基于RFID的無線傳感器網絡節點的設計

張剛建， 鄒傳云， 段 宏

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010）

0 引言

近幾年大型超市發展越來越迅速，規模也越來越大，由于超市內商品種類繁多，所需的溫度和保質期又不相同，從而就引發出超市內商品管理困難的問題。現提出一種具有RFID讀取功能的傳感節點的設計，通過這樣的無線傳感網絡節點不僅可以監控超市內不同地點的溫度、濕度，還可以利用RFID來讀取商品的物理信息、銷售狀況，這樣就可以方便有效的進行超市的管理，減少資源的浪費。

1 無線傳感器網絡的設計

1.1 設計思想

這里的設計思想是將RFID閱讀器融合到傳感器節點上來，RFID具有實體標識功能，傳感器網絡具有信息收集功能，通過網絡中傳感器節點將兩者的功能融合到一起。

1.2 網絡拓撲結構的結構組成

基于RFID的無線傳感網絡實際上是RFID技術和傳感器技術的結合，其組成主要包括：中央節點也就是信息處理中心、路由節點、普通傳感器節點，如圖1所示，圖1中C：中央節點；R：路由節點；G：普通傳感器節點；T：標簽。網絡采用的是星形拓撲結構，網絡中含有少量的路由節點，每個路由節點周圍又有若干個普通傳感器節點，一個路由節點和它周圍的普通傳感器節點組成一個微網[2]。在這個網絡中的中央節點是使用者進行操作的，同時也是所有信息的目的地。在網絡中除了中央節點外的每一個節點都是采用電池供電的，一般網絡要求在不更換電池的前提下至少使用2年，這就要求在節點不使用的時候都能夠處于低功耗的休眠狀態，當需要使用的時候又可以喚醒，而當電池電量低需要更新時會發出指示信號。網絡中，每個節點在不需要其他配置的情況下都可以自啟動并運行，節點的數量也沒有限制，可以無限的擴展，從而整個系統具有大規模應用性。系統中使用的RFID系統遵守廣泛應用的RFID標準和協議，可以方便和其他RFID系統連接。

圖1 無線傳感器網絡拓撲結構

1.2.1 中央節點組成框架

中央節點是網絡的一個數據信息匯集與控制信號發出點。如圖2所示。

圖2 中央節點的電路組成框架

圖2中，射頻收發模塊負責接收各傳感器節點發出的有載射頻模擬信號，并將其解調為基帶數字信號。在PC接口電路中，根據相應的通信協議來獲取傳感器節點發出的數據信息，并存放于預先設置好的存儲器段內。電腦終端通過PC接口模塊，按部就班地讀取這些數據信息。

1.2.2 路由節點組成框架

圖3為路由節點的電路組成框架示意圖。

圖3 路由節點的電路組成框架

在這里，信息進行匯集和轉發，中繼信息處理模塊的基本作用將接收到的數據與控制信息進行再生處理，消除因傳輸引人的噪聲與誤差干擾，以便信息進行無差錯的傳輸。

1.3 傳感器節點的設計

1.3.1 節點開發平臺的介紹

MICA2平臺是由美國伯克利大學開發，它有一個主控制器，一個射頻收發器和一根射頻天線，它是專門為無線傳感器網絡設計的，具有功耗低、體積小等特點。MICA2平臺上的Atmega128L主控制器包含128 K字節的片上FLASH，4 K字節的EEPROM，4 K字節的SRAM，可編程串口，SPI接口，時鐘頻率是7.37 MHz。平臺采用3 V電池供電，同時支持低功耗的休眠模式。

1.3.2 節點的硬件組成

無線傳感器節點一般有傳感器模塊、數據處理模塊、電源模塊和數據傳輸模塊組成，由于本設計需要節點能夠讀取商品上的標簽，所以節點安裝一個能夠讀取標準電子標簽的閱讀器。傳感器模塊采用的數字式溫濕度傳感器芯片SHT11，這樣節點在讀取標簽的同時也可以方便的知道節點附近的溫濕度。具體硬件組成框圖如圖4所示。

圖4 硬件組成框

設計中采用的射頻芯片和傳感器芯片：

（1）射頻芯片CC1000

CC1000是根據Chipcon公司的SmartRF技術，在0.35 μm CMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915 MHz，但CC1000很容易通過編程使其工作在300～1 000 MHz范圍內。它具有低電壓，極低的功耗，高靈敏度，小尺寸，集成了位同步器等特點[3]。

（2）傳感器芯片SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產的具有I2C總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨特的CMOSens TM技術，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。

2 工作流程

系統工作流程如圖5（a）所示。使用者通過中央節點向節點發送讀取信息的指令，節點通過射頻模塊接收到指令并通過SPI(串行外設接口)傳給主控制器，然后主控制器分別向RFID閱讀器和溫濕度傳感器發送命令讓它們完成讀取指令，射頻模塊會將它們收集的信息轉發到控制中心進行分析，然后給出相應的措施來提醒工作人員進行處理。

圖5 工作流程

整個系統中關鍵的部分是RFID閱讀器讀取工作，這也是設計的重點所在。RFID閱讀器整合到整個系統中，是由主控制器來控制它的讀取。在目標商品上部署RFID標簽，標簽中包含目標商品的信息，傳感器節點通過RFID天線向標簽發出查詢信號，標簽被電磁波激活，驅動自己的天線向RFID天線回復自己的信息，信息被RFID閱讀器讀出。其工作流程圖如圖5（b）所示。

3 網絡的具體應用及分析

應用環境為某大型超市。由于貨架的長度一般是100～200 m，高度是 1～2 m，所以將射頻芯片的頻率定為 433 MHz，RFID系統為915 MHz（射頻芯片定為433 MHz是由于這個頻率抗干擾能力強而且通信距離能夠達到 200 m，915 MHz的RFID系統讀取距離可達8 m而且讀寫速度較快）。在貨架上部署傳感器節點，通過閱讀器讀取商品標簽的信息，從而知道商品的保質期，數量，保存溫度，產地等等。同時節點上帶有溫濕度傳感器，可以得到節點附近的溫濕度。節點將這些信息收集發送到距離100～200 m外的路由節點，最終到達控制中心。在這里系統通過分析這些信息并與設定的信息（保質期≤10天，溫度比商品設定最高溫度≥5度，商品數量≤5）對比，如果滿足其中任意一條就會進行報警。從而提醒超市工作人員進行相應的處理。考慮到能耗的問題則約定傳感器節點每十分鐘（預留時間設置為十分鐘）讀取一次標簽，或者根據網絡廣播的命令定期進行信息獲取，在RFID不工作時處于關電狀態。經實驗測試表明該網絡可以達到預定目標，可以按照設定信息對商品進行智能監控，需要進行處理時就會報警，很大程度上減少斷貨和保質期到期事件的發生，從而可以實時、有效的解決大型超市、倉庫等管理難的問題。

4 結語

首先對無線傳感節點進行深入的研究，熟悉掌握節點設計的要求，在節點安裝一個RFID閱讀器，從而使節點具有RFID讀取功能。節點通過自組織構成了的網絡能夠應用于大型超市智能化管理，具有很強的實用性和穩定性。由于節點讀取范圍的標簽數目多而且具有流動性，所以閱讀器防碰撞讀取標簽將是以后研究的重點。

[1] KlauSFinkenzeller..射頻識別(RFID)技術[M].北京：電子工業出版社，2001.

[2] 趙學鵬,鄒傳云.無線傳感器網絡的功率控制算法[J].通信技術,2007,40(12)：379-382.

[3] 范佳林.915 MHz RFID讀卡器設計[D].大連：大連理工大學,2006.

[4] 譚民，劉禹，曾雋芳.RFID技術系統工程及應用指南[M].北京：機械工業出版社，2007.

[5] 葉里莎．RFID技術的應用[J]．通信技術，2007,40(12)：267-268．