蹇文軍

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

“物聯(lián)網(wǎng)”是近年來出現(xiàn)的一個新概念。由于“物聯(lián)網(wǎng)”在技術(shù)上具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ诮?jīng)濟領(lǐng)域中具有功能，它將給人們的社會生活帶來巨大的變化。目前已成為信息產(chǎn)業(yè)最突出的熱點之一。射頻識別技術(shù)是“物聯(lián)網(wǎng)”中的關(guān)鍵信息感知技術(shù)之一，具有讀取速度快、操作方便、動作距離遠等特點。我國作為世界上最大的制造國，必須重視RFID技術(shù)在貨物管理中的重要作用，關(guān)注“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的巨大市場空間，促進RFID技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

由于RFID技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于識別物品的能力，多數(shù)時候，例如在高速公路上，在交通管理中，在包裹跟蹤中，在貨物記錄中，在航空行李管理中，在防盜車系統(tǒng)中，人們需要標(biāo)簽，以獲得更多的信息，追蹤標(biāo)簽的位置，也就是說，如果將物聯(lián)網(wǎng)與人體相比較，RFID可以被看作是“眼睛”，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）被看作是“皮膚”，前者用讀卡器識別物體，后者用傳感器跟蹤物體的狀態(tài)，實現(xiàn)對整個物體的監(jiān)控。介紹了一個基于 RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) WSID （wireless sensor Identification，WSID）識別平臺，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中間件進行了詳細說明。本論文相對于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新穎的技術(shù)和硬件設(shè)計，包括雙頻雙協(xié)議讀卡器、傳感器網(wǎng)關(guān)、智能標(biāo)簽及工作模式。并給出了軟件設(shè)計方案和數(shù)據(jù)格式。在“物聯(lián)網(wǎng)”中，WSID識別平臺實現(xiàn)識別、感知、聯(lián)網(wǎng)和定位等功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一個多點自動識別的智能無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)從底層到頂層可分為四個層次：檢測層、監(jiān)控層、管理層和備份接口。

這個檢測器有兩個功能實體：2.4GHz智能標(biāo)簽和915MHz RFID標(biāo)簽。SmartMarket tag被部署在一個固定的位置，負(fù)責(zé)收集WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的多種數(shù)據(jù)。在兩個節(jié)點之間采用樹形地址分配機制，實現(xiàn)了對新路由函數(shù)的自動選擇，以傳送采集數(shù)據(jù)。本論文第四部分研究了智能標(biāo)簽與讀取器或無線傳感器網(wǎng)關(guān)三種通信方式。RFID標(biāo)簽放在物料上或由監(jiān)控區(qū)域的人員攜帶。RF識別標(biāo)簽儲存的資料種類、序列號、人員編號等必需的資料，也可通過手持讀卡器或固定讀卡器讀取。采用RFID標(biāo)簽進一步提高了運動目標(biāo)的信息采集能力。

監(jiān)測層設(shè)有固定/手持式讀卡器和無線傳感網(wǎng)關(guān)。雙頻閱讀器能夠讀取智能標(biāo)簽和RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。它收集各種不同的數(shù)據(jù)并發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)關(guān)。WSI網(wǎng)關(guān)可以對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，也就是說，比較預(yù)設(shè)的閾值，在正常情況下，將數(shù)據(jù)存儲起來，定期發(fā)送給監(jiān)控中心。如數(shù)據(jù)值超過預(yù)定閾值，立即報警，并通過以太網(wǎng)或GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)測中心發(fā)送數(shù)據(jù)。利用MAC地址和GIS系統(tǒng)對智能標(biāo)簽進行精確定位；論文第四節(jié)將討論具體的交流形式。

管理部門包括監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。監(jiān)測中心的主要功能是分析、處理無線傳感器網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，通過GIS系統(tǒng)將標(biāo)簽的位置顯示在電子地圖上，實現(xiàn)實時監(jiān)測和位置跟蹤。Dataserver是一個數(shù)據(jù)庫，用于存儲網(wǎng)絡(luò)中來自標(biāo)簽或讀取器的各種數(shù)據(jù)。在為各個子系統(tǒng)提供不同的相關(guān)數(shù)據(jù)庫接口的同時，應(yīng)用服務(wù)器還提供了完整的關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫擴展功能，以保證對系統(tǒng)的訪問。通過WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持手持式閱讀器收集移動數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和可移動性。

WSID網(wǎng)關(guān)是WSID網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，它包括GPRS/CDMA和以太網(wǎng)兩個接口，進一步提高了網(wǎng)絡(luò)的擴展性和適應(yīng)性。

在物流領(lǐng)域，WSID網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，其中一個很好的例子是它可以應(yīng)用到電子鎖系統(tǒng)中。這種裝有全球惟一標(biāo)識號的RFID芯片的電子鎖被固定在集裝箱上。貨車和車站都有記錄沿途集裝箱信息的讀卡器，當(dāng)貨車和集裝箱抵達碼頭時，讀卡器就會讀取這些信息，全部送到無線傳感網(wǎng)關(guān)，然后送到監(jiān)控中心。

圖1 RFID消息傳遞示意圖

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 無線傳感網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、控制中心和執(zhí)行器的紐帶，其主要功能是收集、分析和整合來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能標(biāo)簽數(shù)據(jù)，接收來自控制中心和用戶的因特網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)的指令并作出相應(yīng)的反應(yīng)。在WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)主要有兩個功能：（1）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測：WSID不僅有很強的通信能力，而且還具有處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)數(shù)據(jù)的智能性。（2）安全防護：無線傳感器網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進行比較，如果數(shù)據(jù)正常，則儲存起來，定期上傳到控制中心。不然立即報警。下圖顯示了無線傳感器網(wǎng)關(guān)的各個功能模塊。單片機負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個模塊的工作，處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對信息的處理算法。實現(xiàn)了與其他智能標(biāo)簽及控制器的通信。使用FlashRoM存儲數(shù)據(jù)，確保在意外停電的情況下數(shù)據(jù)不會丟失。內(nèi)存是用來存儲處理過的數(shù)據(jù)或其他臨時數(shù)據(jù)。輸入輸出接口包括通用輸入輸出接口、SPI接口、I2C接口和UART接口。通信模塊通過以太網(wǎng)或CDMA/GSM無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心通信；該顯示模塊包含設(shè)備運行狀態(tài)提示。

3.2 雙頻射頻識別讀卡器

該讀寫器在WSID異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中由處理器，SDRAM，RAM和閃存電路，射頻模塊以及外部接口電路組成。采用ARM（LPC2292）+DSP（TMS320VC5407）處理器，設(shè)計讀卡器，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信號處理能力。閱讀器采用ARMLPC2292主控處理器，對系統(tǒng)進行管理和通信。而DSPTMS320VC5407則是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的協(xié)處理器。這個任務(wù)分區(qū)可以充分發(fā)揮主處理器和協(xié)處理器對數(shù)據(jù)的處理能力，使數(shù)據(jù)熟悉度和信號處理能力最大化。

3.3 智能RFID節(jié)點

智能RFID節(jié)點是WSID異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)特有的技術(shù)。傳統(tǒng)的主動式RFID標(biāo)簽不僅需要讀卡器安裝在固定位置，而且需要讀卡器天線的位置和方向的精確計算，極大地限制了讀卡器的靈活性。而在WSID異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，智能標(biāo)簽通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與讀寫器進行通信，通信距離可以達到100米，可以實現(xiàn)定位功能。精度達到0.15米。其設(shè)計強調(diào)整合和普及。由于溫度是一個非常重要的環(huán)境參數(shù)，本設(shè)計采用數(shù)字單總線作為溫度傳感器接口（可連接DS1820型溫度傳感器）。同時保留了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器模擬輸入接口（4-20mA，1-5V），可配合多種傳感器使用，滿足不同的應(yīng)用要求。采用高集成的射頻接口芯片，將單片機、FLASH和RF電路集成在一起，大大提高了系統(tǒng)的集成度，降低了功耗。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，世界各國都在積極探索物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用，為推動物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，還需要進行大量的工作。一是實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。強化國際合作，開展研究與開發(fā)，深化公共領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的合作，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化，示范，推廣。這些標(biāo)準(zhǔn)包括物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)準(zhǔn)和其他相關(guān)方面的標(biāo)準(zhǔn)，并堅持與國際標(biāo)準(zhǔn)同步推進國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。