基于RFID和ZigBee技术在物联网系统的应用研究学士学位论文.doc

1 11 11 1 学 士 学 位 论 文 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网 系统的应用研究 姓姓 名 名 罗淑琴 学学 号 号 200905120324 指指导导教教师师 刘伟 讲师 院院系系 部部所所 光电工程学院 专专 业 业 电子信息工程 完完成成日日期期 2013 年 04 月 15 日 学学 士士 学学 位位 论论 文文 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网 系统的应用研究 姓姓 名 名 罗淑琴 学学 号 号 200905120324 指指导导教教师师 刘伟 院院系系 部部所所 光电工程学院 专专 业 业 电子信息工程 完完成成日日期期 2013 年 04 月 15 日 摘 要 物联网就是在计算机互联网的基础上 利用 RFID 无线数据通信等技术 构 造一个覆盖世界上万事万物的 Internet of Things 物联网将各种信息传 感设备 如射频识别装置 激光扫描器 全球定位系统等种种与互联网结合起来 而形成一个巨大网络 其目的是让所有的物品都与网络连接在一起 物品 商品 能够彼此进行 交流 而无需人的干预 论文首先介绍了物联网的概念 物联网的主要技术和结构及 RFID 的相关知 识 然后介绍了 ZigBee 技术 ZigBee 的协议栈模型及 ZigBee 网络的拓扑结构 最后介绍了 ZigBee 和 RFID 技术在物联网中的应用 将 RFID 技术与 ZigBee 技 术融合 构建更广义的物联网 具有重要意义 论文通过例举 Zigbee 和 RFID 技术在物联网中的主要应用使我们认识到了 Zigbee 和 RFID 技术在物联网中的 重要作用 ZigBee 是无线传感器网络的一个热门技术 是一种低数据速率 短 距离的无线技术 其出发点就是发展一种拓展性强 易布建的低成本无线网络 强 调低功耗和感应等特点 结合 RFID 和 ZigBee 技术的优缺点 如果能将二者结 合 建立一种基于 ZigBee 无线网络和 RFID 感知信息的物联网将会有深远的意 义 本论文就是探究如何能将二者结合的 关键词 Zigbee RFID 物联网 无线传感器网络 Abstract The thing allied net is foundation in calculator Internet make use of techniques such as RFID and wireless data correspondence etc construct Internet of Things of around ten thousand matter creations in an overlay world The thing allied net spreads various information feeling equipments identify the device laser scanner and world fixed position system etc such as the radio frequency various put together with Internet knot but form a huge network its purpose is to let all products and network link together product merchandise can each other carries on exchanges but doesn t need the person s intervention The thesis introduced the concept that the thing unites a net first thing s uniting main technique and structure of the net and the related knowledge of RFID then introducing model in the agreement inn of the ZigBee technique ZigBee and the Tuo of the ZigBee network to rush toward structure to finally introduce ZigBee and RFID technique application within allied net was at the thing Blend RFID technique and ZigBee technique set up more the thing of broad sense to unite a net and have important meaning The thesis raised through an example Zigbee and RFID technique to unite a main application within net to make us know each other Zigbee and RFID technique unite an important function within net in the thing in the thing ZigBee is a popular technique that the wireless spreads a feeling machine network the wireless technique of a kind of low data velocity short distance its starting point is to develop a kind of expand sex strong low cost wireless network easily arrange emphasize that the low achievement consumes and responds etc characteristics Combine RFID and ZigBee technical merit and shortcoming if can combine twos build up a kind of according to ZigBee the wireless network and RFID feeling know the thing of information allied the net will have profound meaning this thesis is to investigate how ability will two combine Keywords Zigbee RFID The Thing Unites a Net The Wireless Spreads a Feeling Machine Network 目目 录录 第 1 章绪论 1 1 1引言 1 1 2物联网的概念 1 1 3物联网的发展现状 2 第 2 章物联网的主要技术和结构 3 2 1物联网的主要技术 3 2 1 1RFID 的定义 3 2 1 2RFID 的基本组成部分 3 2 1 3RFID 的技术原理 4 2 1 4RFID 技术优点 4 2 2物联网的主要结构 4 2 3RFID 是物联网的技术基础 5 第 3 章ZIGBEE 技术 7 3 1ZIGBEE技术的简介 7 3 1 1ZigBee 的概念 7 3 1 2ZigBee 的背景 7 3 1 3ZigBee 技术的特点 8 3 2ZIGBEE的协议模型 8 3 2 1ZigBee 的协议栈 8 3 2 2ZigBee 网络的拓扑结构 9 第 4 章基于 ZIGBEE 和 RFID 在物联网中的应用 11 4 1物联网中 ZIGBEE 和 RFID 技术融合的好处 11 4 2ZIGBEE和 RFID 在物联网中的主要应用 11 4 2 1ZigBee 技术在物联网中的应用 11 4 2 24 2 2 RFID 技术在物联网中的应用 12 4 3基于 ZIGBEE 技术的 RFID 系统原理 12 4 4系统主要功能及实现方法 12 第 5 章结束语 12 参考文献 12 致 谢 12 基于 RFID 和 Zigbee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 1 页 共 16 页 第 1 章绪论 1 1 引言 目前 对物联网的研究还处于半初级阶段 国内外对物联网的定位和特征 还没有具体统一 物联网的结构和系统模型没有同样的标准 现阶段主要是研 究通过传感器网络并利用标签感知物体的信息 在电子标签方面 当今业界都 倾向于 RFID 技术 主要由于 RFID 具有多标签读写 远距离非接触读写 数据 可更新 适应环境能力及穿透性强等许多优势 文章首先介绍了 RFID 的相关 知识 然后介绍了 ZigBee 的技术特点 协议栈模型及其应用领域 在无线传感 网络中 传感器有着可以感知物质世界信号的功能 为网络系统的传输 分析 处理和反馈提供最原始的信息 由于无线传感器网络的信息交互存在很多技术 难点及现在传感器的价格相对较高 所以目前还处于研究阶段 但无线传感器 网络的另一热门技术 ZigBee 是一种短距离 低数据速率的无线技术 其出发 点是发展一种易布建 拓展性强的低成本无线网络 强调感应和低功耗等特点 结合 RFID 和 ZigBee 技术的优缺点 如若能将二者相结合 建立一种基于 RFID 感知信息和 ZigBee 无线网络的物联网将会有深远的意义 1 2 物联网的概念 1999 年美国麻省理工学院第一次提出物联网的概念 即 物物相连的网 这有两种意思 1 其用户端延伸到了物品与物品之间 进行通信和信息交换 2 其核心和基础依旧是互联网 它是在互联网的基础上的扩展和延伸的网络 物联网不是对现有技术的颠覆性革命 而是通过对现有技术的综合运用 实现 全新的通信模式转变 同时通过这样的融合也必定会对现有技术提出改进和提 升的要求 以及推生出一些新的技术 物联网是指将各种信息传感设备 如激光扫描器 射频识别装置 全球定 位系统等种种与互联网结合起来而形成的一个巨大网络 其目的是让所有的物 品都与网络连接在一起 物品 商品 能够彼此进行 交流 而无需人的干预 物联网就是在计算机互联网技术的基础上利用 RFID 无线数据通信等技术 构造一个覆盖世界上万事万物的 Internet of Things 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 2 页 共 18 页 1 3 物联网的发展现状 物联网被称为继计算机 互联网之后 世界信息产业的第三次浪潮 对世 界经济 政治 军事 文化等各个方面产生巨大影响 从国际上看美 日 韩 欧盟等国家和地区都十分重视物联网的工作 并且已做了大量研究开和应用工 作 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 3 页 共 18 页 第 2 章物联网的主要技术和结构 2 1 物联网的主要技术 物联网技术主要包括了无线传感网络技术和近程通信技术 传感网络技术 指使用带有传感器的设备组成的在空间上呈分布式的无线自治网络 量化外部 世界的物理特征和化学特性 例如温度 气体浓度 重力变化等 近程通信技术 是新兴的短距离连接技术 从无接触式的认证和互联技术演化而来 RFID RadioFrequency Identification 蓝牙 WiFi ZigBee 等是其中的重 要代表 组建无线传感网络是物联网的重点之一 而 ZigBee 则是无线传感网 络的热门技术之一 2 1 1 RFID 的定义 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写 即射频识别 俗称电子标签 RFID 是一种简单的无线系统 只有两个基本器件 即询问器 或阅读器 和 应答器 或标签 该系统用于监测 控制和跟踪物体 RFID 按使用频率的不 同划分为 低频 高频 超高频和微波 相对应的频率为 125KHZ 以下 3 56MHZ 860 960MHZ 2 45 5 8GHZ 其中低频主要应用于运动物体的识别 和商品流通等领域 高频一般应用于公共交通和门禁系统等领域 超高频可应 用于高速公路收费 集装箱识别和铁路车辆的识别 跟踪等业务中 微波主要 应用在交通领域 一般工作频率较高则识别距离也较远 方向性也较强 但其 穿透能力就越差 按能源的供应方式分为 有源 RFID 无源 RFID 及半有源 RFID 无源 RFID 读写的距离近 价格低 有源 RFID 可以提供更远的读写距 离 但需要电池供应 成本更高一些 2 1 2 RFID 的基本组成部分 标签 tag 由耦合原件及芯片组成 每一个标签具有惟一的电子编码附着 在物体上用来标识目标对象 标签含有内置天线 用于和射频天线间进行通信 阅读器 reader 用来读取 在读写卡中还可以写入 标签信息的一种设 备 可设计为固定式或手持式 天线 antenna 在标签和读取器之间传递射频信号 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 4 页 共 18 页 图 2 1 2 RFID 的基本结构图 2 1 3 RFID 的技术原理 RFID 射频识别是一种非接触式自动识别技术 通过射频信号可以自动识 别目标对象及获取相关数据而不需要识别系统与这个目标有机械接触且无须人 工干预 RFID 应用系统的基本工作原理是 当装有电子标签的物体接近微波天 线时 阅读器受控发出微波查询信号 安装在物体表面的电子标签收到经微波 天线发出的查询信号后 根据查询信号中的命令要求 将标签中的数据信息反 射回微波天线 微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后 经阅读器 内部微处理器处即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来 这些识别信息 作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理 从而完成于物体有关 的信息查询 统计 管理等应用 2 1 4 RFID 技术优点 射频卡实现了免接触式操作 无机械磨损 寿命长 应用便利 穿透性好 无需可见光源 抗污染能力和耐久性强 可以在恶劣的环境下工作 对环境的 要求标准低 可读取的距离远 无需与目标对象接触便可以得到数据 支持写 入数据 无需重新制作新的标签 可重复使用 并且使用了防冲撞技术 能够 识别高速运动的物体并可同时识别多个射频卡 RFID 技术的这些功能特性很适 合流水线上产品的控制 以实现流水作业管理 得以使整个流水管理自动化 2 2 物联网的主要结构 物联网作为一个系统网络 与其他网络一样也有其内部特有的结构 其结 构主要包括三个层次 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 5 页 共 18 页 第一层 感知层 主要承担信息的采集 如智能卡 RFID 电子标签 识别 码 传感器等 第二层 网络层 主要承担信息的传输 如无线网 移动网 固网 互联网 广电网等 第三层 应用层 主要完成信息的分析和处理及决策 以实现物与物 人 与物之间的感知与识别 发挥其智能化的作用 图 2 2 物联网架构 2 3 RFID 是物联网的技术基础 RFID 是物联网的重要构件之一 通过射频信号来自动识别目标对象并获 取数据 RFID 技术可应用于各种恶劣的环境 识别高速运动的物体 同时识别 多个标签 操作非常的快捷方便 如第二代身份证 奥运门票都内置 RFID 芯 片 而高速公路上的 ETC 电子不停车收费系统也使用了 RFID 技术 它的多功能性使其在物联网的信息采集中完全可以担当重任 可以说 RFID 技术是物联网技术的基础 当今 国内物联网技术关注的热点主要集中 在 RFID 传感器 云计算等领域 RFID 工作原理图如图 2 3 所示 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 6 页 共 18 页 图 2 3 RFID 工作原理图 识别器 Reader 识别器采读信息并解码 天线 标签 tag 计算机系统 识读器通过天线发送出 一定频率的射频信号 识读器将信息传至计算机主机进行处理 当标签进入 时产生感应 电流从而获 得能量 像 识别器发送 出自身编码 等信息 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 7 页 共 18 页 第 3 章ZigBee 技术 未来的无线互连设备应具有低价格 近距离 低功耗的特点 作为 IEEE802 15 4 标准的 ZigBee 技术正好具备以上优点 从而成为极具竞争力的 新兴技术 本章介绍了 ZigBee 技术的概念 背景 特点 协议栈模型 3 1 ZigBee 技术的简介 3 1 1 ZigBee 的概念 ZigBee 技术指的是一种近距离 低复杂度 低数据速率 低功耗 低成本 的双向无线通信技术 主要应用于家庭自动化 消费类电子产品 工业控制和 医疗传感器等领域中的无线传感器网络新技术 可以满足对小型廉价设备的控 制和无线联网 这一名称的由来是蜜蜂的八字舞 蜜蜂 Bee 是靠飞翔和 嗡 嗡 Zig 的抖动翅膀的舞蹈来传递给同伴花粉所在方位的信息 即蜜蜂通过 这样的方式构成了在群体中的通信网络 ZigBee 技术其标准是基于 IEEE802 15 4 低速率无线个人局域网 IEEE802 15 4 小组与 ZigBee 联盟共同制定了 ZigBee 规范 IEEE802 15 4 小 组负责制定物理层和媒体接入控制层规范 并在此之上包含网络层 安全层和应 用层 ZigBee 作为一种个人网络的短程无线通信技术 已经逐渐为大家所熟知 它最大的特点就是低功耗 可组网 特别是带有路由的可组网功能 理论上可 以使 ZigBee 覆盖的通讯面积无限扩展 相对于常见的无线通信标准 ZigBee 协议紧凑简单 对实际处理器的性能要求也不高 普通 8 位单片机配上 4KB 的 RAM 和 64KB 的 ROM 就可以满足其需要 从而降低了相应产品的成本 同时由于 ZigBee 技术的通信范围小和数据速率低的特点 决定了 ZigBee 技 术适合应用于承载数据流量较小的业务 由于 ZigBee 技术的各种优点 使其 十分适合应用于物联网上 ZigBee 网络与现已有的网络 如计算机网络 移动 互联网 进行互联 来延伸 ZigBee 网络的使用范围 就成为了 ZigBee 技术推 广的关键 目前采取网关方式使 ZigBee 网络与以太网互通 这种方案越来越 受到业界的认可 3 1 2 ZigBee 的背景 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 8 页 共 18 页 2002 年 8 月 ZigBee 联盟成立 由美国摩托罗拉公司 英国 Invensys 公司 日本三菱电器公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成 IEEE802 15 4 的 ZigBee 标 准于 2003 年 5 月获得批准 ZigBee 采用 IEEE802 15 4 标准作为物理层和链路 层 MAC 标准 用于组建低速率低功耗的无线个域网 LR WPAN 而 ZigBee 联盟负责应用层和网络层的开发及制定其安全协议和市场的推广等 ZigBee 具有强大的设备联网功能 它支持 3 钟主要的自组织无线网络类型 3 1 3 ZigBee 技术的特点 ZigBee 作为一种无线连接 可工作在 2 14 GH z 全球流行 868 MH z 欧洲流行 和 915 MH z 美国流行 3 个频段上 分别具有最高至 250 kb it s 20 kb it s 40 kb it s 的传输速率 它的传输距离在 10 75 m 的范围内 依据发射功率的大小和应用模式仍可以继续增加其传输距离 1 台 Zigbee 设 备可以连接多达 254 个同类的设备 此外 由于 Zigbee 具备低功耗和高链接 数的特性 使其在感应式网络 Sensor Network 上的使用具有相当大的优势 例如作业温度测量 保卫防护的监控 水电煤气计量数据记录等方面 厂商无 需经常布建供电网络或更换电池便可方便地取得所需信息 ZigBee 技术是以希 望发展一种拓展性强 容易布建的低成本无线网络作为其出发点的 与现有的 各种短距离无线通信技术相比较 ZigBee 技术将是最低功耗和最低成本的技术 同时由于 ZigBee 技术的通信范围较小和低数据速率的特点 也决定了 ZigBee 技术适合承载数据流量较小的业务 其主要特点是网络容量大 可靠性高 安 全性高 时延短 功耗低 成本低以及有效范围小 ZigBee 技术的优点是 1 组网协议稳定可靠 2 通讯速度快 能达到几十到几百 KPS 3 抗干扰跳频速度快 其缺点是 1 穿透性能差 应用于抄表的致命障碍 2 同频干扰设备多 wifi 蓝牙等 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 9 页 共 18 页 3 2 ZigBee 的协议模型 3 2 1 ZigBee 的协议栈 与其他常见的无线通信标准相比较 ZigBee 协议栈具有简单而紧凑的特 点 且对环境配置的要求不高 只要 8 bit 的处理器再配上 64 kbit RAM 和 4 kb it ROM 就可满足其最低需求 ZigBee 协议栈模型如图 3 2 1 所示 图 3 2 1 ZigBee 技术协议组成 完整的 ZigBee 协议是由高层应用规范 应用汇聚层 网络层 数据链路 层组成 网络层以上协议是由 ZigBee 联盟制定 链路层和物理层标准的制定 是由 IEEE 负责 应用汇聚层 网络层 数据链路层各部分的功能介绍如下 1 应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上 具体功能包括 1 多个业务数据流的汇聚 2 安全与鉴权 3 业务发现 4 设备发现 2 网络层的主要功能如下 1 通用的网络层功能有拓扑结构的搭建和维护 命名和关联业务 寻址 路由 和安全 2 有自组织 自维护功能 最大程度地减少消费者的开支和维护成本 3 2 2 ZigBee 网络的拓扑结构 ZigBee 支持多种网络拓扑结构 如图 3 2 2 所示 最简单的是星型网 只 用 1 个网络协调器 连接多个从属设备 另一种网络结构是互联的星型网 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 10 页 共 18 页 可以扩展为单个星型网或互联 2 个星型网络 第 3 种是网状网 网状网的覆盖 范围很大 可以容纳上万个节点 图 3 2 2 ZigBee 网络拓扑结构图 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 11 页 共 18 页 第 4 章基于 ZigBee 和 RFID 在物联网中的应用 物联网是继计算机 互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发 展 随着物联网技术逐渐走向成熟 应用领域也迅速增加 基于 和 技术的物联网应用越来越引起人们的重视 4 1 物联网中 ZigBee 和 RFID 技术融合的好处 物联网的技术基础是 RFID 技术 但其设备具有成本高 识别距离短 读写 系统工作不灵活等缺点 而 ZigBee 虽然其设备的成本比较低 但其穿透性差却 是它的致命弱点 若我们能将这两种技术合理应用在物联网中 便可以形成优 势上的互补 对广义的物联网的构建具有重要的意义 4 2 ZigBee 和 RFID 在物联网中的主要应用 4 2 1 ZigBee 技术在物联网中的应用 ZigBee 技术在物联网中的应用主要有三个层次 1 传感网络 即以二维码 传感器 RFID 为主 实现对 物 的识别 2 传输网络 即通过已有的互联网 通信网 广电网或者下一代互联网 实现数据的计算和传输 3 应用网络 即输入输出控制终端 ZigBee 网络的冗余自组织和自愈能力适于许多类型的应用 主要包括工业 控制 智能交通和家庭自动化等领域如图 4 2 1 所示 图 4 2 1 ZigBee 应用范围 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 12 页 共 18 页 在家庭自动化方面 ZigBee 技术就非常适合对其联网 对电视 电灯 空 调 窗帘等设备装载 ZigBee 模块 用户可以在家中或者通过家庭网关与电信 网结合远程对其进行无线控制 例如通过手机或互联网随时了解家中的状况 在下班前远程控制家中的空调调节室温到设定温度 热水器打开烧好水 电饭 煲开始煮饭 在比如在灯泡中装置 ZigBee 模块 人们开灯就不需要走到墙壁开 关处 直接通过遥控便可将电灯打开 当你打开电视机时 灯光将会自动的减 弱 准备打电话或电话铃响起时 电视机将会自动静音等 总之可以把人们从 日常琐事中解放出来 实现家居生活自动化 网络化与智能化 4 2 24 2 2 RFID 技术在物联网中的应用 在过去一直是将 IT 基础设施和物理基础设施分开的 即洗衣机 电视机 电冰箱 甚至是机场 建筑等物化的东西与数据中心也是分开的 RFID 技术则 将他们整合为一个平台 从此 整个世界的运转就在其上面进行 其中包括社 会管理 生产运行 经济管理甚至是个人生活 RFID 电子标签技术是物联网中非常重要的技术 其发展趋势是以简单的 RFID 系统为基础 结合已有的数据库技术 网络技术 中间件技术等 建立一 个由大量联网的阅读器和无线移动的标签组成的 比 Internet 更为庞大的物联 网 在 物联网 的构想中 RFID 标签中存储着规范而具有互相性的信息 通 过无线数据通信网络把信息自动采集到中央信息系统 实现对物品的识别 进 而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享 实现对物品的 透明 管理 所以称 RFID 技术是能够让物 开口说话 的一种技术 RFID 应用于物联网中的工作过程如下 1 对物体属性进行标识 有动态属性和静态属性 动态属性需要先由传感 器进行实时探测并动态记录 2 识别设备完成对物体属性的读取 并将信息转换为适合网络传输的数据 格式 3 通过网络传输将物体的信息传送到信息处理中心 以便完成对物体通信 的相关计算 RFID 作为物联网的感知层 其作用主要是采集数据 天线的作用非常重 要 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 13 页 共 18 页 RFID 的天线的作用有两个 一是来自标签调制信号 二是建立稳定激励磁场 在设计天线时 主要设计尺寸合适的天线以及搭建天线与阅读器匹配电路 4 3 基于 ZigBee 技术的 RFID 系统原理 用 RFID 射频技术对目标进行定位并采集信息 通过无线组网 ZigBee 技 术对定位目标的信息进行快速上传 射频分为阅读器和应答器两大模块 都嵌 入 CC2520 芯片 主要在 2 4GHz 频段进行通信 适合 ZigBee 设备生产成本 的降低及推广 相应的信息存储在应答器里面 当通信的网络建立后 阅读器 与应答器通信 通过单片机实现对应答器的信息管理和控制 并把结果上传到 上位机 因为 ZigBee 通信具有识别距离长的特点 所以在这采用了 ZigBee 通 信协议 以便建立基站来扩大通信的距离 启动和配置网络的一种设备是 ZigBee 协调器 FFD 所以每个基站至少有一个 FFD 根 据 ZigBee 协 议 栈 通 信 原 理 设 备 通 过 NLME NETWORK FORMATION request 原 语来启动一个新的网络的建立过程 启动后网络层将首先请求 MAC 层对协议 所规定的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量扫描 以检测可能的干扰 来实现能量检测的扫描 设备网络层通过发送扫描类型 Scan Type 参数设置 为能量检测扫描的 MLME SCAN request 原语到 MAC 层进行信道能量检测扫 描 扫描结果通过 MLME SCAN confirm 原语返回 网络层管理实体检查 PAN 描述符 并且所查找的第一个信道为网络最小编号是为了决定用于建立一 个新网络的最佳通道 通过 NLME PERMIT JOINING request 原语允许设备与网络连接 只有当 设备为 ZigBee 协调器或者路由器时 才能试图允许设备与网络连接 而只有 当设备建立了网络且加入到网络中 ZigBee 才可以传输数据 用 NLDE DATA request 原语的 Radius 参数提供的半径值对高层数据帧初始化 当构造 好一个帧 并且在已经准备好传输该帧时 通过向 MAC 层发送 MCPS DATA request 原语请求发送网络层协议数据单元 将该帧传送到 MAC 数据服 务单元 将通过 MCPS DATA confirm 原语返回其传送结果 为了接收数据 设备必须打开其接收机 上层使用 NLMESYNC request 原语初始化设 备 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 14 页 共 18 页 打 开接 收 机 NLME SYNC request 原语将会引起网络层使用 NLME POLL request 原语对其父设备进行轮询 在网络中启动设备 路由器 协调器 及终端设备 启动后 设备根据自身的类型去建立或发现和加入网络 当某个设备进入 ZigBee 网络中后 向读写器发送信号 接收到标签的信 号后读写器管理设备中的信息 然后发送到上位机 由于 RFID 网络呈现严重 的非对称性 电子标签的功能非常低 标签之间无法正常互相通信 且在大多 数情况下 标签是无源的 无法主动发送通信信号 所以只能通过反向散射方 式与读写器进行通信 4 4 系统主要功能及实现方法 基于 ZigBee 技术的 RFID 系统如图 4 4 1 所示 是属于有源 RFID 系统 其工作在 2 4GH 的通信频率中 系统后端为网络终端设备 网络终端设备完成 与读写器的通信 对读写器的控制以及与用户的直接交互式的工作 通过网络 对从相连的读写器读取数据 或相连的读写器发出的控制信息 做出适当处理 包括对标签数据的汇聚 过滤以及计算 最终生成有效数据和图片信息并友好 地显示给用户 SPI中断 SPI中断 读写器 图 4 4 1 基于 ZigBee 技术的 RFID 系统模型 为了体现 ZigBee 技术的低功耗优势 系统的 ZigBee 芯片采用冬眠 睡眠 和空闲三个状态转换模式 ZigBee 技术采用完全确认的数据传输模式 每个发送的数据包都必须等待 接收方的确认信息 以确保信息传送的可靠性 ZigBee 协议规定的确认帧就是 专门完成此项工作的 读写器在进行射频识别的状态时 作为应答器的 ZigBee 芯片 在发送自身的识别信息时也是在接收到读写器的确认帧后方可重新进入 网络终端 设备 MCU MCU 网络 ZigBee ZigBee 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 15 页 共 18 页 到睡眠状态 应答器处于信息写入状态时 在读写器 ZigBee 芯片发出请求后 接收到应答器的确认帧 便可停止发送写入请求 用户对物品进行 ID 识别是由射频识别提供的 通过识别可得到物品的相关 信息 具体的实现步骤是用户在网络终端设备上选择识别按钮 网络终端设备 通过网络把控制信息传递给读写器 MCU 初始化读写器为射频识别状态 读写 器 MCU 通过 SPI 接口发出控制信息控制 ZigBee 芯片发送识别请求 在读写器 处于射频识别状态时 ZigBee 芯片必须循环发送并接受信号 应答器 ZigBee 芯片接收识别信息 通过中断告知应答器 MCU 应答器 MCU 控制应答器 ZigBee 芯片发送物品信息给读写器 读写器 ZigBee 芯片接收信息 读写器 MCU 通过重点响应 将接收到的信息返回给网络终端设备 网络终端设备的中 间件对数据进行加工 最终在屏幕上显示相关信息 现就以有源 RFID 系统为例 系统由服务器 读写器和电子标签组成 如图 4 2 2 所示 电子标签为 有源 RFID 标签内存储着物体的具体信息并集成有相应的传感器以对周围环境 进行检测 把数据以及自己的信息传到服务器 有源标签有发送数据的自主权 从而减轻了读写器的负担 减少了读写器的个数 增大了读写器与标签的距离 读写器之间可通过 ZigBee 协议构成无线传感器网络 通过多跳方式把数据传送 至服务器 从而扩大了网络覆盖面积 服务器可通过调用数据库中已存储的进 入网络的标签信息 对物体进行定位从而触发相应的事件 实现人与物 人与 人的交互 基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究 作者 罗淑琴 第 16 页 共 18 页 图 4 4 2 基于 ZigBee 技术的有源 RFID 系统模型 第 5 章结束语 目前 RFID 技术的难道还是远距离识别和识别的准确抗干扰性 只有更全 面地解决 RF