ZigBee技术在物联网系统中的应用研究

摘要：在深入理解物联网核心技术RFID之后，提出将ZigBee和GPS技术融进射频识别RFID读卡器中，形成一个多点自动识别、智能无线组网和实时定位的RFID识别系统的物联网开发平台。详细介绍了该平台中系统硬件部分和软件部分，同时运用ALOHA算法解决了阅读器在读取EPC电子标签数据时易出现“冲突”现象的问题。通过实验验证，该系统定位效果好，实用性强。

引言

随着互联网技术、无线传感技术、信息处理技术的快速发展，物联网技术得到越来越多的重视。2003年，美国《技术评论》提出物联网将是未来改变人们生活的十大技术之首，物联网是在计算机互联网的基础上，利用电子商品代码EPC、RFID、无线数据通信等技术，构造的一个覆盖世界上万事万物的信息网络，是独立于EPC系统和互联网技术整合的产物。物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本，另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

ZigBee技术是一组基于IEEE 802．15．4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。它使用频段是全球通用的2．4GHz，该标准定义了在IEEE 802．15．4物理层(PHY)和标准媒体访问控制层(MAC)上的网络层及支持的应用服务，ZigBee联盟联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。物联网开发平台的搭建，对促进研究成果的转化和产学研对接也具有十分重要的意义，为最终实现“物联网”提供了一条简单、可行的途径。

1 物联网开发平台硬件设计

物联网技术核心关键就是射频识别技术(RFID)，基本的RFID系统至少包含阅读器(Reader)和RFID标签(Tag)，它具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、工作环境适应强、可重复使用等多种优势。RFID标签由芯片与天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，标签附着在物体上以表示目标对象。射频识别RFID系统框架如图1所示。



物联网另一个重要技术是无线传感网络技术，ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络，Zi-gBee技术以其经济、可靠、高效等优点在物联网技术中有着良好的应用前景。

ZigBee网络存在3种逻辑设备类型：协调器、路由器和终端设备。ZigBee网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成。ZigBee网络的拓扑结构主要有3种：星型、树状和网状网络结构。ZigBee协议规范使用了IEEE802．15．4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问控制层(MAC)，并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。ZigBee协议的体系结构如图2所示。

ZigBee硬件电路上采用TI/Chipcon公司开发的2．4GHz IEEE 802．15．4/ZigBee片上系统解决方案CC2430/CC2431无线单片机。它免费提供ZigBee联盟认证的全面兼容的IEEE．80215．4—2003协议规范和ZigBee 2006协议规范的协议栈源代码和开发文档，集单片机仿真器、编程器、ZigBee协议分析仪、图片点阵LCD显示屏、高性能语音电路、Joystick及几种典型模拟组件为一体的开发母版，实现TI/Chipeon公司提供的ZigBee开发软件的完全无缝连接。CC2430整合了2．4GHz IEEE 802．15．4/ZigBee RF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能，还包括了8KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他强大特性。CC2430在接收机传输模式下的电流损耗为25 mA，使得RFID成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。ZigBee嵌入RFID射频识别系统的电路图如图3所示。



在物联网开发平台系统中还有GPS和GPRS模块，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的全球定位系统，在全球任何地方以及近地空间能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS系统由3大部分组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，它只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，得到的用户数据速率却比GSM网络快得多。GPRS模块利用手机模块和SIM卡，把GPS定位到的数据进行短消息发送，告知对方物品所在的位置。

2 物联网开发平台软件设计

在软件设计中使用IAR Embedded Workbench开发环境，它是一套高精密且使用方便的嵌入式应用编程开发工具，具有高度优化的C/C++编译器、高性能的C-SPY调试器和硬件调试工具，支持RTOS内核识别调试，提供现成的代码流程，使二次开发更加简便快捷。另外，ZigBee协议分析仪软件Packet Sniffer可以对空气中的无线信号进行监听、过滤和数据解码，并将按照一定的数据包格式显示在GUI界面中，也可以将这些数据以二进制文件格式存储。Z-Location Engine是专为CC2430无线定位系统设计的系统图形监视软件，可以实现ZigBee无线网络定位系统的上位机实时定位监控，对系统各个节点进行参数修改和配置，以及定位电子地图显示和更新功能。

3 物联网开发平台系统设计

物联网开发平台系统结构框图如图4所示。



电子标签EPC(也称应答器)为防止不必要的损耗，应答器平时处于低功耗睡眠模式。阅读器在读取电子标签数据是通过天线发送一定频率的射频信号，当EPC电子标签进入阅读器读取范围时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取工作所需的电能后被激活，进人工作状态，向阅读器发送自身的编码等EPC信息，阅读器在接收到来自电子标签的载波信息后，并对接收信号进行解调和解码后，将其信息送至数据交换和管理系统进行处理，RFID数据交换和系统管理软件主要包括介于阅读器和工厂计算机应用系统之间的中间件Savant系统。另外读卡器在读取数据时容易发生“冲突”，就是同时有两个或多个标签进入读卡器读取范围，都向读卡器发送数据，从而使读卡器在读取数据时发生冲突。目前，有数据检验和防碰撞算法(ALOHA)两种方法解决这个问题，其中ALOHA是一种时分多址存取方式，防冲突算法流程如图5所示。

4 系统测试

设计由参考节点、移动节点和网关节点组成的定位系统，将参考节点布置在一定的区域。本次选择两组，一组10个节点，其中2个测试用，另一组20个节点，其中4个测试用。网关节点把定位信息通过上位机显示出来。通过多次改变移动节点的位置来测量移动节点的位置，然后与实际位置进行比较，表1和表2是以移动节点为例在不同区域内进行测量的结果。





从表中得出的数据可以看出区域不大时，定位精度相对高些，在区域大的地方相对定位精度低些。检测节点位置在区域中心，定位相对准确，边缘位置定位误差相对大些。经过试验，定位精度还与所在的环境有关，在空旷平缓的地方精度高些，在崎岖有障碍物的地方定位精度相对较低。

结语

本文在充分考虑物联网系统的现有状况和深入分析技术难题的前提下，把RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技术融合在物联网开发平台中，构建一套基于ZigBee技术无线射频识别的物联网开发平台系统，提高了阅读器的读取能力、防冲突能力和组网能力，但是在物联网的实际应用中还有许多问题(如RFID的ISO/IEC标准，RFID系统数据传输的安全性和远距离识别、抗干扰能力等)亟待解决。随着RFID、ZigBee、GPS等技术不断的发展，不断的更新，它们在物联网中的优势将更为突出，将更好地改善人们的生活。

原文作者：四川理工学院 任小洪 乐英高   来源：单片机与嵌入式系统