隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越受重視。2003年，美國《技術(shù)評論》提出物聯(lián)網(wǎng)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首，物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用電子商品代碼EPC、RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造的一個覆蓋世界上萬事萬物的信息網(wǎng)絡(luò)，是獨立于EPC 系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合的產(chǎn)物[1]。物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟的復(fù)蘇提供技術(shù)動力。
　ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE.802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。它使用的頻段是全球通用的2.4 GHz，該標準定義了在IEEE.802.15.4物理層(PHY)和標準媒體訪問控制層(MAC)上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù), ZigBee聯(lián)盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的搭建，對促進研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研對接也具有十分重要的意義，為最終實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了一條簡單、可行的途徑。
1 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺硬件設(shè)計
　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心就是射頻識別技術(shù)(RFID)，基本的RFID系統(tǒng)至少包含閱讀器(Reader)和RFID標簽(Tag)，它具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠、穿透性強、工作環(huán)境適應(yīng)性強、可重復(fù)使用等多種優(yōu)勢。RFID標簽由芯片與天線組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，標簽附著在物體上以表示目標對象[2]。
　物聯(lián)網(wǎng)另一個重要技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目前無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有六種，分別是藍牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(WiFi)、超寬帶通信(UWB)、近場通信(NFC)、ZigBee和紅外數(shù)據(jù)通信IrDA技術(shù)。其中藍牙技術(shù)是工作在2.4 GHz頻段的無線技術(shù)，目前在計算機外設(shè)方面應(yīng)用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復(fù)雜、開發(fā)成本高、節(jié)點功耗大等缺點，從而限制了其在工農(nóng)業(yè)方面的進一步推廣；WiFi技術(shù)的通信速率為11 Mb/s,通信距離為50~100 m,適合于多媒體的應(yīng)用，但其本身實現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，因而在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用較少；紅外技術(shù)的實現(xiàn)和操作相對簡單、成本低廉,但紅外光線易受遮擋，可移動性差，只支持點對點視距對接，無法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；超寬帶通信(UWB)是一種無線載波通信技術(shù)，主要的應(yīng)用是在視頻消費娛樂方面的無線個人局域網(wǎng)；近場通信(NFC)采用雙向的識別和連接技術(shù)，主要應(yīng)用于遙控識別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并；ZigBee技術(shù)以其經(jīng)濟、可靠、高效等優(yōu)點在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器以及多個路由器和多個終端設(shè)備組成[3]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有3種:星型、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE.802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質(zhì)訪問控制層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)架構(gòu)。
　ZigBee硬件電路上采用TI/Chipcon公司開發(fā)的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2430/CC2431無線單片機，它免費提供ZigBee聯(lián)盟認證的全面兼容的IEEE.802.15.4-2003協(xié)議規(guī)范和ZigBee 2006協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧源代碼和開發(fā)文檔，集單片機仿真器、編程器、ZigBee協(xié)議分析儀、圖片點陣LCD顯示屏、高性能語音電路、Joystick及幾種典型模擬組件于一體的開發(fā)母版，實現(xiàn)TI/Chipcon公司提供的ZigBee開發(fā)軟件的完全無縫連接。CC2430整合了業(yè)界領(lǐng)先的2.4 GHz IEEE.802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機CC2420以及工業(yè)標準的增強型8051MCU的卓越性能,還包括了8 KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他強大特性。CC2430在接收機傳輸模式下的電流損耗為25 mA，使得RF-IC成為針對超長電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。ZigBee嵌入RFID射頻識別系統(tǒng)的電路圖如圖1所示。

    在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)中還有GPS和GPRS模塊，全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是一種以空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的全球定位系統(tǒng),在全球任何地方以及近地空間能夠提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息[4]。GPS系統(tǒng)由3大部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡稱，位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通信技術(shù)之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，它只通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，而得到的用戶數(shù)據(jù)速率比GSM網(wǎng)絡(luò)快得多。GPRS模塊利用手機模塊和SIM 卡,把GPS定位到的數(shù)據(jù)進行短消息發(fā)送,告知對方物品所在的位置。
2 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺軟件設(shè)計
　在軟件設(shè)計中使用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，這是一套高精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開發(fā)工具，它具有高度優(yōu)化的C/C++編譯器,高性能的C-SPY調(diào)試器和硬件調(diào)試工具，支持RTOS內(nèi)核識別調(diào)試，提供現(xiàn)成的代碼流程，使二次開發(fā)更加簡便快捷。還有ZigBee協(xié)議分析儀軟件Packet Sniffer，它可以對空氣中的無線信號進行監(jiān)聽、過濾和數(shù)據(jù)解碼，并將其按照一定的數(shù)據(jù)包格式顯示在GUI界面中，也可以將這些數(shù)據(jù)以二進制文件格式存儲。Z-Location Engine是專為CC2430無線定位系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)圖形監(jiān)視軟件,可以實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的上位機實時定位監(jiān)控，對系統(tǒng)各個節(jié)點進行參數(shù)修改和配置，以及定位電子地圖顯示和更新功能。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

3 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)設(shè)計
    物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    電子標簽EPC也稱應(yīng)答器，為防止不必要的損耗，應(yīng)答器平時處于低功耗睡眠模式。閱讀器在讀取電子標簽數(shù)據(jù)時通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號,當EPC電子標簽進入閱讀器讀取范圍時，電子標簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取工作所需的電能后被激活，進入工作狀態(tài)，向閱讀器發(fā)送自身的編碼等EPC信息，閱讀器在接收到來自電子標簽的載波信息后, 對接收信號進行解調(diào)和解碼, 將其信息送至數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)進行處理。RFID數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計算機應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件Savant系統(tǒng)。另外在整個物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)中如果想知道某個物品的位置時，只需通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出查詢信號，各子模塊接收到查詢信息后，通過RFID讀寫器閱讀自身的RFID信息，并與中心傳遞的編碼相比較，確認是否是詢問自己，并從GPS系統(tǒng)中讀自己的地理位置信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將位置信號傳送給控制中心，從而掌握物品所在位置，提高工作人員的工作效率和降低物品管理成本。另外讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時容易發(fā)生“沖突”，就是同時有兩個或多個標簽進入讀卡器讀取范圍，都向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)，使讀卡器在讀取數(shù)據(jù)時發(fā)生沖突。目前有數(shù)據(jù)檢驗和防碰撞算法(ALOHA)兩種方法解決這個問題，其中ALOHA是一種時分多址存取方式，基本原理是閱讀器在等待狀態(tài)中的循環(huán)時隙段內(nèi)發(fā)送請求命令，該命令使工作應(yīng)答器同步，然后提供一或兩個時隙給工作應(yīng)答器使用，工作應(yīng)答器將選擇自己的傳輸時隙，如果在這一或兩個時隙內(nèi)有較多應(yīng)答器發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突，則閱讀器就用下一個請求命令增加可使用的時隙數(shù)，直到不出現(xiàn)沖突為止[5]。
4 系統(tǒng)測試和結(jié)論
    本文設(shè)計由參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成的定位系統(tǒng)，將參考節(jié)點布置在一定的區(qū)域，本次選擇兩組，一組10個節(jié)點，其中2個做測試用，另一組20個節(jié)點，其中4個做測試用。網(wǎng)關(guān)節(jié)點把定位信息通過上位機顯示出來。通過多次改變移動節(jié)點的位置來測量移動節(jié)點的位置，然后與實際位置進行比較，表1和表2是以移動節(jié)點為例在不同區(qū)域內(nèi)進行測量的結(jié)果。

    從表中得出的數(shù)據(jù)可以看出，區(qū)域不大時，定位精度相對高些，在區(qū)域大的地方相對定位精度低些，檢測節(jié)點位置在區(qū)域中心，定位相對準確，邊緣位置定位誤差相對大些。經(jīng)過試驗，定位精度還與所在的環(huán)境有關(guān)，在空曠平緩的地方精度高些，在崎嶇有障礙物的地方定位精度相對較低。
    本文在充分考慮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)有狀況和深入分析技術(shù)難題的前提下,把RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技術(shù)融合在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺中，構(gòu)建一套基于ZigBee技術(shù)和無線射頻識別的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺系統(tǒng)，提高了閱讀器的讀取能力、防沖突能力和組網(wǎng)能力，但是在物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用中還有許多問題,如RFID的ISO/IEC標準、RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院瓦h距離識別、抗干擾能力等問題亟待解決。隨著RFID、ZigBee、GPS等技術(shù)的不斷發(fā)展和不斷更新,它們在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢將更為突出,必將更好地改善我們的生活。
參考文獻
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