基于融合傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID實(shí)現(xiàn)的5G 物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)研究

郭 強(qiáng)， 俞嘯玲， 胡 翔， 陸 斌

（杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司， 浙江 杭州 311100；國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭區(qū)供電公司， 浙江 杭州 311100）

引言

5G 是指第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)、通信技術(shù)，是目前廣泛被使用的4G 的升級(jí)版[1]。“網(wǎng)絡(luò)”這個(gè)詞正延申至人與物、物與物的“萬(wàn)物互聯(lián)”智能連接。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、傳感器、RFID 技術(shù)和全球定位系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行信息交換和通信的網(wǎng)絡(luò)[2]。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)依次執(zhí)行數(shù)據(jù)感應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸，以及提供具體應(yīng)用服務(wù)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心是FRID（頻射識(shí)別）技術(shù)與傳感器技術(shù)[4]。RFID（Radio Frequency Identification），頻射識(shí)別技術(shù)，主要是利用無(wú)限電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的無(wú)機(jī)械式數(shù)據(jù)讀寫(xiě)技術(shù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是指相隔一定距離、某一區(qū)域內(nèi)，所有具有移動(dòng)通信能力和數(shù)據(jù)計(jì)算能力的傳感器結(jié)點(diǎn)，通過(guò)組織形成網(wǎng)絡(luò)，共同完成中心發(fā)布指定任務(wù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本文以傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID（頻射識(shí)別）技術(shù)為基礎(chǔ)，探討5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法。描繪平臺(tái)架構(gòu)和核心業(yè)務(wù)流程，以及探討具體應(yīng)用與管理行業(yè)的益處。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究綜述及研究動(dòng)態(tài)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起源于美國(guó)麻省理工大學(xué)的Kevin Ashton、Sanjay Sanma 和David Brock。最早出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)概念的是比爾蓋茨于1995 年發(fā)表的《未來(lái)之路》。2005 年，ITU 發(fā)布《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005 物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念。2009 年我國(guó)提出“感知中國(guó)”。2011 年，“十二五”規(guī)劃出臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)資金管理暫行辦法。2013 年，發(fā)改委等多部委印《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2013—2015）》，提出10 各領(lǐng)域的培養(yǎng)方案，并規(guī)定了目標(biāo)。2017 年，開(kāi)始全面推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。2018 年，《物聯(lián)網(wǎng)安全白皮書(shū)》指出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀，并提出展望。

射頻識(shí)別技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)，1990 年起美國(guó)將其應(yīng)用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)調(diào)配物資與武器。射頻識(shí)別技術(shù)由此開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用階段。根據(jù)有無(wú)電源，RFID 分為：有源RFID、無(wú)源RFID 以及半源RFID。

我國(guó)傳感器技術(shù)，最早于1986 年“七五”計(jì)劃正式被列入國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目。同一時(shí)期，美國(guó)進(jìn)入傳感器時(shí)代，率先運(yùn)用于軍用，不斷改進(jìn)并普及至民用。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)有三層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如下頁(yè)圖1 所示。感知層，是通過(guò)搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集信息，將數(shù)據(jù)傳入網(wǎng)關(guān)，然后感應(yīng)層識(shí)別目標(biāo)物體的基本信息并傳回可用信息。RFID 裝置發(fā)送感應(yīng)信息，含有電子標(biāo)簽的非接觸數(shù)據(jù)載體通過(guò)耦合元件感應(yīng)后進(jìn)行反饋，GPS 自動(dòng)定位感應(yīng)物所在位置，攝像頭記錄物理外部環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡(luò)相互共享信息，最早RDIF 識(shí)別讀出裝置將收集到的數(shù)據(jù)上傳至終端。

網(wǎng)絡(luò)層是架于感知層和應(yīng)用層之間的橋梁。網(wǎng)絡(luò)層是指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所依托的通信網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)的接口是應(yīng)用層，它與專業(yè)技術(shù)相互融合，提供特定的服務(wù)，倚靠數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)、過(guò)濾，分析后進(jìn)行處理并反饋至總機(jī)。

2.2 平臺(tái)核心流程

5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是通過(guò)電纜、電線、衛(wèi)星、光纖等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、信息交流的平臺(tái)，它基于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、電磁感應(yīng)等技術(shù)，將傳感器、RFID、控制系統(tǒng)等進(jìn)行連接。

RFID 系統(tǒng)組成有：帶有電子標(biāo)簽的設(shè)備、讀寫(xiě)器以及終端系統(tǒng)。

電子標(biāo)簽被附著于芯片內(nèi)，芯片被附著于物體，每個(gè)標(biāo)簽都有唯一編碼。半主動(dòng)式電子標(biāo)簽雖然有電源，但電源只提供計(jì)算所需能量，支撐其與讀寫(xiě)器之間信息傳遞的能量仍需從讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁波中獲取。

射頻讀寫(xiě)器主要由收發(fā)機(jī)、微處理機(jī)、天線以及不同接口組成。收發(fā)機(jī)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)通過(guò)電感耦合和電磁感應(yīng)內(nèi)發(fā)射信號(hào)至電子標(biāo)簽；接收機(jī)負(fù)責(zé)采集電子標(biāo)簽傳遞的信息，并傳給微處理器。微處理器是存儲(chǔ)并實(shí)現(xiàn)與標(biāo)簽的協(xié)議和通信的器件，可同時(shí)完成解碼和編碼以及糾錯(cuò)功能。感知器負(fù)責(zé)同應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行通信，執(zhí)行操作指令等。天線以電磁波的形式，把射頻信號(hào)接收或發(fā)送出去。接口有通信接口：為讀寫(xiě)器和外部實(shí)體提供通信指令。

終端系統(tǒng)必須包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，存儲(chǔ)、處理RFID 信息。它接收讀寫(xiě)器傳遞的數(shù)據(jù)，下達(dá)指令至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器根據(jù)指令，分配工作給設(shè)備。

RFID 的核心流程如下：

1）帶有讀寫(xiě)器的設(shè)備通過(guò)電線向周圍發(fā)出帶有一定頻率的電信信號(hào)。

2）由于帶有標(biāo)簽的物體是隨著人或者其他運(yùn)輸設(shè)備，甚至可以憑借自身動(dòng)力進(jìn)行地理上的移動(dòng)。但當(dāng)它進(jìn)入讀寫(xiě)器的掃描范圍時(shí)，標(biāo)簽被電流激活，成為“開(kāi)”狀態(tài)。

3）標(biāo)簽通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的讀寫(xiě)器發(fā)送自身編碼信息或其他參數(shù)。讀寫(xiě)器進(jìn)行解調(diào)和解碼等逆向處理，通過(guò)接口或網(wǎng)口發(fā)送到終端管理系統(tǒng)。

4）終端管理系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)首先驗(yàn)證標(biāo)簽的合理性，針對(duì)不同需求采用不同算法，下達(dá)指令。

其中，RFID 工作系統(tǒng)根據(jù)工作頻率分類如表1所示。

表1 RFID 分類

根據(jù)工作原理，繪制平臺(tái)核心流程圖2 所示。

2.3 應(yīng)用平臺(tái)

2.3.1 制造業(yè)

汽車制造行業(yè)是普遍采用RFID 技術(shù)的制造行業(yè)。汽車生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)車間生產(chǎn)指定零件，因?yàn)椴糠周囬g溫度高，普通條碼跟蹤是不可能實(shí)現(xiàn)的，所以零件之間都打入電子標(biāo)簽，在每個(gè)車間也設(shè)置讀寫(xiě)器。無(wú)需車間員工手動(dòng)輸入，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息訪問(wèn)的時(shí)間與成本。

2.3.2 公共服務(wù)業(yè)

公共服務(wù)業(yè)如圖書(shū)館檔案室大多采用RFID 技術(shù)形成物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，它的功能有實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的自助借還、流通分揀等。采購(gòu)圖書(shū)后，給圖書(shū)分配標(biāo)簽，錄入系統(tǒng)；讀者挑選書(shū)籍后，送至自助借還機(jī)器，讀取到圖書(shū)標(biāo)簽后，鎖定唯一標(biāo)識(shí)，將數(shù)據(jù)錄入并更新圖書(shū)庫(kù)存信息。入館處會(huì)設(shè)安全防盜系統(tǒng)，若圖書(shū)標(biāo)簽是“在館”，入館處讀寫(xiě)器識(shí)別到物體正準(zhǔn)備出館時(shí)，會(huì)發(fā)出警告，提示讀者不能未經(jīng)借閱帶走館內(nèi)圖書(shū)。

2.3.3 零售業(yè)

采用RFID 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)的零售業(yè)，可以實(shí)時(shí)共享銷售量、庫(kù)存量等信息。銷售商及時(shí)了解庫(kù)存信息，及時(shí)下達(dá)補(bǔ)貨命令，節(jié)約成本。對(duì)于零售業(yè)管理，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)不僅能保障物品的庫(kù)存安全，還能智能制定采購(gòu)計(jì)劃。

2.3.4 交通運(yùn)輸業(yè)

交通運(yùn)輸業(yè)可以分為交通和物流運(yùn)輸兩類。當(dāng)汽車行駛時(shí)，通過(guò)識(shí)別交通工具上的標(biāo)簽，自動(dòng)識(shí)別車輛號(hào)碼，讀寫(xiě)器將數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)輸狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的輪胎氣壓等情況。物流方面，智能物流將信息進(jìn)行整合；同時(shí)，與電子商務(wù)行業(yè)進(jìn)行合作，統(tǒng)一管理，實(shí)時(shí)更新物流信息，同時(shí)提高信息的流通速度，提供便利、快捷的科學(xué)信息服務(wù)。

2.3.5 安全識(shí)別業(yè)

安全識(shí)別業(yè)有軍事安全、生活安全等等。可以對(duì)軍事物資、救援器械進(jìn)行統(tǒng)一管理，進(jìn)行動(dòng)態(tài)和監(jiān)控和實(shí)時(shí)追蹤等，保證物品的安全性、保密性。生活安全則涉及生活中或工作中的財(cái)產(chǎn)人身安全，例如在公司出入口安裝讀寫(xiě)器，進(jìn)出人員只需要攜帶射頻卡，就能自動(dòng)鎖定身份，一旦非法闖入就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

2.4 應(yīng)用前景

我國(guó)雖然物聯(lián)網(wǎng)起步晚，但隨著近幾年通信、計(jì)算機(jī)行業(yè)等的大力發(fā)展，我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)慢慢成為世界技術(shù)前沿，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，從而產(chǎn)生新的業(yè)務(wù)，帶動(dòng)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生積極影響，節(jié)約成本，提高安全性與便利性，隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，標(biāo)簽已從紙張、木材制品升級(jí)至小型芯片，金屬；未來(lái)可能出現(xiàn)更綠色的標(biāo)簽、網(wǎng)線等；同時(shí)，電源可能編程更綠色環(huán)保的清潔能源。

3 結(jié)語(yǔ)

傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID 技術(shù)已在全球多個(gè)國(guó)家、不同領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)前5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的發(fā)展還未完全成熟，仍存諸多問(wèn)題。同時(shí)應(yīng)探索更綠色更環(huán)保的金屬或其他材質(zhì)材料，對(duì)于綠色能源、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，需大力同時(shí)發(fā)展，方可進(jìn)一步推進(jìn)5G 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)。