RFID技術在物聯網體系構建中的應用與創新

蹇文軍

（巴音郭楞職業技術學院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

“物聯網”是近年來出現的一個新概念。由于“物聯網”在技術上具有巨大的發展潛力，在經濟領域中具有功能，它將給人們的社會生活帶來巨大的變化。目前已成為信息產業最突出的熱點之一。射頻識別技術是“物聯網”中的關鍵信息感知技術之一，具有讀取速度快、操作方便、動作距離遠等特點。我國作為世界上最大的制造國，必須重視RFID技術在貨物管理中的重要作用，關注“物聯網”技術的巨大市場空間，促進RFID技術應用的發展。

1 物聯網的發展

由于RFID技術的發展，人們不再滿足于識別物品的能力，多數時候，例如在高速公路上，在交通管理中，在包裹跟蹤中，在貨物記錄中，在航空行李管理中，在防盜車系統中，人們需要標簽，以獲得更多的信息，追蹤標簽的位置，也就是說，如果將物聯網與人體相比較，RFID可以被看作是“眼睛”，而無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）被看作是“皮膚”，前者用讀卡器識別物體，后者用傳感器跟蹤物體的狀態，實現對整個物體的監控。介紹了一個基于 RFID和無線傳感器網絡的異構網絡 WSID （wireless sensor Identification，WSID）識別平臺，并對系統結構和中間件進行了詳細說明。本論文相對于傳統的無線傳感器網絡質量網絡，提出了一種新穎的技術和硬件設計，包括雙頻雙協議讀卡器、傳感器網關、智能標簽及工作模式。并給出了軟件設計方案和數據格式。在“物聯網”中，WSID識別平臺實現識別、感知、聯網和定位等功能。

2 系統結構設計

WSID異構網絡是一個多點自動識別的智能無線網絡系統，WSID異構網絡從底層到頂層可分為四個層次：檢測層、監控層、管理層和備份接口。

這個檢測器有兩個功能實體：2.4GHz智能標簽和915MHz RFID標簽。SmartMarket tag被部署在一個固定的位置，負責收集WSID異構網絡中的多種數據。在兩個節點之間采用樹形地址分配機制，實現了對新路由函數的自動選擇，以傳送采集數據。本論文第四部分研究了智能標簽與讀取器或無線傳感器網關三種通信方式。RFID標簽放在物料上或由監控區域的人員攜帶。RF識別標簽儲存的資料種類、序列號、人員編號等必需的資料，也可通過手持讀卡器或固定讀卡器讀取。采用RFID標簽進一步提高了運動目標的信息采集能力。

監測層設有固定/手持式讀卡器和無線傳感網關。雙頻閱讀器能夠讀取智能標簽和RFID標簽上的數據。它收集各種不同的數據并發送給無線傳感器網關。WSI網關可以對數據進行預處理，也就是說，比較預設的閾值，在正常情況下，將數據存儲起來，定期發送給監控中心。如數據值超過預定閾值，立即報警，并通過以太網或GPRS/CDMA無線網絡向監測中心發送數據。利用MAC地址和GIS系統對智能標簽進行精確定位；論文第四節將討論具體的交流形式。

管理部門包括監控中心，數據服務器和應用服務器。監測中心的主要功能是分析、處理無線傳感器網關的數據，通過GIS系統將標簽的位置顯示在電子地圖上，實現實時監測和位置跟蹤。Dataserver是一個數據庫，用于存儲網絡中來自標簽或讀取器的各種數據。在為各個子系統提供不同的相關數據庫接口的同時，應用服務器還提供了完整的關系數據庫設計和相應的數據庫擴展功能，以保證對系統的訪問。通過WSID異構網絡支持手持式閱讀器收集移動數據，大大提高了網絡的可擴展性和可移動性。

WSID網關是WSID網絡與外部網絡的接口，它包括GPRS/CDMA和以太網兩個接口，進一步提高了網絡的擴展性和適應性。

在物流領域，WSID網絡具有廣闊的應用前景，其中一個很好的例子是它可以應用到電子鎖系統中。這種裝有全球惟一標識號的RFID芯片的電子鎖被固定在集裝箱上。貨車和車站都有記錄沿途集裝箱信息的讀卡器，當貨車和集裝箱抵達碼頭時，讀卡器就會讀取這些信息，全部送到無線傳感網關，然后送到監控中心。

圖1 RFID消息傳遞示意圖

3 關鍵部件設計

3.1 無線傳感網關

網關是連接無線傳感器網絡、控制中心和執行器的紐帶，其主要功能是收集、分析和整合來自無線傳感器網絡的智能標簽數據，接收來自控制中心和用戶的因特網或無線網絡的指令并作出相應的反應。在WSID異構網絡中的網關主要有兩個功能：（1）網絡監測：WSID不僅有很強的通信能力，而且還具有處理無線傳感器網絡中連續數據的智能性。（2）安全防護：無線傳感器網關將采集的數據與預先設定的閾值進行比較，如果數據正常，則儲存起來，定期上傳到控制中心。不然立即報警。下圖顯示了無線傳感器網關的各個功能模塊。單片機負責協調各個模塊的工作，處理數據，實現對信息的處理算法。實現了與其他智能標簽及控制器的通信。使用FlashRoM存儲數據，確保在意外停電的情況下數據不會丟失。內存是用來存儲處理過的數據或其他臨時數據。輸入輸出接口包括通用輸入輸出接口、SPI接口、I2C接口和UART接口。通信模塊通過以太網或CDMA/GSM無線網絡與控制中心通信；該顯示模塊包含設備運行狀態提示。

3.2 雙頻射頻識別讀卡器

該讀寫器在WSID異構網絡中由處理器，SDRAM，RAM和閃存電路，射頻模塊以及外部接口電路組成。采用ARM（LPC2292）+DSP（TMS320VC5407）處理器，設計讀卡器，以提高系統的數據采集和信號處理能力。閱讀器采用ARMLPC2292主控處理器，對系統進行管理和通信。而DSPTMS320VC5407則是負責數據處理的協處理器。這個任務分區可以充分發揮主處理器和協處理器對數據的處理能力，使數據熟悉度和信號處理能力最大化。

3.3 智能RFID節點

智能RFID節點是WSID異質網絡特有的技術。傳統的主動式RFID標簽不僅需要讀卡器安裝在固定位置，而且需要讀卡器天線的位置和方向的精確計算，極大地限制了讀卡器的靈活性。而在WSID異質網絡中，智能標簽通過無線傳感器網絡與讀寫器進行通信，通信距離可以達到100米，可以實現定位功能。精度達到0.15米。其設計強調整合和普及。由于溫度是一個非常重要的環境參數，本設計采用數字單總線作為溫度傳感器接口（可連接DS1820型溫度傳感器）。同時保留了工業標準的傳感器模擬輸入接口（4-20mA，1-5V），可配合多種傳感器使用，滿足不同的應用要求。采用高集成的射頻接口芯片，將單片機、FLASH和RF電路集成在一起，大大提高了系統的集成度，降低了功耗。

4 結束語

當前，世界各國都在積極探索物聯網的研究與應用，為推動物聯網的快速發展，還需要進行大量的工作。一是實現關鍵技術突破。強化國際合作，開展研究與開發，深化公共領域和關鍵技術領域的合作，推動相關產業聯盟發展。標準化，示范，推廣。這些標準包括物聯網RFID標準和其他相關方面的標準，并堅持與國際標準同步推進國內標準。