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基于ZigBee技术无线RFID的物联网开发平台系统

2017-02-13 10:05:00

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，物联网技术得到愈来愈多的重视。2003年，美国《技术评论》提出物联网将是未来改变人们生活的10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、无线数据通讯等技术，构造的1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1方面可以提高经济效益，大大节俭本钱，另外一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

ZigBee技术是1组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和利用软件方面的通讯技术，它是1种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱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利用服务，ZigBee同盟同盟的长时间目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低本钱嵌入式基础架构。物联网开发平台的搭建，对增进研究成果的转化和产学研对接也具有10分重要的意义，为终究实现“物联网”提供了1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辨认技术(RFID)，基本的RFID系统最少包括浏览器(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，每一个标签具有唯1的电子编码，标签附着在物体上以表示目标对象。

物联网另外一个重要技术是无线传感网络技术，ZigBee技术是1种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱的双向无线网络，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利用前景。

ZigBee网络存在3种逻辑装备类型：调和器、路由器和终端装备。ZigBee网络由1个调和器和多个路由器和多个终端装备组成。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)和利用层(APL)架构。

ZigBee硬件电路上采取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同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及几种典型摹拟组件为1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和工业标准的增强型8051MCU的出色性能，还包括了8KB的SRAM、大容量闪存和许多其他强大特性。CC2430在接收机传输模式下的电流消耗为25 mA，使得RFID成为针对超长电池使用寿命利用的理想解决方案。ZigBee嵌入RFID射频辨认系统的电路图如图所示。

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　　ZigBee嵌入RFID射频辨认系统的电路图

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1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，在全球任何地方和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大部份组成：空间部份、地面控制部份、用户装备部份。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，位于第2代(2G)和第3代(3G)移动通讯技术之间。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惟方式，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份改造来实现分组交换，得到的用户数据速率却比GSM网络快很多。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1套高精密且使用方便的嵌入式利用编程开发工具，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内核辨认调试，提供现成的代码流程，使2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，并将依照1定的数据包格式显示在GUI界面中，也能够将这些数据以2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，和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

电子标签EPC(也称应对器)为避免没必要要的消耗，应对器平时处于低功耗睡眠模式。浏览器在读取电子标签数据是通过天线发送1定频率的射频信号，当EPC电子标签进入浏览器读取范围时，电子标签从浏览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，向浏览器发送本身的编码等EPC信息，浏览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浏览器和工厂计算机利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产生“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产生冲突。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1种时分多址存取方式。

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　　防冲突算法流程

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1定的区域。本次选择两组，1组10个节点，其中2个测试用，另外一组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。通过量次改变移动节点的位置来丈量移动节点的位置，然后与实际位置进行比较，检测节点位置在区域中心，定位相对准确，边沿位置定位误差相对大些。经过实验，定位精度还与所在的环境有关，在空阔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。

总结

本文在充分斟酌物联网系统的现有状态和深入分析技术困难的条件下，把RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技术融会在物联网开发平台中，构建1套基于ZigBee技术无线射频辨认的物联网开发平台系统，提高了浏览器的读取能力、防冲突能力和组网能力，但是在物联网的实际利用中还有许多问题(如RFID的ISO/IEC标准，RFID系统数据传输的安全性和远距离辨认、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加突出，将更好地改良人们的生活。

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