基于RFID的无线传感器网络节点的设计

2010-09-13张刚建邹传云

通信技术 2010年10期

张刚建，邹传云，段宏

（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010）

0 引言

近几年大型超市发展越来越迅速，规模也越来越大，由于超市内商品种类繁多，所需的温度和保质期又不相同，从而就引发出超市内商品管理困难的问题。现提出一种具有RFID读取功能的传感节点的设计，通过这样的无线传感网络节点不仅可以监控超市内不同地点的温度、湿度，还可以利用RFID来读取商品的物理信息、销售状况，这样就可以方便有效的进行超市的管理，减少资源的浪费。

1 无线传感器网络的设计

1.1 设计思想

这里的设计思想是将RFID阅读器融合到传感器节点上来，RFID具有实体标识功能，传感器网络具有信息收集功能，通过网络中传感器节点将两者的功能融合到一起。

1.2 网络拓扑结构的结构组成

基于RFID的无线传感网络实际上是RFID技术和传感器技术的结合，其组成主要包括：中央节点也就是信息处理中心、路由节点、普通传感器节点，如图1所示，图1中C：中央节点；R：路由节点；G：普通传感器节点；T：标签。网络采用的是星形拓扑结构，网络中含有少量的路由节点，每个路由节点周围又有若干个普通传感器节点，一个路由节点和它周围的普通传感器节点组成一个微网[2]。在这个网络中的中央节点是使用者进行操作的，同时也是所有信息的目的地。在网络中除了中央节点外的每一个节点都是采用电池供电的，一般网络要求在不更换电池的前提下至少使用2年，这就要求在节点不使用的时候都能够处于低功耗的休眠状态，当需要使用的时候又可以唤醒，而当电池电量低需要更新时会发出指示信号。网络中，每个节点在不需要其他配置的情况下都可以自启动并运行，节点的数量也没有限制，可以无限的扩展，从而整个系统具有大规模应用性。系统中使用的RFID系统遵守广泛应用的RFID标准和协议，可以方便和其他RFID系统连接。

图1 无线传感器网络拓扑结构

1.2.1 中央节点组成框架

中央节点是网络的一个数据信息汇集与控制信号发出点。如图2所示。

图2 中央节点的电路组成框架

图2中，射频收发模块负责接收各传感器节点发出的有载射频模拟信号，并将其解调为基带数字信号。在PC接口电路中，根据相应的通信协议来获取传感器节点发出的数据信息，并存放于预先设置好的存储器段内。电脑终端通过PC接口模块，按部就班地读取这些数据信息。

1.2.2 路由节点组成框架

图3为路由节点的电路组成框架示意图。

图3 路由节点的电路组成框架

在这里，信息进行汇集和转发，中继信息处理模块的基本作用将接收到的数据与控制信息进行再生处理，消除因传输引人的噪声与误差干扰，以便信息进行无差错的传输。

1.3 传感器节点的设计

1.3.1 节点开发平台的介绍

MICA2平台是由美国伯克利大学开发，它有一个主控制器，一个射频收发器和一根射频天线，它是专门为无线传感器网络设计的，具有功耗低、体积小等特点。MICA2平台上的Atmega128L主控制器包含128 K字节的片上FLASH，4 K字节的EEPROM，4 K字节的SRAM，可编程串口，SPI接口，时钟频率是7.37 MHz。平台采用3 V电池供电，同时支持低功耗的休眠模式。

1.3.2 节点的硬件组成

无线传感器节点一般有传感器模块、数据处理模块、电源模块和数据传输模块组成，由于本设计需要节点能够读取商品上的标签，所以节点安装一个能够读取标准电子标签的阅读器。传感器模块采用的数字式温湿度传感器芯片SHT11，这样节点在读取标签的同时也可以方便的知道节点附近的温湿度。具体硬件组成框图如图4所示。

图4 硬件组成框

设计中采用的射频芯片和传感器芯片：

（1）射频芯片CC1000

CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35 µm CMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868及915 MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在300～1 000 MHz范围内。它具有低电压，极低的功耗，高灵敏度，小尺寸，集成了位同步器等特点[3]。

（2）传感器芯片SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。

2 工作流程

系统工作流程如图5（a）所示。使用者通过中央节点向节点发送读取信息的指令，节点通过射频模块接收到指令并通过SPI(串行外设接口)传给主控制器，然后主控制器分别向RFID阅读器和温湿度传感器发送命令让它们完成读取指令，射频模块会将它们收集的信息转发到控制中心进行分析，然后给出相应的措施来提醒工作人员进行处理。

图5 工作流程

整个系统中关键的部分是RFID阅读器读取工作，这也是设计的重点所在。RFID阅读器整合到整个系统中，是由主控制器来控制它的读取。在目标商品上部署RFID标签，标签中包含目标商品的信息，传感器节点通过RFID天线向标签发出查询信号，标签被电磁波激活，驱动自己的天线向RFID天线回复自己的信息，信息被RFID阅读器读出。其工作流程图如图5（b）所示。

3 网络的具体应用及分析

应用环境为某大型超市。由于货架的长度一般是100～200 m，高度是 1～2 m，所以将射频芯片的频率定为 433 MHz，RFID系统为915 MHz（射频芯片定为433 MHz是由于这个频率抗干扰能力强而且通信距离能够达到 200 m，915 MHz的RFID系统读取距离可达8 m而且读写速度较快）。在货架上部署传感器节点，通过阅读器读取商品标签的信息，从而知道商品的保质期，数量，保存温度，产地等等。同时节点上带有温湿度传感器，可以得到节点附近的温湿度。节点将这些信息收集发送到距离100～200 m外的路由节点，最终到达控制中心。在这里系统通过分析这些信息并与设定的信息（保质期≤10天，温度比商品设定最高温度≥5度，商品数量≤5）对比，如果满足其中任意一条就会进行报警。从而提醒超市工作人员进行相应的处理。考虑到能耗的问题则约定传感器节点每十分钟（预留时间设置为十分钟）读取一次标签，或者根据网络广播的命令定期进行信息获取，在RFID不工作时处于关电状态。经实验测试表明该网络可以达到预定目标，可以按照设定信息对商品进行智能监控，需要进行处理时就会报警，很大程度上减少断货和保质期到期事件的发生，从而可以实时、有效的解决大型超市、仓库等管理难的问题。