Zigbee 與RFID 整合應用研究——智慧圖書館感知網組網設計

秦格輝

物聯網實現物物感知和相連，把所有與物相關的信息傳到互聯網，強調物與物能在泛在網絡環境下提供自身信息以方便識別、交互和處理。而基于物聯網構建的智慧圖書館，則可把圖書館的各種資源信息，包括文獻、家具、環境、空間等進行定義、感知和采集，通過網絡實現用戶、圖書館與信息資源之間的通信、共享，從而實現智慧化服務和管理[1]。

智慧圖書館要求可以實現各種信息資源的透徹感知，是通過物聯網的感知層來實現的。感知層具有超強的環境感知能力，通過攝像頭、RFID、智能終端、傳感器等泛在網技術，實現對圖書館范圍內的建筑、基礎設施、環境、設備、安全等方面的識別、信息采集、監測與控制。感知層與網絡層的高效、全面融合是衡量圖書館智慧環境通信能力的關鍵。在成熟的高寬帶光纖網絡、全面覆蓋的無線網絡基礎上如何構建短距離點對點傳輸的全面融合網絡，是目前圖書館感知網組網技術及系統設計中的難點。

1 RFID 與Zigbee

RFID 技術在圖書館的廣泛應用，為智慧圖書館的感知層奠定了基礎。從RFID 技術本身來看，特別是高頻、超高頻的RFID，具有低成本、傳輸速度快、識別距離適中、抗干擾能力強等特點，因此在圖書館管理、身份識別、產品管理等領域，具有不可替代的優越性。但是，由于RFID 標簽與讀寫器之間的通訊是通過電感耦合方式來實現的，識讀距離有限，即使加大天線發射功率、提高閱讀器的靈敏度，也不可能從根本上解決遠距離通訊問題，因此，如果要實現遠距離識別甚至遠程控制，必須尋求另一種技術方案才能徹底解決。

Zigbee 是一種低成本、低功耗、低速率、低復雜度、自組網的雙向無線通訊技術。雖然單個Zigbee 節點的通訊距離有限，但通過Zigbee 系統強大的自組網能力以及簡單靈活的節點部署，理論上可以將通訊距離延伸到無限遠。同時，通過Zigbee 節點連接各種傳感及控制設備，如紅外傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、RFID 識讀模塊、繼電開關模塊等，可承擔起環境監測及控制的任務。因此，Zigbee 在遠距離身份識別、環境監控以及無線網絡定位方面，有較大的優越性，但是在近距離通訊以及精準身份識別系統等方面，其價格、性能等均比不上RFID 系統[2]。

如果利用RFID 的近距離身份識別及Zigbee的遠程通訊能力，將兩者進行融合應用，則可組合成一個精準、穩定的圖書館物聯感知應用系統，構建起圖書館所有物之間的“深刻感知、互聯互通”的環境。通過該環境感知網的搭建，可實現對圖書文獻信息準確無誤的跟蹤，掌握其在架變化情況、流通情況，利用網絡技術實現動態信息共享和發布，以合理配置文獻資源，實現文獻管理的智能化；圖書館內的燈光、空調等各種建筑設備內嵌入傳感器裝置，實時采集設施運行狀態信息，以實現設備的智能化監控、統一管理和能耗控制。圖書館物聯感知應用系統強大的信息采集、整合、過濾、匯總能力，使原本孤立、瑣碎的圖書館的各種讀者信息、服務信息連接起來，管理人員可以通過對信息的分析、比較來預測服務壓力、提高服務質量，讀者可以享受到更為主動、準確的信息推送服務，并可及時了解圖書館的各種可用資源及信息。

基于以上構想，筆者經過較長時間的研究，完成了可實際應用于圖書館的感知網組網設計方案。

2 Zigbee 與RFID 的技術融合

Zigbee 與RFID 的技術融合就是設計基于Zigbee 技術的RFID 閱讀器，使得支持Zigbee的RFID 閱讀器與其他Zigbee 節點設備形成自組織的無線網絡[3]。Zigbee 采用的是自動組網技術，任何新加入的節點設備只要具有相匹配的個域網標志符(PANID)，且處于無線網絡的通訊范圍內，即可自動加入已有網絡、形成信息路由，并將信息傳輸到有效的接收者。通過對Zigbee 節點的合理部署和設置，可組建一個高冗余、高可靠性的無線傳感網，保證網絡的自我恢復能力[4]。

將Zigbee 與RFID 技術結合后，可相互彌補對方的缺陷，并進一步確保數據的準確性及完整性。而融合Zigbee 和RFID 技術的圖書館感知網應用系統則既繼承了RFID 簡單、快捷、自動識別目標的特性，又融入了Zigbee 主動感知與無線組網的功能[5]。

2.1 融合方案

本文以高頻RFID 識讀模塊和TI 的Zigbee模塊CC2530 為例，融合兩種技術，設計出一個遠距離的RFID 識別系統，可用于固定資產監控管理。

2.1.1 硬件方案

選擇NXP 公司的MF RC632 模塊作為低功耗高頻RFID 識讀模塊。MF RC632 是NXP公司推出的適用于工作頻率為13.56MHz 的高頻RFID 模塊，它集成了RFID 處理芯片、射頻天線以及支持串行通訊協議的輸出引腳等模塊。MF RC632 可識別基于13.56MHz 的各種RFID智能卡和標簽，并支持ISO1443 和ISO15693標準。該識讀模塊的串行輸出引腳可直接連接到任何8 位微處理器，給終端節點的設計提供了極大的靈活性。此外，它所提供的SPI 總線對一些I/O 資源有限的設計提供了有效的解決方案。

選擇德州儀器TI 的CC2530 Zigbee 模塊作為傳輸模塊。CC2530 是TI 公司最新推出的第二代符合Zigbee 聯盟標準的2.4GHz 片上系統(SoC)射頻芯片，是一個集成了MCU 處理器、可編程存儲器和ZIgbee 射頻RF 的真正的單芯片解決方案。它的內核是一個8051 的8 位處理器，具備256KB 閃存和8KB RAM。CC2530可用于各種Zigbee 或類似Zigbee 的無線網絡節點，包括協調器、路由器和終端設備。

2.1.2 終端感應節點融合方案

將RFID 模塊的串口引腳與CC2530 的串口引腳相連，形成一個兼備RFID 感知及遠程數據傳輸的集成模塊，RFID 將識讀到的RFID標簽數據通過串口輸出，從而達到了遠距離身份識別的目的。

傳感器模塊負責各種傳感信息的采集和數據處理，如數字式溫濕度傳感器(DHT11)、光敏傳感器、紅外熱釋電傳感器等。在圖書館的實際應用中，可通過紅外熱釋電傳感器采集進館、出館人流信息，對圖書館的服務壓力進行管控、統計服務；通過溫濕傳感器，對圖書周圍的溫度、濕度等信息的傳感，杜絕保管不善導致圖書霉變腐爛等風險；通過光敏傳感器，自動識別室內光線，調節照明強度，達到節約能源的目的。

圖1 終端感應節點融合圖

RFID 模塊集成了閱讀器和射頻天線，通過CC2530 的串口引腳嵌入到CC2530 底板中。單片機控制RFID 模塊的射頻掃描，當RFID 閱讀器掃描并讀到RFID 標簽信息時，經過轉換后傳給CC2530 模塊，然后再通過串口傳給上位機。同樣，上位機對RFID 讀寫模塊的控制也經過CC2530 模塊傳達。多個帶RFID 識讀模塊的ZigBee 終端節點之間可以聯網，實現數據的多點無線采集和遠距離傳輸，最終形成一個基于ZigBee 技術的多點自動識別、智能無線組網的遠程RFID 識別系統。

2.1.3 Zigbee 組網方案

組成Zigbee 網絡的設備類型有三類：管理Zigbee 網絡的協調器節點、用來傳遞數據的路由節點以及連接各種傳感設備的終端節點。協調器用來創建一個ZigBee 網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址，每個ZigBee 網絡只需一個協調器；路由器也稱為ZigBee 的全功能節點，可以作為路由來轉發數據，也可以作為數據節點用來收發數據，還能管理網絡，為后加入的節點分配地址；終端節點用來采集數據，可與各種感應器、閱讀器之間進行連接，實現終端的控制和管理[6]。ZigBee 協調器節點、路由器節點均可由CC2530 芯片、電壓轉換器件、電源電路、串口、收發器以及天線等組成。

根據應用的需要，Zigbee 可組成簡單的星型網絡、樹形網絡，也可組成比較復雜的MESH 網狀型網絡。本應用方案中采用MESH 網狀拓撲結構網絡，網狀網具有強大的組網功能，可以通過“多級跳”的方式來實現遠距離的數據傳輸，此網絡還具備自組織、自愈等功能。

在進行數據傳輸時，為減少信道的壓力，一般采取點播方式，在協調器上存儲整個網絡所有節點的地址，路由器上存儲其子節點即終端節點地址，終端節點上存儲其父節點(路由節點或協調器)的地址，具體路由如圖2 所示。終端節點與父節點之間的數據傳輸通過指定目的地址的點到點通訊方式實現。連接終端節點的路由節點將數據上傳時，直接指定協調器地址(如：0x0000)，也是采取點到點通訊方式。實際傳輸時可能經過多級路由，具體路由算法由底層協議棧Z_Stack 里的路由協議ADOV 來完成。同理，協調器下發數據時，先將數據傳到對應終端節點的父節點，再由父節點傳到終端節點。

圖2 Zigbee MESH 網狀型網絡圖

2.2 系統設計

2.2.1 整體框架

整體框架見圖3。

圖3 系統結構圖

2.2.2 Zigbee 節點軟件設計

為了區分采集數據來源以及對終端節點的控制，系統將為Zigbee 網絡中的每一個節點分配一個唯一的節點編號，在節點初始化時，就將其燒入到CC2530 模塊中。針對網絡中的不同類型節點，分別植入相對應的程序。無線傳感器網絡通信模塊采用基于IEEE802.15.4 標準的ZStack- CC2530 協議棧來開發，實現ZigBee網絡的建立、維護以及傳感器數據采集、節點控制等功能。

(1)終端節點軟件。連接RFID 模塊的節點為終端節點，其主要功能是完成感知功能。在終端節點中植入的程序功能包括兩部分：

第一，控制RFID 模塊讀寫的程序。遵循ISO/ IEC15961- 1 相關應用指令標準，完成例如尋卡、讀取數據、寫入數據、配置AFI、配置DSFID 等操作命令，實現對高頻RFID 模塊的控制。

第二，數據傳輸程序。終端節點一旦進入協調器建立的網絡后，將被分配一個16 位的網絡地址，同時也為其分配了一個路由父節點，此時終端節點將保存其父節點的地址，并將自己的節點編號告訴其父節點和協調器。當RFID閱讀器模塊感知、讀取到附近的RFID 標簽時，終端節點將RFID 標簽數據、自身節點編號、節點地址、數據類型等傳給父節點，再由父節點傳出。同樣，此程序也接收上位機下達，經協調器、路由器、父節點傳遞下來的各種操作指令，如掃描RFID 標簽、報告節點電壓情況等。

(2)路由節點軟件。路由節點的主要工作是完成數據及控制指令的上傳下達，根據接收到的數據包中的目標節點地址，完成消息的轉發。

(3)協調器軟件。協調器負責整個網絡的建立及管理，并負責收集所有的傳感數據，上傳到上位機，同時接收上位機的指令，下傳到各終端節點。在協調器里保存了所有節點的信息，如節點編號、節點類型、節點地址、父節點地址。從協調器到終端節點的初始路由，完全依賴于節點信息HASH 表。

2.2.3 采集軟件設計

數據采集服務器是上位機的應用程序，它通過串口與Zigbee 網絡的協調器相連，通過監控串口數據獲得Zigbee 網絡采集到的各種傳感數據，同時也通過串口將控制命令傳給Zigbee網絡，進而控制各傳感節點的動作。協調器上傳的數據格式定義如表1。

表1 采集軟件協調器上傳數據格式表

上位機下發到傳感節點的命令格式如表2。

表2 采集軟件上位機下發命令數據格式表

一般來說，一個數據采集服務器對應一個傳感網絡，采集服務器將采集到的數據通過TCP/IP 網絡再次上傳到數據中心服務器，經整合處理后存儲到數據庫中，供系統統一發布，從而實現對全局資產的智能識別及監控。

2.2.4 數據中心服務器設計

數據中心服務器為系統的頂層模塊，用來監控全局資產狀態，它接收從各采集服務器傳來的各種傳感數據，通過網頁、短信等多種方式予以實時發布。對于異常的數據，系統可以及時報警并采取相應的處理措施。中心服務器同時也將接收到的數據存儲到數據庫中，用于數據分析、參考決策。存儲到數據庫中的傳感數據存儲格式如表3。

表3 傳感數據存儲格式表

3 Zigbee、RFID 融合的固定資產監控系統應用

基于Zigbee 和RFID 技術的資產監控系統，就在重要的固定資產上粘貼有13.56MHz的RFID 標簽，在標簽周邊區域布設RFID、Zigbee 融合的終端節點定時讀取標簽信息，或將新的資產信息寫入電子標簽。所有數據和命令通過Zigbee 網絡與數據中心進行通訊[7]。

3.1 標簽機終端節點

RFID 標簽：采用13.56MHz 的RFID 無源標簽，標簽固定安裝在重要固定資產上。標簽內寫入資產名稱、資產地點、登記日期等編碼信息(見圖4)。

RFID 終端節點：RFID 終端節點布設在區域附近，可以一對一或一對多的方式，準確感知、識讀周邊的RFID 標簽信息，一旦標簽無法讀取，或讀取到的資產地點信息與初始信息不匹配，則可認為該固定資產已被移走，將會在系統中產生相關的監控聯動報警信息。

3.2 功能結構模塊

資產監控管理系統的模塊結構如圖5 所示。

圖4 系統工作流程圖

圖5 系統功能結構圖

資產監控管理系統通過對采集到的固定資產信息進行存儲、分析、對比，實現資產的實時監控；也可對新分配或者待調整的固定資產進行信息的寫入和更新，實現資產的動態管理。系統可采取B/S 結構設計，便于管理人員通過WEB 方式進行固定資產的總體瀏覽、管理。系統通過RFID 技術、Zigbee 融合的物聯網技術，不僅能夠實時獲取相關重要資產的標識和位置等信息，而且還能夠提高資產管理過程的智能性和準確性。

[1] 嚴棟. 基于物聯網的智慧圖書館[J]. 圖書館學刊，2010（7）：8- 10.

[2] 石繁榮.基于RFID 與ZigBee 無線傳感網絡研究與設計[D].西南科技大學研究生學位論文，2012，4.

[3] 孫紅，許濤，王穎慧，等. ZigBee 網絡的RFID 技術在物聯網中的研究[J].微計算機信息，2011（6）：75- 77.

[4] 馬海晶. 物聯網感知技術探討[J]. 制造業自動化，2011（6）：76- 78.

[5] 陳遙，吳曉波，周文.基于融合Zigbee 與RFID 技術的物聯網倉儲管理系統設計[J]. 軍事物流，2012（3）：128- 130.

[6] 蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530 的Zigbee數據采集系統設計[J].計算機技術與發展，2012（11）：197- 200.

[7] 劉銘. 基于ZIGBEE 和RFID 技術的固定資產管理系統設計[J].制造業自動化，2013（1）：67- 70.