ZigBee和特高频RFID技术在物联网中的融合研究

韩培培　姬五胜　姬晓春　张泉斌　李莉

摘 要：无线传感器网络与RFID技术的融合是当前物联网领域的一大研究热点。文中通过介绍RFID技术、无线传感器网络技术、无线传感器网络与RFID技术的融合，提出了一种基于ZigBee技术的特高频RFID读写系统的设计方案，对融合系统通信接口的实现与通信协议的转换进行了详细论述，并指出了融合系统节点间存在的能耗不平衡问题。

关键词：无线传感器网络；ZigBee；特高频RFID读写系统；能耗不平衡

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

物联网是在互联网基础上，利用RFID识别技术、无线通信网络感知等技术构造的物物相连的“Internet of Things”[1]。从1999年“物联网”概念的首次提出，到2008年奥巴马提出的“智慧地球”構想，引起了全世界范围内的轰动，被列为振兴美国经济、确立领先优势的关键战略；韩国也在2004年提出了“IT839”战略，在战略中涵盖了物联网基础设施建设、信息产业服务等内容；2009年11月3日，温家宝总理在北京向首都科技界发表题为《让科技引领中国可持续发展》时，强调要把“物联网”与“传感网”作为21世纪中国腾飞的“发动机”[2]，将国内对互联网的关注推向了一个前所未有的高度。

目前，我国相关IT企业和中国移动、中国电信等电信运营商都在积极开展与“物联网”相关的研究工作，采用传感网控制物流、电力、交通、农业以及渔业等，并为其提供相关服务。2011年，国务院相关部委相继公布了一系列促进物联网产业发展的政策措施，政府的积极推动为物联网产业的发展营造了良好的环境。这一系列标志性的历史事件都预示着21世纪将是物联网的时代。

物联网将会是下一个万亿级通信业务，其产业的发展孕育着巨大的商机和市场空间。作为物联网的两大关键技术——无线传感器网络和RFID技术，凭借各自的技术优势在其应用领域得到了迅猛发展，通过对这两种技术优势的探究，将无线传感器网络和RFID技术进行融合已在物联网的应用方面引起了广泛关注[3]。

1 RFID技术和无线传感器网络研究现状

1.1 RFID技术研究现状

RFID技术是利用电感或电磁耦合原理，在非接触的情况下实现对目标自动识别的无线射频识别技术[4]。RFID读写系统主要由电子标签、读写器和上位机数据处理系统组成。采用防碰撞技术解决多标签识别过程中产生的标签碰撞问题，可实现对高速运动目标的识别功能。从RFID技术本身来看，RFID读写器可通过对电子标签的免接触操作实现读写功能，尤其是特高频RFID读写系统，凭借较快的数据传输速度、较远的识别距离、较强的抗干扰性能等优点，在物流、民政、交通、民航、防伪及身份识别等方面拥有不可替代的优越性[5]。

但随着RFID技术的发展，用户对RFID读写系统的通信距离提出了更高的要求，即使提高天线的发射功率和读写器的灵敏度，也很难实现RFID读写系统的远距离通信。现有的RFID读写器和上位机数据处理系统之间通过有线方式连接，在部署大量读写器的情况下，存在需要对空间布线位置进行设计、布线成本高、维护工作效率低等缺点，无法满足对RFID读写器进行灵活分配的需求[6]。

1.2 无线传感器网络研究现状

无线传感器网络作为物联网的底层网络，它的出现带来了一场信息领域的革命，主要经历了点对点、点对多点、多跳/网状结构的发展历程[7]。无线传感器网络还处于发展阶段，在实际应用中需要不断完善，但传统的以数据为中心的Internet技术加上以传输数据为目的的Ad-Hoc路由机制已无法满足传感器网络的技术要求[8，9]。因此无线局域网和蓝牙等无线传输技术出现后，无线传感器网络的发展向前推进了一大步。无线传感器网络在家庭或者工业领域的使用中，需要具备低功耗、低成本、应用灵活等特点。蓝牙的售价一直居高不下，不利于技术的推广应用。ZigBee技术作为一种新兴的低功耗、低成本的无线通信技术，它的出现满足了无线传感器网络的需求，逐渐成为无线传感器网络的首选协议。

ZigBee技术是基于IEEE 802.15.4协议标准研发的短距离、低功耗、自组网无线通信技术[10]。单个ZigBee节点之间的传输距离较短，但ZigBee具有强大的自组网能力，通过合理的网络节点设计和部署，理论上用户和节点间的传输距离可以达到无限远。ZigBee终端节点可连接红外传感器模块、压力传感器模块、温度传感器模块、湿度传感器模块等，所以ZigBee具有远距离环境监测、数据采集、监控及无线网络定位功能，但不具备RFID技术拥有的电子标签信息识别功能。

2 无线传感器网络和RFID技术的融合

2.1 无线传感器网络和RFID技术融合的必要性

在RFID技术中，电子标签的成本较低，且电子标签易于粘贴在物品上，可重复使用、抗污染能力和耐久性强、容量大、不易受恶劣环境因素影响[11]，但RFID技术自身无法实现信息的远距离传输。无线传感器网络具有自组织组网功能，省去了布线的麻烦，网络重建周期短，但不能像RFID读写器那样对物体信息实现精准识别。在一些实际应用中，既需要对目标信息精确识别，又需要将识别信息远距离传输，因此将无线传感器网络与RFID技术相结合已成为一种趋势。随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络和RFID技术融合将是未来物联网技术发展的趋势[12]。如何将这两种技术更好地融合成为当今研究的热点。

2.2 无线传感器网络和RFID技术的融合现状

近年来，无线传感器网络和RFID技术的融合在物联网技术研究中受到了高度重视。目前RFID和无线传感器网络的融合结构分为三种[13]，即有源RFID标签与传感器的融合、无源RFID标签和无线传感器网络节点的融合、无线传感器网络节点和RFID读写器的融合。

2.2.1 有源电子标签和传感器的融合

Deng等人[14]提出了一种基于有源电子标签的传感器嵌入式射频识别（SE-RFID）系统的设计方案，该方案中一个电子标签集成了多个传感器，如图1所示。传感器独立工作，集成传感器的RFID标签即使不在读写器的识别范围内，传感器也会将采集到的温度、湿度等环境信息定期传输给RFID电子标签，然后RFID电子标签将获得的数据传输给读写器。该系统架构的一个应用在于通过使用SE-RFID技术开发一个健康监测系统（HEMS），以不断监测、重新评估、诊断疾病。但该集成架构存在一些不足，即有源电子标签的成本较高、体积较大，集成传感器的有源RFID电子标签能耗较高。

2.2.2 无源电子标签和无线传感器网络节点的融合

与有源电子标签相比，无源电子标签成本低、体积小，应用更加普遍。Cho等人[15]提出了一种无源传感器RFID标签，被用来检测外界的温度和光照；Zhou和Wu[16]提出了一种嵌入式无源超高频RFID传感器标签，这种无源超高频RFID传感器标签射频前端采用磁性传感器，具有较高的灵敏度与较小的体积和较低的能耗。无源电子标签和传感器节点的融合具有一些优势，但不足之处在于无源电子标签没有电池供电，电源通过接收读写器发送的载波信号转化而来，因此融合无源电子标签的传感器网络节点与RFID读写器的距离较近。融合有无源电子标签的传感器节点的网络架构如图2所示。

2.2.3 无线传感器网络节点和RFID读写器的融合

文献[17]提出了另外一种可行的集成方案：将无线传感器网络节点与RFID读写器集成为无线传感器网络中的终端节点。通常将集成RFID读写器的无线传感器网络节点称为智能节点。集成系统由RFID标签、智能节点、汇聚节点和管理节点组成。智能节点不仅可被用作RFID读写器识别RFID标签，还可以被看作无线传感器网络节点。智能节点通过自组织网络将读取的RFID标签信息无线转发给汇聚节点。这种智能节点体积小、成本低、部署灵活，克服了传统RFID读写器因为位置固定带来的应用限制。

无线传感器网络节点和RFID读写器融合的网络架构如图3所示。

3 ZigBee和特高频RFID技术的融合方案

通过对无线传感器网络和RFID技术融合架构的讨论，本文提出一种ZigBee节点和特高频RFID读写器的融合方案。

3.1 ZigBee和特高频RFID技术融合的网络架构

在ZigBee網络中，存在协调器节点、路由器节点和终端节点三种设备类型。ZigBee节点和特高频RFID读写器的融合系统由上位机数据处理系统、协调器节点、路由器节点、终端节点、电子标签组成。本文将ZigBee节点和特高频RFID读写器的融合节点作为网络的终端节点，终端节点中的RFID读写器将采集到的电子标签信息通过ZigBee网络传输给协调器节点，协调器节点直接传输到上位机数据处理系统。上位机数据处理系统通过串口和协调器节点进行信息交流。具体的网络架构如图4所示。

3.2 ZigBee和特高频RFID技术融合方案的可行性

ZigBee网络和特高频RFID技术融合是可行的，具体原因如下：

（1）特高频RFID协议规定了通信的空气接口，却没有对信息的管理方式和数据的传递方式做出具体规定，而ZigBee技术有着相对完善的网络协议[18]；

（2）特高频RFID技术的工作频段是860～960 MHz，而ZigBee技术工作于2.4 GHz频段，二者在通信上使用不同的信道，不会形成干扰；

（3）ISO/IEC 18000-6标准规定的特高频RFID技术的传输速率是几十到几百kbit/s，工作于2.4 GHz频段的ZigBee技术的传输速率是250 kitb/s，满足了特高频RFID技术对通信速率的要求；

（4）高频RFID和ZigBee无线传感器网络已有融合。

3.3 ZigBee节点和特高频RFID读写器融合方案的关键问题分析

ZigBee和RFID技术是两种不同的技术，彼此都在各自的领域发展，若将这两种技术融合，实现ZigBee节点和特高频RFID读写器的集成，还需要解决通信接口、协议转换等关键问题。

3.3.1 ZigBee节点与特高频RFID读写器通信接口的实现

在实际应用中，融合ZigBee节点和特高频RFID读写器的智能节点相当于ZigBee无线传感器网络中的终端节点。终端节点将特高频RFID读写器采集到的电子标签信息通过ZigBee网络协议传输到ZigBee无线网络中，经ZigBee协调器节点将数据传输给上位机数据处理系统，最后，由上位机数据处理系统对接收的数据进行分析处理。ZigBee节点和特高频RFID读写器之间可通过UART，SPI，I2C通信接口方式连接[19]。

在实际中需要根据具体的应用选择合适的通信接口。两模块之间的串行通信接口电路如图5所示。

3.3.2 ZigBee节点与特高频RFID读写器通信协议的设计

特高频RFID读写器模块和ZigBee网络在传输数据过程中使用不同的通信协议，二者的数据单元格式和数据内容各不相同[20]。ZigBee网络数据格式采用IEEE 802.15.4或ZigBee协议；特高频RFID读写器的射频模块发出的指令符合ISO/IEC 18000-6标准的规范格式。为了使特高频RFID读写器模块和ZigBee节点模块进行直接通信，实现系统之间数据的无缝隙传输，需要对协议进行转换，包括特高频RFID读写器和ZigBee节点之间、协调器节点和上位机数据系统之间。

（1）特高频RFID读写器和ZigBee节点之间的协议转换

特高频RFID读写器向ZigBee节点模块传输标签信息时，读写器将接收到的符合ISO/IEC 18000-6协议格式的数据帧经内部解析提取出数据参数，并将数据参数通过ZigBee协议栈打包成符合ZigBee协议格式的数据帧；ZigBee终端节点模块的数据帧被读写器模块接收，读写器控制模块程序解析数据帧，提取数据帧中的命令和参数，根据命令控制对无源标签的操作。

（2）协调器和上位机数据处理系统之间的协议转换

上位机数据处理系统向协调器节点发送命令时，应在命令帧头部添加协调器节点可以识别的帧头标识，当ZigBee协调器节点接收到上位机传来的数据帧时，去掉帧头标识后将命令传输给ZigBee路由器节点；同理当协调器节点向上位机数据处理系统传输数据帧时，上位机数据处理系统会去掉帧头标识，提取数据。

3.3.3 ZigBee节点与特高频RFID读写器模块融合方案中的能耗问题

ZigBee节点和特高频RFID读写器的融合方案采用ZigBee网络架构，部署灵活，但是网络中的节点之间却存在严重的能耗不平衡问题：

（1）该融合架构采用“多对一”的通信方式，路由器节点和协调器节点数据通信量大，能耗较高；

（2）与协调器节点较近的路由器节点在接收数据和向协调器节点传输数据时，需要消耗比其他路由节点更多的能量；

（3）ZigBee网络功耗较低，当系统无任务时，ZigBee节点可以休眠，而RFID读写器目前在该系统中还不能休眠，使得融合系统中的终端节点一直处于工作状态，耗费能量较多。由于终端节点由电池供电，节点能量有限，终端节点会因为能量消耗殆尽而过早的死亡，使该节点附近电子标签的信息不再受监控。

因此如何保持网络节点间的能耗均衡、延长网络寿命是近年来无线传感器网络的重要研究议题。

为了解决该问题，学术界提出一些节能方案，例如通过降低节点的发射功率减小输出功率，同时保持网络的连通[21]，但该方案同时也减小了节点间的通信距离；在ZigBee网络中，将部分终端节点分配到协调器节点周围，使其可直接与协调器通信，减轻路由器节点的通信负担，延长路由器节点的寿命，达到能量均衡利用的目的[22]，但终端节点数量的增加意味着系统的成本也随之提高。目前应用比较成熟的节能协议是LEACH（低功耗自适应集簇分层型）协议[23]。基于LEACH协议的网络结构模型如图6所示。图中1和2分别为两个簇的簇头，标号为1.1，1.2的终端节点为下轮簇头的候选者，同理，标号2.1，2.2，2.3的终端节点也是下轮该簇簇头的候选者。

LEACH算法优于传统的静态聚类算法，具有以下特点：

（1）可以在网络中的局部设置簇完成局部的协作操作。

（2）通过巡回的方式选择簇头，当簇头选定后，该簇中剩下的节点将是下一个簇头的候选者，这样系统的能量负担被分散于簇中所有的节点之间。

（3）簇中的每个节点都可以和协调器节点实现直接通信。

但该算法中还存在以下不足：

（1）LEACH协议簇头的选择是随机的，可能会造成能量较低的节点被当作簇头，较大的通信量和较远的传输距离会加速该簇头的死亡。

（2）在LEACH协议中，当簇头和协调器节点的距离较远时，根据公式（1）[24]：

ETX=Eelec×l+εamp×l×d2 （1）

其中：ETX其是发送l位数据节点消耗的能量；l是从一个节点发送的数据包的大小；d是通信節点之间的距离。随着通信量l和通信距离d的增大，节点发送数据所消耗的能量也就越大，导致节点过早死亡。因此，所使用的通信协议取决于系统的网络拓扑结构和无线电参数。

3.3.4 融合系统的应用

虽然，国内外对无线传感器网络和RFID技术的融合研究仍处于发展阶段，但是无线传感器网络和RFID技术的融合方案为很多应用领域开辟了新的方向。

文献[25]将无线传感器网络和RFID读写器结合设计的手持读写器通过无线网络与电脑连接，将奶牛养殖数据实时传输到溯源系统，实现对奶牛养殖过程生命周期信息的准确、快速查询，加强对奶牛的现代化管理。姬五胜等人[26，27]设计的基于ZigBee和高频RFID技术的猪肉可溯源系统，凭借其较高的灵活性、低功耗、远距离传输、良好的人机交互界面优势实现了对生猪养殖、屠宰、物流运输和猪肉销售等信息的全程跟踪，可降低猪肉产品风险发生概率，满足了消费者对猪肉生产相关信息知情的需求。梁龙等人[28]设计的分布式考勤系统，利用ZigBee技术的自组织网络优势和RFID技术对标签的识别功能使考勤系统的部署简单易行，提高了维护工作的效率，省去了楼宇布线的成本。除此之外，融合系统还被应用在物流、医疗、供应链管理等领域，实现了对信息的远程监控。

4 结 语

本文通过介绍RFID技术、ZigBee技术以及无线传感器网络和RFID技术的融合现状，提出了一种融合ZigBee和特高频RFID技术的网络架构。该融合方案将ZigBee和RFID读写器的融合节点作为ZigBee无线网络中的终端节点，该终端节点具有射频识别和无线传感器网络终端节点功能，使系统网络的识别距离变长，传输距离变远，从而扩展了ZigBee技术、特高频RFID技术的应用范围。在物联网技术背景下，将特高频RFID技术和ZigBee技术融合的无线传感器网络是一个发展趋势，该网络中无线RFID读写器（终端节点）具有无线特性，识别距离长，传输距离远，有很多典型的技术应用。但是该系统也有明显的不足，终端节点能量消耗较大，如何降低能耗并使无线RFID读写器终端节点具有休眠特性是一个技术难题。

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