無線傳感ZigBee技術在物聯網中的應用*

任小洪，樂英高，徐衛東，周天鵬

（四川理工學院 人工智能四川省重點實驗室，四川 自貢 643000）

隨著互聯網技術、無線傳感技術、信息處理技術的快速發展，物聯網技術越來越受重視。2003年，美國《技術評論》提出物聯網將是未來改變人們生活的十大技術之首，物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用電子商品代碼EPC、RFID、無線數據通信等技術，構造的一個覆蓋世界上萬事萬物的信息網絡，是獨立于EPC系統和互聯網技術整合的產物[1]。物聯網一方面可以提高經濟效益，大大節約成本；另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。

ZigBee技術是一組基于IEEE.802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術，它是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線網絡技術[2]。它使用的頻段是全球通用的2.4 GHz，該標準定義了在IEEE.802.15.4物理層(PHY)和標準媒體訪問控制層(MAC)上的網絡層及支持的應用服務,ZigBee聯盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎架構。物聯網開發平臺的搭建，對促進研究成果的轉化和產學研對接也具有十分重要的意義，為最終實現“物聯網”提供了一條簡單、可行的途徑。

1 物聯網開發平臺硬件設計

物聯網技術核心就是射頻識別技術(RFID)，基本的RFID系統至少包含閱讀器(Reader)和 RFID標簽(Tag)，它具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠、穿透性強、工作環境適應性強、可重復使用等多種優勢。RFID標簽由芯片與天線組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，標簽附著在物體上以表示目標對象[2]。

物聯網另一個重要技術是無線傳感網絡技術，目前無線網絡技術主要有六種，分別是藍牙(Bluetooth)、無線局域網(WiFi)、超寬帶通信(UWB)、近場通信(NFC)、Zig-Bee和紅外數據通信IrDA技術。其中藍牙技術是工作在2.4 GHz頻段的無線技術，目前在計算機外設方面應用較廣泛，但由于其協議本身較復雜、開發成本高、節點功耗大等缺點，從而限制了其在工農業方面的進一步推廣；WiFi技術的通信速率為 11 Mb/s,通信距離為 50～100 m,適合于多媒體的應用，但其本身實現成本高，功耗大，安全性能低，因而在無線網絡技術應用較少；紅外技術的實現和操作相對簡單、成本低廉,但紅外光線易受遮擋，可移動性差，只支持點對點視距對接，無法靈活地構建網絡；超寬帶通信(UWB)是一種無線載波通信技術，主要的應用是在視頻消費娛樂方面的無線個人局域網；近場通信(NFC)采用雙向的識別和連接技術，主要應用于遙控識別和網絡技術的合并；ZigBee技術以其經濟、可靠、高效等優點在物聯網技術中有著廣泛的應用前景。

ZigBee網絡存在三種邏輯設備類型：協調器、路由器和終端設備。ZigBee網絡由一個協調器以及多個路由器和多個終端設備組成[3]。ZigBee網絡的拓撲結構主要有3種:星型、樹狀和網狀網絡結構。ZigBee協議規范使用了IEEE.802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質訪問控制層(MAC)，并在此基礎上定義了網絡層(NWK)和應用層(APL)架構。

ZigBee硬件電路上采用TI/Chipcon公司開發的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee片上系統解決方案 CC2430/CC2431無線單片機，它免費提供ZigBee聯盟認證的全面兼容的IEEE.802.15.4-2003協議規范和ZigBee 2006協議規范的協議棧源代碼和開發文檔，集單片機仿真器、編程器、ZigBee協議分析儀、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于一體的開發母版，實現TI/Chipcon公司提供的ZigBee開發軟件的完全無縫連接。CC2430整合了業界領先的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee RF收發機CC2420以及工業標準的增強型8051MCU的卓越性能,還包括了8 KB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RF-IC成為針對超長電池使用壽命應用的理想解決方案。ZigBee嵌入RFID射頻識別系統的電路圖如圖1所示。

在物聯網開發平臺系統中還有GPS和GPRS模塊，全球定位系統GPS(Global Positioning System)是一種以空中衛星為基礎的高精度無線電導航的全球定位系統,在全球任何地方以及近地空間能夠提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息[4]。GPS系統由3大部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設備部分。GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的簡稱，位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通信技術之間。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。GPRS突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式，它只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現分組交換，而得到的用戶數據速率比GSM網絡快得多。GPRS模塊利用手機模塊和SIM卡,把GPS定位到的數據進行短消息發送,告知對方物品所在的位置。

2 物聯網開發平臺軟件設計

在軟件設計中使用IAR Embedded Workbench開發環境，這是一套高精密且使用方便的嵌入式應用編程開發工具，它具有高度優化的C/C++編譯器,高性能的CSPY調試器和硬件調試工具，支持RTOS內核識別調試，提供現成的代碼流程，使二次開發更加簡便快捷。還有ZigBee協議分析儀軟件Packet Sniffer，它可以對空氣中的無線信號進行監聽、過濾和數據解碼，并將其按照一定的數據包格式顯示在GUI界面中，也可以將這些數據以二進制文件格式存儲。Z-Location Engine是專為CC2430無線定位系統設計的系統圖形監視軟件,可以實現ZigBee無線網絡定位系統的上位機實時定位監控，對系統各個節點進行參數修改和配置，以及定位電子地圖顯示和更新功能。物聯網開發平臺軟件設計流程圖如圖2所示。

圖2 物聯網開發平臺軟件設計流程圖

3 物聯網開發平臺系統設計

物聯網開發平臺系統結構框圖如圖3所示。

圖3 物聯網開發平臺系統結構框圖

電子標簽EPC也稱應答器，為防止不必要的損耗，應答器平時處于低功耗睡眠模式。閱讀器在讀取電子標簽數據時通過天線發送一定頻率的射頻信號,當EPC電子標簽進入閱讀器讀取范圍時，電子標簽從閱讀器發出的射頻能量中提取工作所需的電能后被激活，進入工作狀態，向閱讀器發送自身的編碼等EPC信息，閱讀器在接收到來自電子標簽的載波信息后,對接收信號進行解調和解碼,將其信息送至數據交換和管理系統進行處理。RFID數據交換和系統管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計算機應用系統之間的中間件Savant系統。另外在整個物聯網開發平臺系統中如果想知道某個物品的位置時，只需通過GPRS無線網絡發出查詢信號，各子模塊接收到查詢信息后，通過RFID讀寫器閱讀自身的RFID信息，并與中心傳遞的編碼相比較，確認是否是詢問自己，并從GPS系統中讀自己的地理位置信息，通過GPRS網絡將位置信號傳送給控制中心，從而掌握物品所在位置，提高工作人員的工作效率和降低物品管理成本。另外讀卡器在讀取數據時容易發生“沖突”，就是同時有兩個或多個標簽進入讀卡器讀取范圍，都向讀卡器發送數據，使讀卡器在讀取數據時發生沖突。目前有數據檢驗和防碰撞算法 (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，基本原理是閱讀器在等待狀態中的循環時隙段內發送請求命令，該命令使工作應答器同步，然后提供一或兩個時隙給工作應答器使用，工作應答器將選擇自己的傳輸時隙，如果在這一或兩個時隙內有較多應答器發生了數據沖突，則閱讀器就用下一個請求命令增加可使用的時隙數，直到不出現沖突為止[5]。

4 系統測試和結論

本文設計由參考節點、移動節點和網關節點組成的定位系統，將參考節點布置在一定的區域，本次選擇兩組，一組10個節點，其中 2個做測試用，另一組20個節點，其中4個做測試用。網關節點把定位信息通過上位機顯示出來。通過多次改變移動節點的位置來測量移動節點的位置，然后與實際位置進行比較，表1和表2是以移動節點為例在不同區域內進行測量的結果。

表1 8×8區域內測量結果

表2 16×16區域內測量結果

從表中得出的數據可以看出，區域不大時，定位精度相對高些，在區域大的地方相對定位精度低些，檢測節點位置在區域中心，定位相對準確，邊緣位置定位誤差相對大些。經過試驗，定位精度還與所在的環境有關，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。

本文在充分考慮物聯網系統的現有狀況和深入分析技術難題的前提下,把 RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技術融合在物聯網開發平臺中，構建一套基于ZigBee技術和無線射頻識別的物聯網開發平臺系統，提高了閱讀器的讀取能力、防沖突能力和組網能力，但是在物聯網的實際應用中還有許多問題,如RFID的ISO/IEC標準、RFID系統數據傳輸的安全性和遠距離識別、抗干擾能力等問題亟待解決。隨著RFID、ZigBee、GPS等技術的不斷發展和不斷更新,它們在物聯網中的優勢將更為突出,必將更好地改善我們的生活。

[1]單承贛,單玉峰,姚磊.射頻識別(RFID)原理與應用[M].北京：電子工業出版社,2008.

[2]高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[3]夏益民,梅順良,江億.基于 ZigBee的無線傳感器網絡[J].微計算機信息，2007,23(4).

[4]王慶安.基于 RFID和 GPS及GPRS的車載物流管理系統研究[J].交通企業管理,2008(6).

[5]張明,張建華,徐國鑫,等.一種新穎的RFID防沖突算法[J].電子技術應用,2006,32(6):127-129.