基于Zigbee与RFID的实验室危险物品监控系统

汤熠，朱建勇，林颖，马莹

(华北计算机系统工程研究所，北京100083)

Zigbee作为当今最热门的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)技术之一，以其低功耗、低单位成本、组网自适应、网络容量大等特点，已经被广泛应用于自动控制和监控领域。射频识别RFID(Radio Frequency Identification)是一种利用无线射频方式在阅读器与应答器之间进行非接触双向传输，以达到目标识别与数据交换目的的技术。

多年来我国在传感网络和监测方面开展了大量研究工作，但与实验室现场安全监测方面相结合的研究还较少，仍处于起步、探索阶段。目前国内外针对生物安全实验室的自动化监控系统大多集中在单独的监测，没有实现监控系统的网络化和实时化。本课题将传感器网络与RFID技术应用到生物安全实验室监控中来，以更低的成本智能化地判断和跟踪实验室危险品，实现其他监控系统达不到的网络化与实时化。系统和监控中心之间采用基于Zigbee的无线传感器网络进行多跳连接，通过集成RFID阅读器的子节点实现对危险物品的室内定位监控，同时节点还可以利用自身配备的各种传感器设备将物品周围的环境信息(温湿度、压强、烟雾等)发送到控制中心。

RFID技术和WSN技术具有不同的技术特点，WSN可以监测四面八方感应到的各种信息，但缺乏对物品的标识能力，RFID技术强大的标识物品的能力正好可以弥补；RFID抗干扰性较差，而且无源RFID的有效读取距离一般小于10 m，如果能利用WSN长达100 m的有效距离，将会拓展RFID技术的应用范围。将RFID和WSN进行集成应用，会极大地推动两项技术的应用。

系统概述

在系统中，利用RFID标签来记录危险物品的详细信息和位置信息，并实时与RFID阅读器节点进行信息交互；配置了各种传感器的普通终端节点来检测装载危险品的容器的相关重要指标，可以主动记录对象的温湿度、烟雾、压差等环境信息，并实时上传感知信息。Zigbee传感器网络注重某个区域的感测指标，而RFID技术能够准确地识别具体的节点信息并进行位置监控。综合两者的技术特点，基于传感器网络的RFID监控系统能够主动、实时地对环境进行检测并准确地记录具体节点的相关数据，必要时能够主动发出警报。系统主要实现环境信息传感、危险物品位置检测以及安全告警等功能，系统实现中主要包括了组网分析、Zigbee RFID无线传感网络硬件实现和监控中心管理软件设计三大部分内容，最后给出了本设计的实验室样机网络系统及验证结果。

系统实现

RFID系统和WSN系统作为单独作用的系统而言，其体系架构都已经比较成熟了，但对于两者集成的体系架构研究才刚刚开始。对于目前RFID系统中的读写器来说，只能在本地控制系统的控制下工作，其庞大的体积和昂贵的价格限制了它的移动和大量布置。而且，RFID读写器的天线必须仔细地设计，以便可以覆盖到范围内所有的标签，还要防止不同读写器天线之间的碰撞。这些不利因素都限制了RFID的进一步应用。如果能够削减RFID读写器的部分功能，可以使得读写器成本降低且更容易布置。因此，本文采用一种分布式智能节点结构[1]，其结构如图1所示。

在这种结构下，一个基本的Zigbee RFID无线传感网络由RFID阅读器终端节点、RFID标签、普通终端节点、路由器节点、协调器节点、后台应用系统构成。节点被布置到一个Zigbee协议的无线传感器网络中，自主运行，通过网络传送数据给后台服务器。RFID标签根据不同的用途和通信距离可以采用被动式无源标签、半无源标签、有源标签等，它们遵循RFID协议规定的物理层标准和数据结构，将采集到的信息通过Zigbee无线传感器网络发送给后台处理的应用系统。

硬件实现

Zigbee节点硬件设计

本系统中Zigbee节点主要由RFID阅读器终端节点、普通终端节点、路由器节点、协调器节点等四类节点组成。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理、通信模块进行分离，根据硬件配置的不同，实现不同的节点功能，同时又可以保证所有节点既能向其他节点和其他外围数据采集模块(包括各种传感器以及RFID读写器)发送控制命令采集数据，又能够与控制中心通信以实现信息的交互。其构成主要包括微处理器、射频通信模块、传感器单元、RFID读写模块和电源供应模块。由于降低功耗以延长系统寿命是无线传感器网络设计需要首先考虑的问题[2]，所以系统中采用了TI公司CC2430。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[3]。节点硬件结构框图如图2所示。

其中，协调器节点作为中心控制器，所有的有效数据都会经过它传送到控制中心和路由器、终端节点。在本系统中，协调器节点通过串口与计算机相连，工作流程图如图3所示。

RFID阅读器终端节点硬件设计

RFID阅读器终端节点硬件部分由物品跟踪RFID标签、读卡模块、基本Zigbee终端节点组成。每个需要监控的危险物品都配备一个RFID标签，在定位区域的工作面每隔一定距离安装RFID阅读器终端节点。RFID标签发送代表身份特征的射频信号，RFID阅读器终端节点接收到射频信号以后，传送身份以及位置特征信号通过无线传感器网络发送给控制中心。危险物品定位系统中采用433 MHz RFID读写模块，最大限度地减少与2.4 GHz无线传感器网络之间的射频干扰；RFID标签采用主动式标签，被动式标签无需电池，由读写器产生的磁场中获得工作所需的能量，但读取距离较近，且单向通信，局限性较大。主动式电子标签除了具备被动式电子标签的很多特性，还具有读取距离更远、性能更可靠等优点。图4为节点结构框图。

RFID阅读器终端节点的定位实现

要实现对目标物体的定位，首先需要的是参照物或者绝对坐标(如经纬度)[4]。考虑到无线传感器网络的特点和基于对实验室应用场景的分析可知选用绝对坐标对于本监控网络是不适用的，无线传感器网络是自组织独立的灵活组网方式，如果采用绝对坐标对目标物体进行定位，则首先需要获得一张用经纬度标识区域的地图，这在目前分析看来花费的时间成本和财力成本是不值得的也是不必要的。因此，采用参照物方式对无线传感器网络中的移动目标物体进行定位。在本课题研究的系统中，假定RFID读写器终端节点的空间位置是已知的，对于贴有标签的目标物体的定位是参照终端节点的位置而确定的。

假设终端节点的空间坐标为(LcX，LcY)，显示窗口内绘图点的最大坐标值为(MaxPtX，MaxPtY)，由此可计算终端节点的绘图坐标(RdrPtX，RdrPtY):

这样可以得到终端节点的平面绘图坐标(RdrPtX，RdrPtY)，每个标签的绘图坐标是依据各终端节点的坐标计算得到的。标签的绘图坐标采用的是质心定位的算法[5]，即取与该标签有关的终端节点的绘图坐标为顶点构成的多边形的质心为该标签的坐标。图5即包括了采用阅读器节点对标签进行坐标定位的所有情形。

图5(a)表示标签只被一个阅读器识别，图5(b)表示标签被两个阅读器识别，图5(c)表示标签被三个阅读器识别，此时标签(TagPtX，TagPtY)同时位于三个读取器的有效射频识别范围内，则取以三个读取器为顶点的三角形的质心为标签的坐标。这样计算的一个假设同样是依据标签在重叠区域依均匀分布出现。图5(d)表示标签被n个阅读器识别，此时标签(TagPtX，TagPtY)同时位于n个读取器的有效射频识别范围内，则取以n个读取器为顶点的多边形的质心为标签的坐标。这样计算的一个假设同样是依据标签在重叠区域依均匀分布出现。此时标签(TagPtX，TagPtY)的坐标与同时识别它的n个读取器ReaderA(ARdrPtX，ARdrPtY)、Reader B(BRdrPtX，BRdrPtY)、Reader C(CRdrPtX，CRdrPtY)……的关系如下:

对目标物体的轨迹追踪过程是，在已知获得物体在历史时刻的位置坐标的基础上，通过加入时间参数的计算，进而得出目标物体的移动轨迹。通过在上层软件中移动节点定位功能加入预配置GIS支持，还可以将分析得到的移动物体位置实时反映在监控中心的实验室现场方位图中。

监控中心管理软件设计

危险物品监控管理软件实现对危险物品跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、数据库存储、报表打印等功能。软件是采用Microsoft的Visual C++6.0开发的集数据采集与信息处理于一体的综合管理系统。本系统采用以SQL Server2000数据库为主的C/S模式开发而成，共有操作员登录、实时显示、数据查询、数据统计、物品信息管理、系统维护6个模块，如图6所示。

实验验证

本系统在综合测试过程中取得了较好的效果，系统不仅可以实时反映当前环境的温湿度信息和位置信息(精度小于5 m)，而且能够在物体移动的过程中，准确地实现对目标物体的实时定位，并能够对指定的目标进行轨迹追踪，形象地通过窗口图形界面绘制目标物体的移动轨迹。由普通传感器终端节点以及RFID阅读器终端节点采集数据，通过无线传感器网络将数据发送到监控中心，监控中心服务器通过管理软件对当前的环境信息和物品位置信息进行处理和分析。监测结果如图7所示。

从技术应用角度来看，RFID阅读器作为本课题研究的基于无线传感器网络结合RFID技术监控系统的信息采集部分的基础设备，负责目标物体的识别，将目标物体的状态信息上报给系统的控制中心，不同厂商的不同系列的产品对本系统的信息采集成功率、定位精度等方面会产生不同的影响，产品类型的选择与系统应用的场景有关。但是RFID技术系统中的最重要的支持功能就是完成目标物体的识别，至于采用哪个厂商的哪个系列的硬件产品并不会影响系统功能的实现。

本文针对目前实验室危险物品监控中存在的问题，提出了一种综合无线传感器网络与RFID技术的危险品监控系统，介绍了该系统的组成及软硬件实现。通过本课题的研究可见，结合Zigbee技术和RFID射频技术构成的无线传感器网络实现基于位置和环境的监控是可行的。未来研究中，一方面通过在系统交互信息格式及信息交互机制的设计上尽可能地节省能源和提高无线传感器网络的无线性能；另一方面通过深入研究RFID射频识别的特点使其在定位算法的研究上做得尽可能精确，可以以更低的成本、更好的性能实现对危险物品、设备或者各种货物的判断和跟踪。当前，这种技术已经引起了广泛的关注，通过传感器网络技术与RFID技术结合共同打造智能化的物联网络已经为一个新的研究热点，有着广泛应用前景。成的

[1]ZigBee Alliance.Network Specification(Draft Version 1.0).2004.

[2]安庆敏，吴明光，陈波.基于ZigBee的无线通信网络平台[J].低压电器，2007(6):7-9.

[3]欧杰峰.基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络组网研究[D].杭州:浙江大学，2006.

[4]于海滨，曾鹏，梁韡.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社，2006.

[5]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005.

[6]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述.通信学报[J].2004，25(4):114-124.

[7]宋茂强.通信软件设计基础[M].北京:北京邮电大学出版社，2001.

[8]芬肯策勒.射频识别(RFID)技术:无线电感应的应答器和非接触IC卡的原理与应用[M].北京:电子工业出版社，2001.

[9]游战清.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社，2004.