物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和組成及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景

摘要：在深入理解物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)RFID原理后，提出將ZigBee技術(shù)、GPS技術(shù)融進(jìn)RFID技術(shù)中，形成一個(gè)基于ZigBee、GPS的多點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別、智能無(wú)線組網(wǎng)和實(shí)時(shí)定位的RFID識(shí)別系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在該平臺(tái)中詳細(xì)介紹了RFID和ZigBee等各個(gè)模塊原理及其應(yīng)用，同時(shí)解決了閱讀器在讀取EPC電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)易出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題，并闡述了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的主要優(yōu)勢(shì)。

引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)全球化、工業(yè)自動(dòng)化和信息化的進(jìn)程不斷深入，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用的領(lǐng)域逐漸增多，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引起了人們?cè)絹?lái)越多的重視。物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義就是物與物相連形成的網(wǎng)絡(luò)，它們之間進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。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。物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在物流管理、智能交通系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理和工廠、樓宇、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)，可以降低管理成本，提高管理的有效性和設(shè)備、危險(xiǎn)場(chǎng)合的安全性。

本文詳細(xì)介紹物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和組成，描述每個(gè)模塊的基本原理和功能，同時(shí)在射頻識(shí)別系統(tǒng)中嵌入ZigBee模塊，提高了物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信和組網(wǎng)能力，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到更好的發(fā)展和應(yīng)用，之后系統(tǒng)介紹物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景，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)基本原理

物聯(lián)網(wǎng)一般由3大部分組成，即射頻識(shí)別RFID系統(tǒng)、中間件Savant系統(tǒng)和Internet系統(tǒng)。其中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)系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

2 RFID系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心關(guān)鍵就是射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)。一般的RFID系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)答器(電子標(biāo)簽EPC)和高層等部分組成，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)。電子標(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。RFID閱讀器的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別信息進(jìn)行處理，之后閱讀器把接收到的數(shù)據(jù)整合處理傳送給計(jì)算機(jī)。高層是信息管理系統(tǒng)和決策系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的加工、分析和挖掘，為正確決策提供依據(jù)。RFID在票務(wù)系統(tǒng)(城市公交車、高速公路收費(fèi)、門票等)，收費(fèi)卡，城市交通管理，安檢門禁，物流，家政，食品安全追溯，藥品，礦井生產(chǎn)安全，防盜，防偽，證件，集裝箱識(shí)別，動(dòng)物追蹤，運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)，生產(chǎn)自動(dòng)化，商業(yè)供應(yīng)鏈等眾多領(lǐng)域獲得廣泛重視和應(yīng)用。RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 ZigBee模塊

ZigBee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)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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)。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)。它采用DSSS擴(kuò)頻技術(shù)，使用的頻段是2.45 GHz的超高頻段，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快，同時(shí)可以提高閱讀器的工作距離，主要適合于自動(dòng)控制、無(wú)線傳感器、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，還支持地理定位功能。本文把ZigBee模塊嵌入到RFID系統(tǒng)中，具有更可靠的安全性和更好的組網(wǎng)特性。

4 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，是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式，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，卻得到的用戶數(shù)據(jù)速率比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。

5 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閱讀器通過(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，從而使EPC電子標(biāo)簽獲得能量被激活并向閱讀器發(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，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后，會(huì)將其信息送至計(jì)算機(jī)中的中間件Savant系統(tǒng)軟件進(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)。另外在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)中如果想知道某個(gè)物品的位置時(shí)，只需通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出查詢信號(hào)，各子模塊接收到查詢信息后，通過(guò)RFID讀寫器閱讀自身的RFID信息，并與中心傳遞的編碼相比較，確認(rèn)是否是詢問(wèn)自己。接著從GPS系統(tǒng)中讀取自己的地理位置信息，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將位置信號(hào)傳送給控制中心，從而掌握物品所在位置。另外在這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)中還得注意防沖突技術(shù)。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的EPC電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀取范圍時(shí)，它們都接收到閱讀器的查詢指令，它們會(huì)同時(shí)發(fā)送響應(yīng)，這樣造成閱讀器之間的信號(hào)沖突，使閱讀器無(wú)法檢測(cè)到正確的信號(hào)，即發(fā)生了碰撞。因此，必須在閱讀器和電子標(biāo)簽之間建立防碰撞協(xié)議，以便閱讀器檢測(cè)到一個(gè)EPC電子標(biāo)簽。防止碰撞一般有數(shù)據(jù)檢驗(yàn)(差錯(cuò)檢測(cè))和防碰撞算法兩種方法。這里采用差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)，它采用多路存取技術(shù)，使RFID系統(tǒng)中閱讀器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)能夠完整的傳輸和識(shí)別。

6 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用先進(jìn)的RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)，把它們?nèi)诤掀饋?lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的性能。其主要優(yōu)勢(shì)在于：在RFID技術(shù)中嵌入ZigBee技術(shù)，使閱讀器的讀取范圍更廣、讀取速度更快、時(shí)延更小、成本更低，使多臺(tái)RFID閱讀器無(wú)線聯(lián)接組網(wǎng)或者與其他儀器更方便，設(shè)備及不同協(xié)議讀寫器之間聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)無(wú)線采集和傳輸?shù)哪康模罱K形成一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的多點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別、智能無(wú)線組網(wǎng)的RFID識(shí)別系統(tǒng)。另外融合了GPS和GPRS技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)通信更方便，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好的推廣和使用提供了一種新的途徑。

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、防碰撞能力和組網(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)題亟待解決，如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全保密和遠(yuǎn)距離識(shí)別、抗干擾能力等。隨著RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，它們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)將更為突出，將更好地改善我們的生活。