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ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2011/05/19
　      引言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到越來(lái)越多的重視。2003年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》提出物聯(lián)網(wǎng)將是未來(lái)改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首，物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用電子商品代碼EPC、RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造的一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的信息網(wǎng)絡(luò)，是獨(dú)立于EPC系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本，另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。

　　ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE 802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它使用頻段是全球通用的2．4GHz，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在IEEE 802．15．4物理層(PHY)和標(biāo)準(zhǔn)媒體訪問(wèn)控制層(MAC)上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù)，ZigBee聯(lián)盟聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建，對(duì)促進(jìn)研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研對(duì)接也具有十分重要的意義，為最終實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了一條簡(jiǎn)單、可行的途徑。

　　1 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心關(guān)鍵就是射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)，基本的RFID系統(tǒng)至少包含閱讀器(Reader)和RFID標(biāo)簽(Tag)，它具有讀取速度快、存儲(chǔ)空間大、工作距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、工作環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、可重復(fù)使用等多種優(yōu)勢(shì)。RFID標(biāo)簽由芯片與天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，標(biāo)簽附著在物體上以表示目標(biāo)對(duì)象。

　　物聯(lián)網(wǎng)另一個(gè)重要技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，Zi-gBee技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著良好的應(yīng)用前景。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在3種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：星型、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE802．15．4定義的物理層(PHY)和媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)架構(gòu)。

　　ZigBee硬件電路上采用TI/Chipcon公司開(kāi)發(fā)的2．4GHz IEEE 802．15．4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2430/CC2431無(wú)線單片機(jī)。它免費(fèi)提供ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的全面兼容的IEEE．80215．4—2003協(xié)議規(guī)范和ZigBee 2006協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧源代碼和開(kāi)發(fā)文檔，集單片機(jī)仿真器、編程器、ZigBee協(xié)議分析儀、圖片點(diǎn)陣LCD顯示屏、高性能語(yǔ)音電路、Joystick及幾種典型模擬組件為一體的開(kāi)發(fā)母版，實(shí)現(xiàn)TI/Chipeon公司提供的ZigBee開(kāi)發(fā)軟件的完全無(wú)縫連接。CC2430整合了2．4GHz IEEE 802．15．4/ZigBee RF收發(fā)機(jī)CC2420以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU的卓越性能，還包括了8KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他強(qiáng)大特性。CC2430在接收機(jī)傳輸模式下的電流損耗為25 mA，使得RFID成為針對(duì)超長(zhǎng)電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。ZigBee嵌入RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)的電路圖如圖所示?！?br />


ZigBee嵌入RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)的電路圖

　　在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)中還有GPS和GPRS模塊，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是一種以空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無(wú)線電導(dǎo)航的全球定位系統(tǒng)，在全球任何地方以及近地空間能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時(shí)間信息。GPS系統(tǒng)由3大部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分。GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，位于第二代(2G)和第三代(3G)移動(dòng)通信技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，它只通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻比GSM網(wǎng)絡(luò)快得多。GPRS模塊利用手機(jī)模塊和SIM卡，把GPS定位到的數(shù)據(jù)進(jìn)行短消息發(fā)送，告知對(duì)方物品所在的位置?！?br />
　　2 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件設(shè)計(jì)中使用IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是一套高精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開(kāi)發(fā)工具，具有高度優(yōu)化的C/C++編譯器、高性能的C-SPY調(diào)試器和硬件調(diào)試工具，支持RTOS內(nèi)核識(shí)別調(diào)試，提供現(xiàn)成的代碼流程，使二次開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)便快捷。另外，ZigBee協(xié)議分析儀軟件Packet Sniffer可以對(duì)空氣中的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)、過(guò)濾和數(shù)據(jù)解碼，并將按照一定的數(shù)據(jù)包格式顯示在GUI界面中，也可以將這些數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件格式存儲(chǔ)。Z-Location Engine是專為CC2430無(wú)線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖形監(jiān)視軟件，可以實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的上位機(jī)實(shí)時(shí)定位監(jiān)控，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)修改和配置，以及定位電子地圖顯示和更新功能。

　　3 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電子標(biāo)簽EPC(也稱應(yīng)答器)為防止不必要的損耗，應(yīng)答器平時(shí)處于低功耗睡眠模式。閱讀器在讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)是通過(guò)天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)EPC電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀取范圍時(shí)，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取工作所需的電能后被激活，進(jìn)人工作狀態(tài)，向閱讀器發(fā)送自身的編碼等EPC信息，閱讀器在接收到來(lái)自電子標(biāo)簽的載波信息后，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后，將其信息送至數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)進(jìn)行處理，RFID數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件Savant系統(tǒng)。另外讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)容易發(fā)生“沖突”，就是同時(shí)有兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入讀卡器讀取范圍，都向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突。目前，有數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和防碰撞算法(ALOHA)兩種方法解決這個(gè)問(wèn)題，其中ALOHA是一種時(shí)分多址存取方式，

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　設(shè)計(jì)由參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的定位系統(tǒng)，將參考節(jié)點(diǎn)布置在一定的區(qū)域。本次選擇兩組，一組10個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中2個(gè)測(cè)試用，另一組20個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中4個(gè)測(cè)試用。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)把定位信息通過(guò)上位機(jī)顯示出來(lái)。通過(guò)多次改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后與實(shí)際位置進(jìn)行比較，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)位置在區(qū)域中心，定位相對(duì)準(zhǔn)確，邊緣位置定位誤差相對(duì)大些。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，定位精度還與所在的環(huán)境有關(guān)，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(duì)較低。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文在充分考慮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)有狀況和深入分析技術(shù)難題的前提下，把RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技術(shù)融合在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，構(gòu)建一套基于ZigBee技術(shù)無(wú)線射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)，提高了閱讀器的讀取能力、防沖突能力和組網(wǎng)能力，但是在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中還有許多問(wèn)題(如RFID的ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)，RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院瓦h(yuǎn)距離識(shí)別、抗干擾能力等)亟待解決。隨著RFID、ZigBee、GPS等技術(shù)不斷的發(fā)展，不斷的更新，它們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)將更為突出，將更好地改善人們的生活。
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