ZigBee和特高頻RFID技術在物聯網中的融合研究

韓培培　姬五勝　姬曉春　張泉斌　李莉

摘 要：無線傳感器網絡與RFID技術的融合是當前物聯網領域的一大研究熱點。文中通過介紹RFID技術、無線傳感器網絡技術、無線傳感器網絡與RFID技術的融合，提出了一種基于ZigBee技術的特高頻RFID讀寫系統的設計方案，對融合系統通信接口的實現與通信協議的轉換進行了詳細論述，并指出了融合系統節點間存在的能耗不平衡問題。

關鍵詞：無線傳感器網絡；ZigBee；特高頻RFID讀寫系統；能耗不平衡

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

物聯網是在互聯網基礎上，利用RFID識別技術、無線通信網絡感知等技術構造的物物相連的“Internet of Things”[1]。從1999年“物聯網”概念的首次提出，到2008年奧巴馬提出的“智慧地球”構想，引起了全世界范圍內的轟動，被列為振興美國經濟、確立領先優勢的關鍵戰略；韓國也在2004年提出了“IT839”戰略，在戰略中涵蓋了物聯網基礎設施建設、信息產業服務等內容；2009年11月3日，溫家寶總理在北京向首都科技界發表題為《讓科技引領中國可持續發展》時，強調要把“物聯網”與“傳感網”作為21世紀中國騰飛的“發動機”[2]，將國內對互聯網的關注推向了一個前所未有的高度。

目前，我國相關IT企業和中國移動、中國電信等電信運營商都在積極開展與“物聯網”相關的研究工作，采用傳感網控制物流、電力、交通、農業以及漁業等，并為其提供相關服務。2011年，國務院相關部委相繼公布了一系列促進物聯網產業發展的政策措施，政府的積極推動為物聯網產業的發展營造了良好的環境。這一系列標志性的歷史事件都預示著21世紀將是物聯網的時代。

物聯網將會是下一個萬億級通信業務，其產業的發展孕育著巨大的商機和市場空間。作為物聯網的兩大關鍵技術——無線傳感器網絡和RFID技術，憑借各自的技術優勢在其應用領域得到了迅猛發展，通過對這兩種技術優勢的探究，將無線傳感器網絡和RFID技術進行融合已在物聯網的應用方面引起了廣泛關注[3]。

1 RFID技術和無線傳感器網絡研究現狀

1.1 RFID技術研究現狀

RFID技術是利用電感或電磁耦合原理，在非接觸的情況下實現對目標自動識別的無線射頻識別技術[4]。RFID讀寫系統主要由電子標簽、讀寫器和上位機數據處理系統組成。采用防碰撞技術解決多標簽識別過程中產生的標簽碰撞問題，可實現對高速運動目標的識別功能。從RFID技術本身來看，RFID讀寫器可通過對電子標簽的免接觸操作實現讀寫功能，尤其是特高頻RFID讀寫系統，憑借較快的數據傳輸速度、較遠的識別距離、較強的抗干擾性能等優點，在物流、民政、交通、民航、防偽及身份識別等方面擁有不可替代的優越性[5]。

但隨著RFID技術的發展，用戶對RFID讀寫系統的通信距離提出了更高的要求，即使提高天線的發射功率和讀寫器的靈敏度，也很難實現RFID讀寫系統的遠距離通信。現有的RFID讀寫器和上位機數據處理系統之間通過有線方式連接，在部署大量讀寫器的情況下，存在需要對空間布線位置進行設計、布線成本高、維護工作效率低等缺點，無法滿足對RFID讀寫器進行靈活分配的需求[6]。

1.2 無線傳感器網絡研究現狀

無線傳感器網絡作為物聯網的底層網絡，它的出現帶來了一場信息領域的革命，主要經歷了點對點、點對多點、多跳/網狀結構的發展歷程[7]。無線傳感器網絡還處于發展階段，在實際應用中需要不斷完善，但傳統的以數據為中心的Internet技術加上以傳輸數據為目的的Ad-Hoc路由機制已無法滿足傳感器網絡的技術要求[8，9]。因此無線局域網和藍牙等無線傳輸技術出現后，無線傳感器網絡的發展向前推進了一大步。無線傳感器網絡在家庭或者工業領域的使用中，需要具備低功耗、低成本、應用靈活等特點。藍牙的售價一直居高不下，不利于技術的推廣應用。ZigBee技術作為一種新興的低功耗、低成本的無線通信技術，它的出現滿足了無線傳感器網絡的需求，逐漸成為無線傳感器網絡的首選協議。

ZigBee技術是基于IEEE 802.15.4協議標準研發的短距離、低功耗、自組網無線通信技術[10]。單個ZigBee節點之間的傳輸距離較短，但ZigBee具有強大的自組網能力，通過合理的網絡節點設計和部署，理論上用戶和節點間的傳輸距離可以達到無限遠。ZigBee終端節點可連接紅外傳感器模塊、壓力傳感器模塊、溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊等，所以ZigBee具有遠距離環境監測、數據采集、監控及無線網絡定位功能，但不具備RFID技術擁有的電子標簽信息識別功能。

2 無線傳感器網絡和RFID技術的融合

2.1 無線傳感器網絡和RFID技術融合的必要性

在RFID技術中，電子標簽的成本較低，且電子標簽易于粘貼在物品上，可重復使用、抗污染能力和耐久性強、容量大、不易受惡劣環境因素影響[11]，但RFID技術自身無法實現信息的遠距離傳輸。無線傳感器網絡具有自組織組網功能，省去了布線的麻煩，網絡重建周期短，但不能像RFID讀寫器那樣對物體信息實現精準識別。在一些實際應用中，既需要對目標信息精確識別，又需要將識別信息遠距離傳輸，因此將無線傳感器網絡與RFID技術相結合已成為一種趨勢。隨著物聯網技術的不斷發展，無線傳感器網絡和RFID技術融合將是未來物聯網技術發展的趨勢[12]。如何將這兩種技術更好地融合成為當今研究的熱點。

2.2 無線傳感器網絡和RFID技術的融合現狀

近年來，無線傳感器網絡和RFID技術的融合在物聯網技術研究中受到了高度重視。目前RFID和無線傳感器網絡的融合結構分為三種[13]，即有源RFID標簽與傳感器的融合、無源RFID標簽和無線傳感器網絡節點的融合、無線傳感器網絡節點和RFID讀寫器的融合。

2.2.1 有源電子標簽和傳感器的融合

Deng等人[14]提出了一種基于有源電子標簽的傳感器嵌入式射頻識別（SE-RFID）系統的設計方案，該方案中一個電子標簽集成了多個傳感器，如圖1所示。傳感器獨立工作，集成傳感器的RFID標簽即使不在讀寫器的識別范圍內，傳感器也會將采集到的溫度、濕度等環境信息定期傳輸給RFID電子標簽，然后RFID電子標簽將獲得的數據傳輸給讀寫器。該系統架構的一個應用在于通過使用SE-RFID技術開發一個健康監測系統（HEMS），以不斷監測、重新評估、診斷疾病。但該集成架構存在一些不足，即有源電子標簽的成本較高、體積較大，集成傳感器的有源RFID電子標簽能耗較高。

2.2.2 無源電子標簽和無線傳感器網絡節點的融合

與有源電子標簽相比，無源電子標簽成本低、體積小，應用更加普遍。Cho等人[15]提出了一種無源傳感器RFID標簽，被用來檢測外界的溫度和光照；Zhou和Wu[16]提出了一種嵌入式無源超高頻RFID傳感器標簽，這種無源超高頻RFID傳感器標簽射頻前端采用磁性傳感器，具有較高的靈敏度與較小的體積和較低的能耗。無源電子標簽和傳感器節點的融合具有一些優勢，但不足之處在于無源電子標簽沒有電池供電，電源通過接收讀寫器發送的載波信號轉化而來，因此融合無源電子標簽的傳感器網絡節點與RFID讀寫器的距離較近。融合有無源電子標簽的傳感器節點的網絡架構如圖2所示。

2.2.3 無線傳感器網絡節點和RFID讀寫器的融合

文獻[17]提出了另外一種可行的集成方案：將無線傳感器網絡節點與RFID讀寫器集成為無線傳感器網絡中的終端節點。通常將集成RFID讀寫器的無線傳感器網絡節點稱為智能節點。集成系統由RFID標簽、智能節點、匯聚節點和管理節點組成。智能節點不僅可被用作RFID讀寫器識別RFID標簽，還可以被看作無線傳感器網絡節點。智能節點通過自組織網絡將讀取的RFID標簽信息無線轉發給匯聚節點。這種智能節點體積小、成本低、部署靈活，克服了傳統RFID讀寫器因為位置固定帶來的應用限制。

無線傳感器網絡節點和RFID讀寫器融合的網絡架構如圖3所示。

3 ZigBee和特高頻RFID技術的融合方案

通過對無線傳感器網絡和RFID技術融合架構的討論，本文提出一種ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器的融合方案。

3.1 ZigBee和特高頻RFID技術融合的網絡架構

在ZigBee網絡中，存在協調器節點、路由器節點和終端節點三種設備類型。ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器的融合系統由上位機數據處理系統、協調器節點、路由器節點、終端節點、電子標簽組成。本文將ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器的融合節點作為網絡的終端節點，終端節點中的RFID讀寫器將采集到的電子標簽信息通過ZigBee網絡傳輸給協調器節點，協調器節點直接傳輸到上位機數據處理系統。上位機數據處理系統通過串口和協調器節點進行信息交流。具體的網絡架構如圖4所示。

3.2 ZigBee和特高頻RFID技術融合方案的可行性

ZigBee網絡和特高頻RFID技術融合是可行的，具體原因如下：

（1）特高頻RFID協議規定了通信的空氣接口，卻沒有對信息的管理方式和數據的傳遞方式做出具體規定，而ZigBee技術有著相對完善的網絡協議[18]；

（2）特高頻RFID技術的工作頻段是860～960 MHz，而ZigBee技術工作于2.4 GHz頻段，二者在通信上使用不同的信道，不會形成干擾；

（3）ISO/IEC 18000-6標準規定的特高頻RFID技術的傳輸速率是幾十到幾百kbit/s，工作于2.4 GHz頻段的ZigBee技術的傳輸速率是250 kitb/s，滿足了特高頻RFID技術對通信速率的要求；

（4）高頻RFID和ZigBee無線傳感器網絡已有融合。

3.3 ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器融合方案的關鍵問題分析

ZigBee和RFID技術是兩種不同的技術，彼此都在各自的領域發展，若將這兩種技術融合，實現ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器的集成，還需要解決通信接口、協議轉換等關鍵問題。

3.3.1 ZigBee節點與特高頻RFID讀寫器通信接口的實現

在實際應用中，融合ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器的智能節點相當于ZigBee無線傳感器網絡中的終端節點。終端節點將特高頻RFID讀寫器采集到的電子標簽信息通過ZigBee網絡協議傳輸到ZigBee無線網絡中，經ZigBee協調器節點將數據傳輸給上位機數據處理系統，最后，由上位機數據處理系統對接收的數據進行分析處理。ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器之間可通過UART，SPI，I2C通信接口方式連接[19]。

在實際中需要根據具體的應用選擇合適的通信接口。兩模塊之間的串行通信接口電路如圖5所示。

3.3.2 ZigBee節點與特高頻RFID讀寫器通信協議的設計

特高頻RFID讀寫器模塊和ZigBee網絡在傳輸數據過程中使用不同的通信協議，二者的數據單元格式和數據內容各不相同[20]。ZigBee網絡數據格式采用IEEE 802.15.4或ZigBee協議；特高頻RFID讀寫器的射頻模塊發出的指令符合ISO/IEC 18000-6標準的規范格式。為了使特高頻RFID讀寫器模塊和ZigBee節點模塊進行直接通信，實現系統之間數據的無縫隙傳輸，需要對協議進行轉換，包括特高頻RFID讀寫器和ZigBee節點之間、協調器節點和上位機數據系統之間。

（1）特高頻RFID讀寫器和ZigBee節點之間的協議轉換

特高頻RFID讀寫器向ZigBee節點模塊傳輸標簽信息時，讀寫器將接收到的符合ISO/IEC 18000-6協議格式的數據幀經內部解析提取出數據參數，并將數據參數通過ZigBee協議棧打包成符合ZigBee協議格式的數據幀；ZigBee終端節點模塊的數據幀被讀寫器模塊接收，讀寫器控制模塊程序解析數據幀，提取數據幀中的命令和參數，根據命令控制對無源標簽的操作。

（2）協調器和上位機數據處理系統之間的協議轉換

上位機數據處理系統向協調器節點發送命令時，應在命令幀頭部添加協調器節點可以識別的幀頭標識，當ZigBee協調器節點接收到上位機傳來的數據幀時，去掉幀頭標識后將命令傳輸給ZigBee路由器節點；同理當協調器節點向上位機數據處理系統傳輸數據幀時，上位機數據處理系統會去掉幀頭標識，提取數據。

3.3.3 ZigBee節點與特高頻RFID讀寫器模塊融合方案中的能耗問題

ZigBee節點和特高頻RFID讀寫器的融合方案采用ZigBee網絡架構，部署靈活，但是網絡中的節點之間卻存在嚴重的能耗不平衡問題：

（1）該融合架構采用“多對一”的通信方式，路由器節點和協調器節點數據通信量大，能耗較高；

（2）與協調器節點較近的路由器節點在接收數據和向協調器節點傳輸數據時，需要消耗比其他路由節點更多的能量；

（3）ZigBee網絡功耗較低，當系統無任務時，ZigBee節點可以休眠，而RFID讀寫器目前在該系統中還不能休眠，使得融合系統中的終端節點一直處于工作狀態，耗費能量較多。由于終端節點由電池供電，節點能量有限，終端節點會因為能量消耗殆盡而過早的死亡，使該節點附近電子標簽的信息不再受監控。

因此如何保持網絡節點間的能耗均衡、延長網絡壽命是近年來無線傳感器網絡的重要研究議題。

為了解決該問題，學術界提出一些節能方案，例如通過降低節點的發射功率減小輸出功率，同時保持網絡的連通[21]，但該方案同時也減小了節點間的通信距離；在ZigBee網絡中，將部分終端節點分配到協調器節點周圍，使其可直接與協調器通信，減輕路由器節點的通信負擔，延長路由器節點的壽命，達到能量均衡利用的目的[22]，但終端節點數量的增加意味著系統的成本也隨之提高。目前應用比較成熟的節能協議是LEACH（低功耗自適應集簇分層型）協議[23]?；贚EACH協議的網絡結構模型如圖6所示。圖中1和2分別為兩個簇的簇頭，標號為1.1，1.2的終端節點為下輪簇頭的候選者，同理，標號2.1，2.2，2.3的終端節點也是下輪該簇簇頭的候選者。

LEACH算法優于傳統的靜態聚類算法，具有以下特點：

（1）可以在網絡中的局部設置簇完成局部的協作操作。

（2）通過巡回的方式選擇簇頭，當簇頭選定后，該簇中剩下的節點將是下一個簇頭的候選者，這樣系統的能量負擔被分散于簇中所有的節點之間。

（3）簇中的每個節點都可以和協調器節點實現直接通信。

但該算法中還存在以下不足：

（1）LEACH協議簇頭的選擇是隨機的，可能會造成能量較低的節點被當作簇頭，較大的通信量和較遠的傳輸距離會加速該簇頭的死亡。

（2）在LEACH協議中，當簇頭和協調器節點的距離較遠時，根據公式（1）[24]：

ETX=Eelec×l+εamp×l×d2 （1）

其中：ETX其是發送l位數據節點消耗的能量；l是從一個節點發送的數據包的大??；d是通信節點之間的距離。隨著通信量l和通信距離d的增大，節點發送數據所消耗的能量也就越大，導致節點過早死亡。因此，所使用的通信協議取決于系統的網絡拓撲結構和無線電參數。

3.3.4 融合系統的應用

雖然，國內外對無線傳感器網絡和RFID技術的融合研究仍處于發展階段，但是無線傳感器網絡和RFID技術的融合方案為很多應用領域開辟了新的方向。

文獻[25]將無線傳感器網絡和RFID讀寫器結合設計的手持讀寫器通過無線網絡與電腦連接，將奶牛養殖數據實時傳輸到溯源系統，實現對奶牛養殖過程生命周期信息的準確、快速查詢，加強對奶牛的現代化管理。姬五勝等人[26，27]設計的基于ZigBee和高頻RFID技術的豬肉可溯源系統，憑借其較高的靈活性、低功耗、遠距離傳輸、良好的人機交互界面優勢實現了對生豬養殖、屠宰、物流運輸和豬肉銷售等信息的全程跟蹤，可降低豬肉產品風險發生概率，滿足了消費者對豬肉生產相關信息知情的需求。梁龍等人[28]設計的分布式考勤系統，利用ZigBee技術的自組織網絡優勢和RFID技術對標簽的識別功能使考勤系統的部署簡單易行，提高了維護工作的效率，省去了樓宇布線的成本。除此之外，融合系統還被應用在物流、醫療、供應鏈管理等領域，實現了對信息的遠程監控。

4 結 語

本文通過介紹RFID技術、ZigBee技術以及無線傳感器網絡和RFID技術的融合現狀，提出了一種融合ZigBee和特高頻RFID技術的網絡架構。該融合方案將ZigBee和RFID讀寫器的融合節點作為ZigBee無線網絡中的終端節點，該終端節點具有射頻識別和無線傳感器網絡終端節點功能，使系統網絡的識別距離變長，傳輸距離變遠，從而擴展了ZigBee技術、特高頻RFID技術的應用范圍。在物聯網技術背景下，將特高頻RFID技術和ZigBee技術融合的無線傳感器網絡是一個發展趨勢，該網絡中無線RFID讀寫器（終端節點）具有無線特性，識別距離長，傳輸距離遠，有很多典型的技術應用。但是該系統也有明顯的不足，終端節點能量消耗較大，如何降低能耗并使無線RFID讀寫器終端節點具有休眠特性是一個技術難題。

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