ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 - 全文

引言

　　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)得到越來越多的重視。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)是在計算機互聯(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)造的一個覆蓋世界上萬事萬物的信息網(wǎng)絡(luò)，是獨立于EPC系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟效益，大大節(jié)約成本，另一方面可以為全球經(jīng)濟的復(fù)蘇提供技術(shù)動力。

　　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)。它使用頻段是全球通用的2．4GHz，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

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心關(guān)鍵就是射頻識別技術(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、工作環(huán)境適應(yīng)強、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。

　　物聯(lián)網(wǎng)另一個重要技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)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)，Zi-gBee技術(shù)以其經(jīng)濟、可靠、高效等優(yōu)點在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著良好的應(yīng)用前景。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在3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)由一個協(xié)調(diào)器以及多個路由器和多個終端設(shè)備組成。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IEEE802．15．4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2．4GHz IEEE 802．15．4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2430/CC2431無線單片機。它免費提供ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的全面兼容的IEEE．80215．4—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，集單片機仿真器、編程器、ZigBee協(xié)議分析儀、圖片點陣LCD顯示屏、高性能語音電路、Joystick及幾種典型模擬組件為一體的開發(fā)母版，實現(xiàn)TI/Chipeon公司提供的ZigBee開發(fā)軟件的完全無縫連接。CC2430整合了2．4GHz IEEE 802．15．4/ZigBee RF收發(fā)機CC2420以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051MCU的卓越性能，還包括了8KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他強大特性。CC2430在接收機傳輸模式下的電流損耗為25 mA，使得RFID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)的電路圖如圖所示。?

ZigBee嵌入RFID射頻識別系統(tǒng)的電路圖

　　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)(Global Positioning System，GPS)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間信息。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)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻比GSM網(wǎng)絡(luò)快得多。GPRS模塊利用手機模塊和SIM卡，把GPS定位到的數(shù)據(jù)進行短消息發(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

　　在軟件設(shè)計中使用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，它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，具有高度優(yōu)化的C/C++編譯器、高性能的C-SPY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。另外，ZigBee協(xié)議分析儀軟件Packet Sniffer可以對空氣中的無線信號進行監(jiān)聽、過濾和數(shù)據(jù)解碼，并將按照一定的數(shù)據(jù)包格式顯示在GUI界面中，也可以將這些數(shù)據(jù)以二進制文件格式存儲。Z-Location Engine是專為CC2430無線定位系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)圖形監(jiān)視軟件，可以實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的上位機實時定位監(jiān)控，對系統(tǒng)各個節(jié)點進行參數(shù)修改和配置，以及定位電子地圖顯示和更新功能。

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

　　電子標(biāo)簽EPC(也稱應(yīng)答器)為防止不必要的損耗，應(yīng)答器平時處于低功耗睡眠模式。閱讀器在讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)是通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)EPC電子標(biāo)簽進入閱讀器讀取范圍時，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，進人工作狀態(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，并對接收信號進行解調(diào)和解碼后，將其信息送至數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)進行處理，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算機應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件Savant系統(tǒng)。另外讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時容易發(fā)生“沖突”，就是同時有兩個或多個標(biāo)簽進入讀卡器讀取范圍，都向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時發(fā)生沖突。目前，有數(shù)據(jù)檢驗和防碰撞算法(ALOHA)兩種方法解決這個問題，其中ALOHA是一種時分多址存取方式，

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防沖突算法流程

　　4 系統(tǒng)測試

　　設(shè)計由參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成的定位系統(tǒng)，將參考節(jié)點布置在一定的區(qū)域。本次選擇兩組，一組10個節(jié)點，其中2個測試用，另一組20個節(jié)點，其中4個測試用。網(wǎng)關(guān)節(jié)點把定位信息通過上位機顯示出來。通過多次改變移動節(jié)點的位置來測量移動節(jié)點的位置，然后與實際位置進行比較，檢測節(jié)點位置在區(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，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。

　　結(jié)語

　　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)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)亟待解決。隨著RFID、ZigBee、GPS等技術(shù)不斷的發(fā)展，不斷的更新，它們在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢將更為突出，將更好地改善人們的生活。

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