一種基于ZigBee技術(shù)的RFID系統網(wǎng)絡(luò )構建方法

　　摘要：將ZigBee技術(shù)與無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)（RFID）相結合構建一套基于 ZigBee技術(shù)的RFID手持式讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò )。RFID手持式讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò )以自組織網(wǎng)的方式連接起來(lái)形成，提高了原RFID的靈活性，使原來(lái)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(xiě)距離，并將傳感器嵌入到主動(dòng)式RFID標簽中，使閱讀器既可以讀取物品信息，又可以檢測物品的周?chē)h(huán)境。

　　射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，具有非接觸、安全性高、傳輸速度快、支持多目標識別的特點(diǎn)。隨著(zhù)超大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，RFID設備的成本大大降低，RFID技術(shù)逐漸走向實(shí)用，在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。RFID讀取距離遠，可以寫(xiě)入及存取數據，實(shí)現標簽的內容動(dòng)態(tài)改變；能夠同時(shí)處理多個(gè)標簽；標簽的數據存取有密碼保護，安全性更高；可以對RFID標簽所附著(zhù)的物體進(jìn)行追蹤定位。 RFID系統主要由2部分構成：標簽和閱讀器。電子標簽成功地解決了無(wú)源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。標簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標簽具有唯一的電子編碼，附著(zhù)在物體上標識目標對象和物體信息，也可附加記憶存儲一些額外的信息，如產(chǎn)品的名稱(chēng)、產(chǎn)品類(lèi)型等。依據電子標簽供電方式不同，分為有源電子標簽和無(wú)源電子標簽。無(wú)源電子標簽在閱讀器的讀出范圍之內時(shí)，電子標簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。有源電子標簽的工作電源完全由內部電池供給，標簽電池的能量供應也部分地轉換為電子標簽與閱讀器通訊所需的射頻能量，從而將標簽內的數據發(fā)射出去或者接收閱讀器的數據。再將這些信息傳送給后臺的應用系統進(jìn)行處理。

　　ZigBee技術(shù)是～種近距離、低復雜度、低功耗低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合子自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)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)并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802．15．4（無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)）協(xié)議標準，但在此基礎上進(jìn)行了完善和擴展。ZigBee是以一個(gè)個(gè)獨立的工作節點(diǎn)為依托通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，因此，每個(gè)節點(diǎn)的功能并非都相同，分為精簡(jiǎn)功能設備和全功能設備：精簡(jiǎn)功能設備從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集；而另外還有一些節點(diǎn)稱(chēng)之為全功能設備（也稱(chēng)為協(xié)調器），負責與所控制的子節點(diǎn)通信、匯集數據和發(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。即使采用內部帶電池的主動(dòng) RFID標簽，標簽可以主動(dòng)發(fā)射信號，可同時(shí)識別多個(gè)目標，主動(dòng)標簽的識別距離是可調的（一般是1～30m），但其距離仍然有限；可以將其連入有線(xiàn)網(wǎng)中，但有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需要布線(xiàn)，不能隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)，安裝不方便。這些對RFID的應用是一個(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊，而ZigBee協(xié)議優(yōu)勢明顯，因此，在設計方案時(shí)，IEEE802．15．4標準和ZigBee協(xié)議是首選的協(xié)議標準，采用2．4 GHz的全球通用頻段。本文將ZigBee與RFID結合起來(lái)構建一套基于ZigBee技術(shù)的RFID網(wǎng)絡(luò )，利用前者高達100m的有效半徑，擴大 RFID的讀寫(xiě)范圍，將有極其廣闊的應用前景［1］。由此把RFID技術(shù)由采集單純節點(diǎn)方式的信息方式推廣到在無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)絡(luò )中自組網(wǎng)、協(xié)同操作的應用，可以實(shí)現對物品的跟蹤、定位，對物品周?chē)h(huán)境的監測，在無(wú)線(xiàn)狀態(tài)下盤(pán)點(diǎn)物品等，為最終實(shí)現“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

　　RFID相關(guān)協(xié)議中只規定了通信的空氣接1：3，而ZigBee具有相對完善的通信組網(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(guò)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。通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )中的每臺設備都可以直接進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的轉發(fā)而連接到其它設備，這樣節省了大量有線(xiàn)設備的連接，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證模式。

　　用ZigBee技術(shù)來(lái)對RFID閱讀器進(jìn)行組網(wǎng)，與傳統的閱讀器網(wǎng)絡(luò )相比，采用ZigBee技術(shù)優(yōu)勢有：一是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不需布線(xiàn)，安裝方便；二是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )更加靈活，可以根據具體的情況隨時(shí)隨地將RFID連入網(wǎng)絡(luò )；三是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理容易，通過(guò)軟件設置即可；四是網(wǎng)絡(luò )重建快速，網(wǎng)絡(luò )的擴展簡(jiǎn)單，一旦某個(gè)節點(diǎn)出現問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)其它節點(diǎn)傳輸數據，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系統網(wǎng)絡(luò )構方法

　　首先采用RFID中主動(dòng)電子標簽與傳感器結合。傳感器一般不關(guān)心物品的信息，它關(guān)注的是所標識的物體周?chē)h(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 )，當應用中需要時(shí)。傳感器可獲取物理世界的數據，可以將網(wǎng)絡(luò )的主要精力集中到數據上，當需要具體的考慮到某個(gè)具體節點(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簽中將兩者進(jìn)行有機結合，可以將物理世界與現有的信息世界進(jìn)行良好的融合，從根本上改變現有的IT系統?。這一切為新的應用奠定了良好的基礎。

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

　　圖1超級標簽原理

　　采用主動(dòng)RFID后，標簽內部帶電池，主動(dòng)發(fā)射信號，手持式閱讀器可以不主動(dòng)發(fā)射功率，同時(shí)識別多個(gè)目標。系統由主動(dòng)式標簽和傳感器組成的超級標簽會(huì )周期性地傳輸經(jīng)過(guò)微處理器處理的數據，閱讀器就會(huì )讀取在讀取范圍內超級標簽內的數據信息。閱讀器會(huì )針對標簽中的信息進(jìn)行處理，然后將信息傳輸到計算機上 （圖2）。

　　圖2 RFID系統

　　傳統的RFID網(wǎng)絡(luò )是單跳網(wǎng)絡(luò )并且在這個(gè)區域內包含了大量的標簽和多個(gè)手持式閱讀器，當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(xiě)器以自組織網(wǎng)的方式連接起來(lái)，構建RFID讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現高效、快速地讀取標簽上的信息，同時(shí)簡(jiǎn)化了組網(wǎng)的過(guò)程，每個(gè)RFID閱讀器上收集到的標簽數據可以快速地傳輸到控制計算機上，而且RFID閱讀器間可以實(shí)時(shí)地交換收集到的標簽信息，可以擴展出更多新的應用。如圖3所示，每個(gè)RFID閱讀器中嵌入ZigBee模塊，達到多個(gè)閱讀器之間無(wú)線(xiàn)連接組網(wǎng)，相互之間通信，交換超級標簽中的內容，這樣就使讀寫(xiě)距離增大，實(shí)現數據的多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)采集和傳輸的目的。由于各個(gè)手持設備是可移動(dòng)的，彼此之間的聯(lián)絡(luò )會(huì )發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò )的結構會(huì )隨時(shí)變化，模塊之間必須重新尋找通信對象，對原有網(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，具有快速適應動(dòng)態(tài)鏈路環(huán)境，較低的處理和內存開(kāi)銷(xiāo)以及支持多播的特點(diǎn)。路由算法具有自主學(xué)習和發(fā)現拓撲的能力，可以自動(dòng)進(jìn)行修復。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)移動(dòng)終端都是全功能設備，都有路由功能，它們與協(xié)調器進(jìn)行通信。最終形成一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的多點(diǎn)自動(dòng)識別、智能無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)的RFID識別系統。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)采集數據，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 結束語(yǔ)

　　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(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)結合起來(lái)構建一套基于ZigBee 技術(shù)的RFID系統網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)將傳感器嵌入到標簽中。此系統擴大了RFID的讀寫(xiě)范圍，既可以識別物品，又可以監測物品周?chē)h(huán)境的信息，為實(shí)現定位跟蹤，監測物品狀況等打下了基礎。這些技術(shù)協(xié)同應用，可以為最終實(shí)現“物聯(lián)網(wǎng)”提供有力的技術(shù)保障。