一種基于ZigBee技術的RFID系統(tǒng)網絡構建方法

　　摘要：將ZigBee技術與無線射頻識別技術（RFID）相結合構建一套基于 ZigBee技術的RFID手持式讀寫器網絡。RFID手持式讀寫器網絡以自組織網的方式連接起來形成，提高了原RFID的靈活性，使原來的網絡由單跳網絡變?yōu)槎嗵W絡，增加了原RFID的讀寫距離，并將傳感器嵌入到主動式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圍環(huán)境。

　　射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種利用無線通信技術實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術，具有非接觸、安全性高、傳輸速度快、支持多目標識別的特點。隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，RFID設備的成本大大降低，RFID技術逐漸走向實用，在眾多領域獲得了廣泛的應用。RFID讀取距離遠，可以寫入及存取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)標簽的內容動態(tài)改變；能夠同時處理多個標簽；標簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護，安全性更高；可以對RFID標簽所附著的物體進行追蹤定位。 RFID系統(tǒng)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源和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著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，如產品的名稱、產品類型等。依據(jù)電子標簽供電方式不同，分為有源電子標簽和無源電子標簽。無源電子標簽在閱讀器的讀出范圍之內時，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(shù)據(jù)發(fā)射出去或者接收閱讀器的數(shù)據(jù)。再將這些信息傳送給后臺的應用系統(tǒng)進行處理。

　　ZigBee技術是～種近距離、低復雜度、低功耗低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合子自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。ZigBee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802．15．4（無線個人區(qū)域網）協(xié)議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。ZigBee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡，因此，每個節(jié)點的功能并非都相同，分為精簡功能設備和全功能設備：精簡功能設備從組網通信上，它只是其功能的一個子集；而另外還有一些節(jié)點稱之為全功能設備（也稱為協(xié)調器），負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)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 RFID標簽，標簽可以主動發(fā)射信號，可同時識別多個目標，主動標簽的識別距離是可調的（一般是1～30m），但其距離仍然有限；可以將其連入有線網中，但有線網絡需要布線，不能隨時隨地聯(lián)網，安裝不方便。這些對RFID的應用是一個極大的限制。本文采用手持式閱讀器，RFID手持式閱讀器之間需要一個無線網絡，實現(xiàn)無線通訊，而ZigBee協(xié)議優(yōu)勢明顯，因此，在設計方案時，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結合起來構建一套基于ZigBee技術的RFID網絡，利用前者高達100m的有效半徑，擴大 RFID的讀寫范圍，將有極其廣闊的應用前景［1］。由此把RFID技術由采集單純節(jié)點方式的信息方式推廣到在無線個域網絡中自組網、協(xié)同操作的應用，可以實現(xiàn)對物品的跟蹤、定位，對物品周圍環(huán)境的監(jiān)測，在無線狀態(tài)下盤點物品等，為最終實現(xiàn)“物聯(lián)網”提供了有力的技術保證。

　　1 RFID與ZigBee技術融合的可行性和組網優(yōu)勢

　　RFID相關協(xié)議中只規(guī)定了通信的空氣接1：3，而ZigBee具有相對完善的通信組網協(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。通過自組織網絡協(xié)議，網絡中的每臺設備都可以直接進行無線通信，或者通過網絡的轉發(fā)而連接到其它設備，這樣節(jié)省了大量有線設備的連接，網絡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技術來對RFID閱讀器進行組網，與傳統(tǒng)的閱讀器網絡相比，采用ZigBee技術優(yōu)勢有：一是無線網絡不需布線，安裝方便；二是無線網絡比有線網絡更加靈活，可以根據(jù)具體的情況隨時隨地將RFID連入網絡；三是無線網絡管理容易，通過軟件設置即可；四是網絡重建快速，網絡的擴展簡單，一旦某個節(jié)點出現(xiàn)問題?？梢酝ㄟ^其它節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，隨時隨地將新的RFID閱讀器加入網絡中。

　　2基于ZigBee技術的RFID系統(tǒng)網絡構方法

　　首先采用RFID中主動電子標簽與傳感器結合。傳感器一般不關心物品的信息，它關注的是所標識的物體周圍環(huán)境的情況，如溫濕度、pH值、血壓值等。信息被 RFID閱讀器讀出，閱讀器可以組成網絡，當應用中需要時。傳感器可獲取物理世界的數(shù)據(jù)，可以將網絡的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當需要具體的考慮到某個具體節(jié)點的信息的時候，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行有機結合，可以將物理世界與現(xiàn)有的信息世界進行良好的融合，從根本上改變現(xiàn)有的IT系統(tǒng)?。這一切為新的應用奠定了良好的基礎。

　　采用主動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，各個傳感器會獨立并且周期性的采集數(shù)據(jù)，經A／D轉換后變成原始數(shù)據(jù)。在被閱讀器讀取數(shù)據(jù)之前，微處理器會處理這些原始的數(shù)據(jù)。這個超級標簽可以感知貼有標簽物體周圍的環(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，閱讀器會連帶這些信息一起讀出。

　　圖1超級標簽原理

　　采用主動RFID后，標簽內部帶電池，主動發(fā)射信號，手持式閱讀器可以不主動發(fā)射功率，同時識別多個目標。系統(tǒng)由主動式標簽和傳感器組成的超級標簽會周期性地傳輸經過微處理器處理的數(shù)據(jù)，閱讀器就會讀取在讀取范圍內超級標簽內的數(shù)據(jù)信息。閱讀器會針對標簽中的信息進行處理，然后將信息傳輸?shù)接嬎銠C上 （圖2）。

　　圖2 RFID系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的RFID網絡是單跳網絡并且在這個區(qū)域內包含了大量的標簽和多個手持式閱讀器，當RFID與ZigBee融合在一起，可形成多跳網絡，使各個閱讀器之間可以相互通信。在每個RFID閱讀器中嵌入ZigBee模塊，讀寫器以自組織網的方式連接起來，構建RFID讀寫器網絡，實現(xiàn)高效、快速地讀取標簽上的信息，同時簡化了組網的過程，每個RFID閱讀器上收集到的標簽數(shù)據(jù)可以快速地傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C上，而且RFID閱讀器間可以實時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RFID閱讀器中嵌入ZigBee模塊，達到多個閱讀器之間無線連接組網，相互之間通信，交換超級標簽中的內容，這樣就使讀寫距離增大，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點無線采集和傳輸?shù)哪康?。由于各個手持設備是可移動的，彼此之間的聯(lián)絡會發(fā)生變化，網絡的結構會隨時變化，模塊之間必須重新尋找通信對象，對原有網絡進行刷新，所以采用了自組織網絡。在網絡層使用AODVjr路由協(xié)議，矢量路徑選擇基于能量的因素，具有快速適應動態(tài)鏈路環(huán)境，較低的處理和內存開銷以及支持多播的特點。路由算法具有自主學習和發(fā)現(xiàn)拓撲的能力，可以自動進行修復。這個網絡中每個移動終端都是全功能設備，都有路由功能，它們與協(xié)調器進行通信。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RFID識別系統(tǒng)。這個網絡有兩個特點：一個是RFID閱讀器可以移動采集數(shù)據(jù)，二是整個形成的網絡可以移動。

　　圖3 RFID與ZigBee網絡

　　3 結束語

　　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和無線射頻識別技術結合起來構建一套基于ZigBee 技術的RFID系統(tǒng)網絡，同時將傳感器嵌入到標簽中。此系統(tǒng)擴大了RFID的讀寫范圍，既可以識別物品，又可以監(jiān)測物品周圍環(huán)境的信息，為實現(xiàn)定位跟蹤，監(jiān)測物品狀況等打下了基礎。這些技術協(xié)同應用，可以為最終實現(xiàn)“物聯(lián)網”提供有力的技術保障。