无线传感ZigBee技术在物联网中的应用

摘   要： 将ZigBee和GPS技术融进射频识别RFID的读卡器中,形成一个基于ZigBee、GPS的多点自动识别、智能无线组网和实时定位的RFID识别系统的物联网开发平台。详细介绍了硬件部分和软件部分，同时运用ALOHA算法解决了阅读器在读取EPC电子标签数据时易出现的“冲突”现象。通过实验验证，该系统定位效果好，实用性强。
关键词： 物联网； 定位系统； RFID技术； ZigBee技术
       随着互联网技术、无线传感技术、信息处理技术的快速发展，物联网技术越来越受重视。2003年，美国《技术评论》提出物联网将是未来改变人们生活的十大技术之首，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、无线数据通信等技术，构造的一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[1]。物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。
　ZigBee技术是一组基于IEEE.802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术[2]。它使用的频段是全球通用的2.4 GHz，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应用服务, ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。物联网开发平台的搭建，对促进研究成果的转化和产学研对接也具有十分重要的意义，为最终实现“物联网”提供了一条简单、可行的途径。
1 物联网开发平台硬件设计
　物联网技术核心就是射频识别技术(RFID)，基本的RFID系统至少包含阅读器(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、工作环境适应性强、可重复使用等多种优势。RFID标签由芯片与天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，标签附着在物体上以表示目标对象[2]。
　物联网另一个重要技术是无线传感网络技术，目前无线网络技术主要有六种，分别是蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(WiFi)、超宽带通信(UWB)、近场通信(NFC)、ZigBee和红外数据通信IrDA技术。其中蓝牙技术是工作在2.4 GHz频段的无线技术，目前在计算机外设方面应用较广泛，但由于其协议本身较复杂、开发成本高、节点功耗大等缺点，从而限制了其在工农业方面的进一步推广；WiFi技术的通信速率为11 Mb/s,通信距离为50~100 m,适合于多媒体的应用，但其本身实现成本高，功耗大，安全性能低，因而在无线网络技术应用较少；红外技术的实现和操作相对简单、成本低廉,但红外光线易受遮挡，可移动性差，只支持点对点视距对接，无法灵活地构建网络；超宽带通信(UWB)是一种无线载波通信技术，主要的应用是在视频消费娱乐方面的无线个人局域网；近场通信(NFC)采用双向的识别和连接技术，主要应用于遥控识别和网络技术的合并；ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在物联网技术中有着广泛的应用前景。
     ZigBee网络存在三种逻辑设备类型：协调器、路由器和终端设备。ZigBee网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成[3]。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IEEE.802.15.4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)和应用层(APL)架构。
　ZigBee硬件电路上采用TI/Chipcon公司开发的2.4 GHz 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联盟认证的全面兼容的IEEE.802.15.4-2003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及几种典型模拟组件于一体的开发母版，实现TI/Chipcon公司提供的ZigBee开发软件的完全无缝连接。CC2430整合了业界领先的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee RF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能,还包括了8 KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他强大特性。CC2430在接收机传输模式下的电流损耗为25 mA，使得RF-IC成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。ZigBee嵌入RFID射频识别系统的电路图如图1所示。