取距離遠(yuǎn)，可以寫入及存取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的內(nèi)容動(dòng)態(tài)改變；能夠同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽；標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護(hù)，安全性更高；可以對(duì)RFID標(biāo)簽所附著的物體進(jìn)行追蹤定位。 RFID系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成：標(biāo)簽和閱讀器。電子標(biāo)簽成功地解決了無源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象和物體信息，也可附加記憶存儲(chǔ)一些額外的信息，如產(chǎn)品的名稱、產(chǎn)品類型等。依據(jù)電子標(biāo)簽供電方式不同，分為有源電子標(biāo)簽和無源電子標(biāo)簽。無源電子標(biāo)簽在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。有源電子標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分地轉(zhuǎn)換為電子標(biāo)簽與閱讀器通訊所需的射頻能量，從而將標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或者接收閱讀器的數(shù)據(jù)。再將這些信息傳送給后臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行處理。

　　ZigBee技術(shù)是～種近距離、低復(fù)雜度、低功耗低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合子自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802．15．4（無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。ZigBee是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非都相同，分為精簡(jiǎn)功能設(shè)備和全功能設(shè)備：精簡(jiǎn)功能設(shè)備從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)稱之為全功能設(shè)備（也稱為協(xié)調(diào)器），負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用。

　　RFID的抗干擾性較差，易受外部環(huán)境的影響，而且有效讀取距離一般較短，尤其在金屬，水的干擾下讀取的距離更短。即使采用內(nèi)部帶電池的主動(dòng) RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽可以主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)，主動(dòng)標(biāo)簽的識(shí)別距離是可調(diào)的（一般是1～30m），但其距離仍然有限；可以將其連入有線網(wǎng)中，但有線網(wǎng)絡(luò)需要布線，不能隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)，安裝不方便。這些對(duì)RFID的應(yīng)用是一個(gè)極大的限制。本文采用手持式閱讀器，RFID手持式閱讀器之間需要一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線通訊，而ZigBee協(xié)議優(yōu)勢(shì)明顯，因此，在設(shè)計(jì)方案時(shí)，IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議是首選的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用2．4 GHz的全球通用頻段。本文將ZigBee與RFID結(jié)合起來構(gòu)建一套基于ZigBee技術(shù)的RFID網(wǎng)絡(luò)，利用前者高達(dá)100m的有效半徑，擴(kuò)大 RFID的讀寫范圍，將有極其廣闊的應(yīng)用前景［1］。由此把RFID技術(shù)由采集單純節(jié)點(diǎn)方式的信息方式推廣到在無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)中自組網(wǎng)、協(xié)同操作的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的跟蹤、定位，對(duì)物品周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)，在無線狀態(tài)下盤點(diǎn)物品等，為最終實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了有力的技術(shù)保證。

　　1 RFID與ZigBee技術(shù)融合的可行性和組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

　　RFID相關(guān)協(xié)議中只規(guī)定了通信的空氣接1：3，而ZigBee具有相對(duì)完善的通信組網(wǎng)協(xié)議。工作頻段上ZigBee可以選擇工作在2．4GHz ISM頻段（全球通用的頻段，利于擴(kuò)展），而RFID可工作在915MHz或其它頻段，因此二者在通信頻率可以互不干擾。ZigBee模塊在工作過程中可以穿透一定厚度的障礙，不受視距限制，而RFID受障礙物的限制，兩者可以形成互補(bǔ)。通過自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)設(shè)備都可以直接進(jìn)行無線通信，或者通過網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)而連接到其它設(shè)備，這樣節(jié)省了大量有線設(shè)備的連接，網(wǎng)絡(luò)的可靠性和頻率利用率都非常高，而且ZigBee有比較完整的安全認(rèn)證模式。

　　用ZigBee技術(shù)來對(duì)RFID閱讀器進(jìn)行組網(wǎng)，與傳統(tǒng)的閱讀器網(wǎng)絡(luò)相比，采用ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：一是無線網(wǎng)絡(luò)不需布線，安裝方便；二是無線網(wǎng)絡(luò)比有線網(wǎng)絡(luò)更加靈活，可以根據(jù)具體的情況隨時(shí)隨地將RFID連入網(wǎng)絡(luò)；三是無線網(wǎng)絡(luò)管理容易，通過軟件設(shè)置即可；四是網(wǎng)絡(luò)重建快速，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展簡(jiǎn)單，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題?？梢酝ㄟ^其它節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地將新的RFID閱讀器加入網(wǎng)絡(luò)中。

　　2基于ZigBee技術(shù)的RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)方法

　　首先采用RFID中主動(dòng)電子標(biāo)簽與傳感器結(jié)合。傳感器一般不關(guān)心物品的信息，它關(guān)注的是所標(biāo)識(shí)的物體周圍環(huán)境的情況，如溫濕度、pH值、血壓值等。信息被 RFID閱讀器讀出，閱讀器可以組成網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)應(yīng)用中需要時(shí)。傳感器可獲取物理世界的數(shù)據(jù)，可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當(dāng)需要具體的考慮到某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)的信息的時(shí)候，RFID搭建起物理世界與信息世界的橋梁，這里采取將傳感器嵌入到電子標(biāo)簽中將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以將物理世界與現(xiàn)有的信息世界進(jìn)行良好的融合，從根本上改變現(xiàn)有的IT系統(tǒng)?。這一切為新的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　采用主動(dòng)式標(biāo)簽和傳感器整合形成超級(jí)標(biāo)簽原理（圖1），具有不同功能的傳感器被嵌入到標(biāo)簽中，各個(gè)傳感器會(huì)獨(dú)立并且周期性的采集數(shù)據(jù)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變成原始數(shù)據(jù)。在被閱讀器讀取數(shù)據(jù)之前，微處理器會(huì)處理這些原始的數(shù)據(jù)。這個(gè)超級(jí)標(biāo)簽可以感知貼有標(biāo)簽物體周圍的環(huán)境信息，如溫度、濕度、pH值、血壓值等，當(dāng)閱讀器讀取超級(jí)標(biāo)簽中的信息時(shí)，閱讀器會(huì)連帶這些信息一起讀出。

　　圖1超級(jí)標(biāo)簽原理

　　采用主動(dòng)RFID后，標(biāo)簽內(nèi)部帶電池，主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，手持式閱讀器可以不主動(dòng)發(fā)射功率，同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。系統(tǒng)由主動(dòng)式標(biāo)簽和傳感器組成的超級(jí)標(biāo)簽會(huì)周期性地傳輸經(jīng)過微處理器處理的數(shù)據(jù)，閱讀器就會(huì)讀取在讀取范圍內(nèi)超級(jí)標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。閱讀器會(huì)針對(duì)標(biāo)簽中的信息進(jìn)行處理，然后將信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上 （圖2）。

　　圖2 RFID系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的RFID網(wǎng)絡(luò)是單跳網(wǎng)絡(luò)并且在這個(gè)區(qū)域內(nèi)包含了大量的標(biāo)簽和多個(gè)手持式閱讀器，當(dāng)RFID與ZigBee融合在一起，可形成多跳網(wǎng)絡(luò)，使各個(gè)閱讀器之間可以相互通信。在每個(gè)RFID閱讀器中嵌入ZigBee模塊，讀寫器以自組織網(wǎng)的方式連接起來，構(gòu)建RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高效、快速地讀取標(biāo)簽上的信息，同時(shí)簡(jiǎn)化了組網(wǎng)的過程，每個(gè)RFID閱讀器上收集到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)可以快速地傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)上，而且RFID閱讀器間可以實(shí)時(shí)地交換收集到的標(biāo)簽信息，可以擴(kuò)展出更多新的應(yīng)用。如圖3所示，每個(gè)RFID閱讀器中嵌入ZigBee模塊，達(dá)到多個(gè)閱讀器之間無線連接組網(wǎng)，相互之間通信，交換超級(jí)標(biāo)簽中的內(nèi)容，這樣就使讀寫距離增大，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)無線采集和傳輸?shù)哪康?。由于各個(gè)手持設(shè)備是可移動(dòng)的，彼此之間的聯(lián)絡(luò)會(huì)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)會(huì)隨時(shí)變化，模塊之間必須重新尋找通信對(duì)象，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，所以采用了自組織網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)層使用AODVjr路由協(xié)議，矢量路徑選擇基于能量的因素，具有快速適應(yīng)動(dòng)態(tài)鏈路環(huán)境，較低的處理和內(nèi)存開銷以及支持多播的特點(diǎn)。路由算法具有自主學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)拓?fù)涞哪芰Γ梢宰詣?dòng)進(jìn)行修復(fù)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)移動(dòng)終端都是全功能設(shè)備，都有路由功能，它們與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。最終形成一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的多點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別、智能無線組網(wǎng)的RFID識(shí)別系統(tǒng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是RFID閱讀器可以移動(dòng)采集數(shù)據(jù)，二是整個(gè)形成的網(wǎng)絡(luò)可以移動(dòng)。

　　圖3 RFID與ZigBee網(wǎng)絡(luò)

　　3 結(jié)束語

　　由于RFID的抗干擾性較差，容易受外部環(huán)境的影響，而且有效讀取距離較短，所以我們將ZigBee和無線射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)建一套基于ZigBee 技術(shù)的RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將傳感器嵌入到標(biāo)簽中。此系統(tǒng)擴(kuò)大了RFID的讀寫范圍，既可以識(shí)別物品，又可以監(jiān)測(cè)物品周圍環(huán)境的信息，為實(shí)現(xiàn)定位跟蹤，監(jiān)測(cè)物品狀況等打下了基礎(chǔ)。這些技術(shù)協(xié)同應(yīng)用，可以為最終實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供有力的技術(shù)保障。