Zigbee 與RFID 整合應(yīng)用研究——智慧圖書館感知網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計

秦格輝

物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物物感知和相連，把所有與物相關(guān)的信息傳到互聯(lián)網(wǎng)，強調(diào)物與物能在泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供自身信息以方便識別、交互和處理。而基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的智慧圖書館，則可把圖書館的各種資源信息，包括文獻、家具、環(huán)境、空間等進行定義、感知和采集，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶、圖書館與信息資源之間的通信、共享，從而實現(xiàn)智慧化服務(wù)和管理[1]。

智慧圖書館要求可以實現(xiàn)各種信息資源的透徹感知，是通過物聯(lián)網(wǎng)的感知層來實現(xiàn)的。感知層具有超強的環(huán)境感知能力，通過攝像頭、RFID、智能終端、傳感器等泛在網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對圖書館范圍內(nèi)的建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境、設(shè)備、安全等方面的識別、信息采集、監(jiān)測與控制。感知層與網(wǎng)絡(luò)層的高效、全面融合是衡量圖書館智慧環(huán)境通信能力的關(guān)鍵。在成熟的高寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)、全面覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上如何構(gòu)建短距離點對點傳輸?shù)娜嫒诤暇W(wǎng)絡(luò)，是目前圖書館感知網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計中的難點。

1 RFID 與Zigbee

RFID 技術(shù)在圖書館的廣泛應(yīng)用，為智慧圖書館的感知層奠定了基礎(chǔ)。從RFID 技術(shù)本身來看，特別是高頻、超高頻的RFID，具有低成本、傳輸速度快、識別距離適中、抗干擾能力強等特點，因此在圖書館管理、身份識別、產(chǎn)品管理等領(lǐng)域，具有不可替代的優(yōu)越性。但是，由于RFID 標(biāo)簽與讀寫器之間的通訊是通過電感耦合方式來實現(xiàn)的，識讀距離有限，即使加大天線發(fā)射功率、提高閱讀器的靈敏度，也不可能從根本上解決遠距離通訊問題，因此，如果要實現(xiàn)遠距離識別甚至遠程控制，必須尋求另一種技術(shù)方案才能徹底解決。

Zigbee 是一種低成本、低功耗、低速率、低復(fù)雜度、自組網(wǎng)的雙向無線通訊技術(shù)。雖然單個Zigbee 節(jié)點的通訊距離有限，但通過Zigbee 系統(tǒng)強大的自組網(wǎng)能力以及簡單靈活的節(jié)點部署，理論上可以將通訊距離延伸到無限遠。同時，通過Zigbee 節(jié)點連接各種傳感及控制設(shè)備，如紅外傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、RFID 識讀模塊、繼電開關(guān)模塊等，可承擔(dān)起環(huán)境監(jiān)測及控制的任務(wù)。因此，Zigbee 在遠距離身份識別、環(huán)境監(jiān)控以及無線網(wǎng)絡(luò)定位方面，有較大的優(yōu)越性，但是在近距離通訊以及精準(zhǔn)身份識別系統(tǒng)等方面，其價格、性能等均比不上RFID 系統(tǒng)[2]。

如果利用RFID 的近距離身份識別及Zigbee的遠程通訊能力，將兩者進行融合應(yīng)用，則可組合成一個精準(zhǔn)、穩(wěn)定的圖書館物聯(lián)感知應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)建起圖書館所有物之間的“深刻感知、互聯(lián)互通”的環(huán)境。通過該環(huán)境感知網(wǎng)的搭建，可實現(xiàn)對圖書文獻信息準(zhǔn)確無誤的跟蹤，掌握其在架變化情況、流通情況，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)信息共享和發(fā)布，以合理配置文獻資源，實現(xiàn)文獻管理的智能化；圖書館內(nèi)的燈光、空調(diào)等各種建筑設(shè)備內(nèi)嵌入傳感器裝置，實時采集設(shè)施運行狀態(tài)信息，以實現(xiàn)設(shè)備的智能化監(jiān)控、統(tǒng)一管理和能耗控制。圖書館物聯(lián)感知應(yīng)用系統(tǒng)強大的信息采集、整合、過濾、匯總能力，使原本孤立、瑣碎的圖書館的各種讀者信息、服務(wù)信息連接起來，管理人員可以通過對信息的分析、比較來預(yù)測服務(wù)壓力、提高服務(wù)質(zhì)量，讀者可以享受到更為主動、準(zhǔn)確的信息推送服務(wù)，并可及時了解圖書館的各種可用資源及信息。

基于以上構(gòu)想，筆者經(jīng)過較長時間的研究，完成了可實際應(yīng)用于圖書館的感知網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計方案。

2 Zigbee 與RFID 的技術(shù)融合

Zigbee 與RFID 的技術(shù)融合就是設(shè)計基于Zigbee 技術(shù)的RFID 閱讀器，使得支持Zigbee的RFID 閱讀器與其他Zigbee 節(jié)點設(shè)備形成自組織的無線網(wǎng)絡(luò)[3]。Zigbee 采用的是自動組網(wǎng)技術(shù)，任何新加入的節(jié)點設(shè)備只要具有相匹配的個域網(wǎng)標(biāo)志符(PANID)，且處于無線網(wǎng)絡(luò)的通訊范圍內(nèi)，即可自動加入已有網(wǎng)絡(luò)、形成信息路由，并將信息傳輸?shù)接行У慕邮照?。通過對Zigbee 節(jié)點的合理部署和設(shè)置，可組建一個高冗余、高可靠性的無線傳感網(wǎng)，保證網(wǎng)絡(luò)的自我恢復(fù)能力[4]。

將Zigbee 與RFID 技術(shù)結(jié)合后，可相互彌補對方的缺陷，并進一步確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及完整性。而融合Zigbee 和RFID 技術(shù)的圖書館感知網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)則既繼承了RFID 簡單、快捷、自動識別目標(biāo)的特性，又融入了Zigbee 主動感知與無線組網(wǎng)的功能[5]。

2.1 融合方案

本文以高頻RFID 識讀模塊和TI 的Zigbee模塊CC2530 為例，融合兩種技術(shù)，設(shè)計出一個遠距離的RFID 識別系統(tǒng)，可用于固定資產(chǎn)監(jiān)控管理。

2.1.1 硬件方案

選擇NXP 公司的MF RC632 模塊作為低功耗高頻RFID 識讀模塊。MF RC632 是NXP公司推出的適用于工作頻率為13.56MHz 的高頻RFID 模塊，它集成了RFID 處理芯片、射頻天線以及支持串行通訊協(xié)議的輸出引腳等模塊。MF RC632 可識別基于13.56MHz 的各種RFID智能卡和標(biāo)簽，并支持ISO1443 和ISO15693標(biāo)準(zhǔn)。該識讀模塊的串行輸出引腳可直接連接到任何8 位微處理器，給終端節(jié)點的設(shè)計提供了極大的靈活性。此外，它所提供的SPI 總線對一些I/O 資源有限的設(shè)計提供了有效的解決方案。

選擇德州儀器TI 的CC2530 Zigbee 模塊作為傳輸模塊。CC2530 是TI 公司最新推出的第二代符合Zigbee 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz 片上系統(tǒng)(SoC)射頻芯片，是一個集成了MCU 處理器、可編程存儲器和ZIgbee 射頻RF 的真正的單芯片解決方案。它的內(nèi)核是一個8051 的8 位處理器，具備256KB 閃存和8KB RAM。CC2530可用于各種Zigbee 或類似Zigbee 的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。

2.1.2 終端感應(yīng)節(jié)點融合方案

將RFID 模塊的串口引腳與CC2530 的串口引腳相連，形成一個兼?zhèn)銻FID 感知及遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)募赡K，RFID 將識讀到的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過串口輸出，從而達到了遠距離身份識別的目的。

傳感器模塊負(fù)責(zé)各種傳感信息的采集和數(shù)據(jù)處理，如數(shù)字式溫濕度傳感器(DHT11)、光敏傳感器、紅外熱釋電傳感器等。在圖書館的實際應(yīng)用中，可通過紅外熱釋電傳感器采集進館、出館人流信息，對圖書館的服務(wù)壓力進行管控、統(tǒng)計服務(wù)；通過溫濕傳感器，對圖書周圍的溫度、濕度等信息的傳感，杜絕保管不善導(dǎo)致圖書霉變腐爛等風(fēng)險；通過光敏傳感器，自動識別室內(nèi)光線，調(diào)節(jié)照明強度，達到節(jié)約能源的目的。

圖1 終端感應(yīng)節(jié)點融合圖

RFID 模塊集成了閱讀器和射頻天線，通過CC2530 的串口引腳嵌入到CC2530 底板中。單片機控制RFID 模塊的射頻掃描，當(dāng)RFID 閱讀器掃描并讀到RFID 標(biāo)簽信息時，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳給CC2530 模塊，然后再通過串口傳給上位機。同樣，上位機對RFID 讀寫模塊的控制也經(jīng)過CC2530 模塊傳達。多個帶RFID 識讀模塊的ZigBee 終端節(jié)點之間可以聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點無線采集和遠距離傳輸，最終形成一個基于ZigBee 技術(shù)的多點自動識別、智能無線組網(wǎng)的遠程RFID 識別系統(tǒng)。

2.1.3 Zigbee 組網(wǎng)方案

組成Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型有三類：管理Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點、用來傳遞數(shù)據(jù)的路由節(jié)點以及連接各種傳感設(shè)備的終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器用來創(chuàng)建一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，并為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配地址，每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只需一個協(xié)調(diào)器；路由器也稱為ZigBee 的全功能節(jié)點，可以作為路由來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也可以作為數(shù)據(jù)節(jié)點用來收發(fā)數(shù)據(jù)，還能管理網(wǎng)絡(luò)，為后加入的節(jié)點分配地址；終端節(jié)點用來采集數(shù)據(jù)，可與各種感應(yīng)器、閱讀器之間進行連接，實現(xiàn)終端的控制和管理[6]。ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點均可由CC2530 芯片、電壓轉(zhuǎn)換器件、電源電路、串口、收發(fā)器以及天線等組成。

根據(jù)應(yīng)用的需要，Zigbee 可組成簡單的星型網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)，也可組成比較復(fù)雜的MESH 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)。本應(yīng)用方案中采用MESH 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)狀網(wǎng)具有強大的組網(wǎng)功能，可以通過“多級跳”的方式來實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，此網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈等功能。

在進行數(shù)據(jù)傳輸時，為減少信道的壓力，一般采取點播方式，在協(xié)調(diào)器上存儲整個網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的地址，路由器上存儲其子節(jié)點即終端節(jié)點地址，終端節(jié)點上存儲其父節(jié)點(路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器)的地址，具體路由如圖2 所示。終端節(jié)點與父節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸通過指定目的地址的點到點通訊方式實現(xiàn)。連接終端節(jié)點的路由節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳時，直接指定協(xié)調(diào)器地址(如：0x0000)，也是采取點到點通訊方式。實際傳輸時可能經(jīng)過多級路由，具體路由算法由底層協(xié)議棧Z_Stack 里的路由協(xié)議ADOV 來完成。同理，協(xié)調(diào)器下發(fā)數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)傳到對應(yīng)終端節(jié)點的父節(jié)點，再由父節(jié)點傳到終端節(jié)點。

圖2 Zigbee MESH 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 整體框架

整體框架見圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 Zigbee 節(jié)點軟件設(shè)計

為了區(qū)分采集數(shù)據(jù)來源以及對終端節(jié)點的控制，系統(tǒng)將為Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點分配一個唯一的節(jié)點編號，在節(jié)點初始化時，就將其燒入到CC2530 模塊中。針對網(wǎng)絡(luò)中的不同類型節(jié)點，分別植入相對應(yīng)的程序。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的ZStack- CC2530 協(xié)議棧來開發(fā)，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、維護以及傳感器數(shù)據(jù)采集、節(jié)點控制等功能。

(1)終端節(jié)點軟件。連接RFID 模塊的節(jié)點為終端節(jié)點，其主要功能是完成感知功能。在終端節(jié)點中植入的程序功能包括兩部分：

第一，控制RFID 模塊讀寫的程序。遵循ISO/ IEC15961- 1 相關(guān)應(yīng)用指令標(biāo)準(zhǔn)，完成例如尋卡、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)、配置AFI、配置DSFID 等操作命令，實現(xiàn)對高頻RFID 模塊的控制。

第二，數(shù)據(jù)傳輸程序。終端節(jié)點一旦進入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)后，將被分配一個16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，同時也為其分配了一個路由父節(jié)點，此時終端節(jié)點將保存其父節(jié)點的地址，并將自己的節(jié)點編號告訴其父節(jié)點和協(xié)調(diào)器。當(dāng)RFID閱讀器模塊感知、讀取到附近的RFID 標(biāo)簽時，終端節(jié)點將RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)、自身節(jié)點編號、節(jié)點地址、數(shù)據(jù)類型等傳給父節(jié)點，再由父節(jié)點傳出。同樣，此程序也接收上位機下達，經(jīng)協(xié)調(diào)器、路由器、父節(jié)點傳遞下來的各種操作指令，如掃描RFID 標(biāo)簽、報告節(jié)點電壓情況等。

(2)路由節(jié)點軟件。路由節(jié)點的主要工作是完成數(shù)據(jù)及控制指令的上傳下達，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)節(jié)點地址，完成消息的轉(zhuǎn)發(fā)。

(3)協(xié)調(diào)器軟件。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立及管理，并負(fù)責(zé)收集所有的傳感數(shù)據(jù)，上傳到上位機，同時接收上位機的指令，下傳到各終端節(jié)點。在協(xié)調(diào)器里保存了所有節(jié)點的信息，如節(jié)點編號、節(jié)點類型、節(jié)點地址、父節(jié)點地址。從協(xié)調(diào)器到終端節(jié)點的初始路由，完全依賴于節(jié)點信息HASH 表。

2.2.3 采集軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器是上位機的應(yīng)用程序，它通過串口與Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器相連，通過監(jiān)控串口數(shù)據(jù)獲得Zigbee 網(wǎng)絡(luò)采集到的各種傳感數(shù)據(jù)，同時也通過串口將控制命令傳給Zigbee網(wǎng)絡(luò)，進而控制各傳感節(jié)點的動作。協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)格式定義如表1。

表1 采集軟件協(xié)調(diào)器上傳數(shù)據(jù)格式表

上位機下發(fā)到傳感節(jié)點的命令格式如表2。

表2 采集軟件上位機下發(fā)命令數(shù)據(jù)格式表

一般來說，一個數(shù)據(jù)采集服務(wù)器對應(yīng)一個傳感網(wǎng)絡(luò)，采集服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)再次上傳到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，經(jīng)整合處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中，供系統(tǒng)統(tǒng)一發(fā)布，從而實現(xiàn)對全局資產(chǎn)的智能識別及監(jiān)控。

2.2.4 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)計

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器為系統(tǒng)的頂層模塊，用來監(jiān)控全局資產(chǎn)狀態(tài)，它接收從各采集服務(wù)器傳來的各種傳感數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)頁、短信等多種方式予以實時發(fā)布。對于異常的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以及時報警并采取相應(yīng)的處理措施。中心服務(wù)器同時也將接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，用于數(shù)據(jù)分析、參考決策。存儲到數(shù)據(jù)庫中的傳感數(shù)據(jù)存儲格式如表3。

表3 傳感數(shù)據(jù)存儲格式表

3 Zigbee、RFID 融合的固定資產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

基于Zigbee 和RFID 技術(shù)的資產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，就在重要的固定資產(chǎn)上粘貼有13.56MHz的RFID 標(biāo)簽，在標(biāo)簽周邊區(qū)域布設(shè)RFID、Zigbee 融合的終端節(jié)點定時讀取標(biāo)簽信息，或?qū)⑿碌馁Y產(chǎn)信息寫入電子標(biāo)簽。所有數(shù)據(jù)和命令通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心進行通訊[7]。

3.1 標(biāo)簽機終端節(jié)點

RFID 標(biāo)簽：采用13.56MHz 的RFID 無源標(biāo)簽，標(biāo)簽固定安裝在重要固定資產(chǎn)上。標(biāo)簽內(nèi)寫入資產(chǎn)名稱、資產(chǎn)地點、登記日期等編碼信息(見圖4)。

RFID 終端節(jié)點：RFID 終端節(jié)點布設(shè)在區(qū)域附近，可以一對一或一對多的方式，準(zhǔn)確感知、識讀周邊的RFID 標(biāo)簽信息，一旦標(biāo)簽無法讀取，或讀取到的資產(chǎn)地點信息與初始信息不匹配，則可認(rèn)為該固定資產(chǎn)已被移走，將會在系統(tǒng)中產(chǎn)生相關(guān)的監(jiān)控聯(lián)動報警信息。

3.2 功能結(jié)構(gòu)模塊

資產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

圖5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

資產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)通過對采集到的固定資產(chǎn)信息進行存儲、分析、對比，實現(xiàn)資產(chǎn)的實時監(jiān)控；也可對新分配或者待調(diào)整的固定資產(chǎn)進行信息的寫入和更新，實現(xiàn)資產(chǎn)的動態(tài)管理。系統(tǒng)可采取B/S 結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于管理人員通過WEB 方式進行固定資產(chǎn)的總體瀏覽、管理。系統(tǒng)通過RFID 技術(shù)、Zigbee 融合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠?qū)崟r獲取相關(guān)重要資產(chǎn)的標(biāo)識和位置等信息，而且還能夠提高資產(chǎn)管理過程的智能性和準(zhǔn)確性。

[1] 嚴(yán)棟. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧圖書館[J]. 圖書館學(xué)刊，2010（7）：8- 10.

[2] 石繁榮.基于RFID 與ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計[D].西南科技大學(xué)研究生學(xué)位論文，2012，4.

[3] 孫紅，許濤，王穎慧，等. ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的RFID 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的研究[J].微計算機信息，2011（6）：75- 77.

[4] 馬海晶. 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)探討[J]. 制造業(yè)自動化，2011（6）：76- 78.

[5] 陳遙，吳曉波，周文.基于融合Zigbee 與RFID 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)倉儲管理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軍事物流，2012（3）：128- 130.

[6] 蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530 的Zigbee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012（11）：197- 200.

[7] 劉銘. 基于ZIGBEE 和RFID 技術(shù)的固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013（1）：67- 70.