Zigbee 与RFID 整合应用研究——智慧图书馆感知网组网设计

秦格辉

物联网实现物物感知和相连，把所有与物相关的信息传到互联网，强调物与物能在泛在网络环境下提供自身信息以方便识别、交互和处理。而基于物联网构建的智慧图书馆，则可把图书馆的各种资源信息，包括文献、家具、环境、空间等进行定义、感知和采集，通过网络实现用户、图书馆与信息资源之间的通信、共享，从而实现智慧化服务和管理[1]。

智慧图书馆要求可以实现各种信息资源的透彻感知，是通过物联网的感知层来实现的。感知层具有超强的环境感知能力，通过摄像头、RFID、智能终端、传感器等泛在网技术，实现对图书馆范围内的建筑、基础设施、环境、设备、安全等方面的识别、信息采集、监测与控制。感知层与网络层的高效、全面融合是衡量图书馆智慧环境通信能力的关键。在成熟的高宽带光纤网络、全面覆盖的无线网络基础上如何构建短距离点对点传输的全面融合网络，是目前图书馆感知网组网技术及系统设计中的难点。

1 RFID 与Zigbee

RFID 技术在图书馆的广泛应用，为智慧图书馆的感知层奠定了基础。从RFID 技术本身来看，特别是高频、超高频的RFID，具有低成本、传输速度快、识别距离适中、抗干扰能力强等特点，因此在图书馆管理、身份识别、产品管理等领域，具有不可替代的优越性。但是，由于RFID 标签与读写器之间的通讯是通过电感耦合方式来实现的，识读距离有限，即使加大天线发射功率、提高阅读器的灵敏度，也不可能从根本上解决远距离通讯问题，因此，如果要实现远距离识别甚至远程控制，必须寻求另一种技术方案才能彻底解决。

Zigbee 是一种低成本、低功耗、低速率、低复杂度、自组网的双向无线通讯技术。虽然单个Zigbee 节点的通讯距离有限，但通过Zigbee 系统强大的自组网能力以及简单灵活的节点部署，理论上可以将通讯距离延伸到无限远。同时，通过Zigbee 节点连接各种传感及控制设备，如红外传感器、压力传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、RFID 识读模块、继电开关模块等，可承担起环境监测及控制的任务。因此，Zigbee 在远距离身份识别、环境监控以及无线网络定位方面，有较大的优越性，但是在近距离通讯以及精准身份识别系统等方面，其价格、性能等均比不上RFID 系统[2]。

如果利用RFID 的近距离身份识别及Zigbee的远程通讯能力，将两者进行融合应用，则可组合成一个精准、稳定的图书馆物联感知应用系统，构建起图书馆所有物之间的“深刻感知、互联互通”的环境。通过该环境感知网的搭建，可实现对图书文献信息准确无误的跟踪，掌握其在架变化情况、流通情况，利用网络技术实现动态信息共享和发布，以合理配置文献资源，实现文献管理的智能化；图书馆内的灯光、空调等各种建筑设备内嵌入传感器装置，实时采集设施运行状态信息，以实现设备的智能化监控、统一管理和能耗控制。图书馆物联感知应用系统强大的信息采集、整合、过滤、汇总能力，使原本孤立、琐碎的图书馆的各种读者信息、服务信息连接起来，管理人员可以通过对信息的分析、比较来预测服务压力、提高服务质量，读者可以享受到更为主动、准确的信息推送服务，并可及时了解图书馆的各种可用资源及信息。

基于以上构想，笔者经过较长时间的研究，完成了可实际应用于图书馆的感知网组网设计方案。

2 Zigbee 与RFID 的技术融合

Zigbee 与RFID 的技术融合就是设计基于Zigbee 技术的RFID 阅读器，使得支持Zigbee的RFID 阅读器与其他Zigbee 节点设备形成自组织的无线网络[3]。Zigbee 采用的是自动组网技术，任何新加入的节点设备只要具有相匹配的个域网标志符(PANID)，且处于无线网络的通讯范围内，即可自动加入已有网络、形成信息路由，并将信息传输到有效的接收者。通过对Zigbee 节点的合理部署和设置，可组建一个高冗余、高可靠性的无线传感网，保证网络的自我恢复能力[4]。

将Zigbee 与RFID 技术结合后，可相互弥补对方的缺陷，并进一步确保数据的准确性及完整性。而融合Zigbee 和RFID 技术的图书馆感知网应用系统则既继承了RFID 简单、快捷、自动识别目标的特性，又融入了Zigbee 主动感知与无线组网的功能[5]。

2.1 融合方案

本文以高频RFID 识读模块和TI 的Zigbee模块CC2530 为例，融合两种技术，设计出一个远距离的RFID 识别系统，可用于固定资产监控管理。

2.1.1 硬件方案

选择NXP 公司的MF RC632 模块作为低功耗高频RFID 识读模块。MF RC632 是NXP公司推出的适用于工作频率为13.56MHz 的高频RFID 模块，它集成了RFID 处理芯片、射频天线以及支持串行通讯协议的输出引脚等模块。MF RC632 可识别基于13.56MHz 的各种RFID智能卡和标签，并支持ISO1443 和ISO15693标准。该识读模块的串行输出引脚可直接连接到任何8 位微处理器，给终端节点的设计提供了极大的灵活性。此外，它所提供的SPI 总线对一些I/O 资源有限的设计提供了有效的解决方案。

选择德州仪器TI 的CC2530 Zigbee 模块作为传输模块。CC2530 是TI 公司最新推出的第二代符合Zigbee 联盟标准的2.4GHz 片上系统(SoC)射频芯片，是一个集成了MCU 处理器、可编程存储器和ZIgbee 射频RF 的真正的单芯片解决方案。它的内核是一个8051 的8 位处理器，具备256KB 闪存和8KB RAM。CC2530可用于各种Zigbee 或类似Zigbee 的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备。

2.1.2 终端感应节点融合方案

将RFID 模块的串口引脚与CC2530 的串口引脚相连，形成一个兼备RFID 感知及远程数据传输的集成模块，RFID 将识读到的RFID标签数据通过串口输出，从而达到了远距离身份识别的目的。

传感器模块负责各种传感信息的采集和数据处理，如数字式温湿度传感器(DHT11)、光敏传感器、红外热释电传感器等。在图书馆的实际应用中，可通过红外热释电传感器采集进馆、出馆人流信息，对图书馆的服务压力进行管控、统计服务；通过温湿传感器，对图书周围的温度、湿度等信息的传感，杜绝保管不善导致图书霉变腐烂等风险；通过光敏传感器，自动识别室内光线，调节照明强度，达到节约能源的目的。

图1 终端感应节点融合图

RFID 模块集成了阅读器和射频天线，通过CC2530 的串口引脚嵌入到CC2530 底板中。单片机控制RFID 模块的射频扫描，当RFID 阅读器扫描并读到RFID 标签信息时，经过转换后传给CC2530 模块，然后再通过串口传给上位机。同样，上位机对RFID 读写模块的控制也经过CC2530 模块传达。多个带RFID 识读模块的ZigBee 终端节点之间可以联网，实现数据的多点无线采集和远距离传输，最终形成一个基于ZigBee 技术的多点自动识别、智能无线组网的远程RFID 识别系统。

2.1.3 Zigbee 组网方案

组成Zigbee 网络的设备类型有三类：管理Zigbee 网络的协调器节点、用来传递数据的路由节点以及连接各种传感设备的终端节点。协调器用来创建一个ZigBee 网络，并为最初加入网络的节点分配地址，每个ZigBee 网络只需一个协调器；路由器也称为ZigBee 的全功能节点，可以作为路由来转发数据，也可以作为数据节点用来收发数据，还能管理网络，为后加入的节点分配地址；终端节点用来采集数据，可与各种感应器、阅读器之间进行连接，实现终端的控制和管理[6]。ZigBee 协调器节点、路由器节点均可由CC2530 芯片、电压转换器件、电源电路、串口、收发器以及天线等组成。

根据应用的需要，Zigbee 可组成简单的星型网络、树形网络，也可组成比较复杂的MESH 网状型网络。本应用方案中采用MESH 网状拓扑结构网络，网状网具有强大的组网功能，可以通过“多级跳”的方式来实现远距离的数据传输，此网络还具备自组织、自愈等功能。

在进行数据传输时，为减少信道的压力，一般采取点播方式，在协调器上存储整个网络所有节点的地址，路由器上存储其子节点即终端节点地址，终端节点上存储其父节点(路由节点或协调器)的地址，具体路由如图2 所示。终端节点与父节点之间的数据传输通过指定目的地址的点到点通讯方式实现。连接终端节点的路由节点将数据上传时，直接指定协调器地址(如：0x0000)，也是采取点到点通讯方式。实际传输时可能经过多级路由，具体路由算法由底层协议栈Z_Stack 里的路由协议ADOV 来完成。同理，协调器下发数据时，先将数据传到对应终端节点的父节点，再由父节点传到终端节点。

图2 Zigbee MESH 网状型网络图

2.2 系统设计

2.2.1 整体框架

整体框架见图3。

图3 系统结构图

2.2.2 Zigbee 节点软件设计

为了区分采集数据来源以及对终端节点的控制，系统将为Zigbee 网络中的每一个节点分配一个唯一的节点编号，在节点初始化时，就将其烧入到CC2530 模块中。针对网络中的不同类型节点，分别植入相对应的程序。无线传感器网络通信模块采用基于IEEE802.15.4 标准的ZStack- CC2530 协议栈来开发，实现ZigBee网络的建立、维护以及传感器数据采集、节点控制等功能。

(1)终端节点软件。连接RFID 模块的节点为终端节点，其主要功能是完成感知功能。在终端节点中植入的程序功能包括两部分：

第一，控制RFID 模块读写的程序。遵循ISO/ IEC15961- 1 相关应用指令标准，完成例如寻卡、读取数据、写入数据、配置AFI、配置DSFID 等操作命令，实现对高频RFID 模块的控制。

第二，数据传输程序。终端节点一旦进入协调器建立的网络后，将被分配一个16 位的网络地址，同时也为其分配了一个路由父节点，此时终端节点将保存其父节点的地址，并将自己的节点编号告诉其父节点和协调器。当RFID阅读器模块感知、读取到附近的RFID 标签时，终端节点将RFID 标签数据、自身节点编号、节点地址、数据类型等传给父节点，再由父节点传出。同样，此程序也接收上位机下达，经协调器、路由器、父节点传递下来的各种操作指令，如扫描RFID 标签、报告节点电压情况等。

(2)路由节点软件。路由节点的主要工作是完成数据及控制指令的上传下达，根据接收到的数据包中的目标节点地址，完成消息的转发。

(3)协调器软件。协调器负责整个网络的建立及管理，并负责收集所有的传感数据，上传到上位机，同时接收上位机的指令，下传到各终端节点。在协调器里保存了所有节点的信息，如节点编号、节点类型、节点地址、父节点地址。从协调器到终端节点的初始路由，完全依赖于节点信息HASH 表。

2.2.3 采集软件设计

数据采集服务器是上位机的应用程序，它通过串口与Zigbee 网络的协调器相连，通过监控串口数据获得Zigbee 网络采集到的各种传感数据，同时也通过串口将控制命令传给Zigbee网络，进而控制各传感节点的动作。协调器上传的数据格式定义如表1。

表1 采集软件协调器上传数据格式表

上位机下发到传感节点的命令格式如表2。

表2 采集软件上位机下发命令数据格式表

一般来说，一个数据采集服务器对应一个传感网络，采集服务器将采集到的数据通过TCP/IP 网络再次上传到数据中心服务器，经整合处理后存储到数据库中，供系统统一发布，从而实现对全局资产的智能识别及监控。

2.2.4 数据中心服务器设计

数据中心服务器为系统的顶层模块，用来监控全局资产状态，它接收从各采集服务器传来的各种传感数据，通过网页、短信等多种方式予以实时发布。对于异常的数据，系统可以及时报警并采取相应的处理措施。中心服务器同时也将接收到的数据存储到数据库中，用于数据分析、参考决策。存储到数据库中的传感数据存储格式如表3。

表3 传感数据存储格式表

3 Zigbee、RFID 融合的固定资产监控系统应用

基于Zigbee 和RFID 技术的资产监控系统，就在重要的固定资产上粘贴有13.56MHz的RFID 标签，在标签周边区域布设RFID、Zigbee 融合的终端节点定时读取标签信息，或将新的资产信息写入电子标签。所有数据和命令通过Zigbee 网络与数据中心进行通讯[7]。

3.1 标签机终端节点

RFID 标签：采用13.56MHz 的RFID 无源标签，标签固定安装在重要固定资产上。标签内写入资产名称、资产地点、登记日期等编码信息(见图4)。

RFID 终端节点：RFID 终端节点布设在区域附近，可以一对一或一对多的方式，准确感知、识读周边的RFID 标签信息，一旦标签无法读取，或读取到的资产地点信息与初始信息不匹配，则可认为该固定资产已被移走，将会在系统中产生相关的监控联动报警信息。

3.2 功能结构模块

资产监控管理系统的模块结构如图5 所示。

图4 系统工作流程图

图5 系统功能结构图

资产监控管理系统通过对采集到的固定资产信息进行存储、分析、对比，实现资产的实时监控；也可对新分配或者待调整的固定资产进行信息的写入和更新，实现资产的动态管理。系统可采取B/S 结构设计，便于管理人员通过WEB 方式进行固定资产的总体浏览、管理。系统通过RFID 技术、Zigbee 融合的物联网技术，不仅能够实时获取相关重要资产的标识和位置等信息，而且还能够提高资产管理过程的智能性和准确性。

[1] 严栋. 基于物联网的智慧图书馆[J]. 图书馆学刊，2010（7）：8- 10.

[2] 石繁荣.基于RFID 与ZigBee 无线传感网络研究与设计[D].西南科技大学研究生学位论文，2012，4.

[3] 孙红，许涛，王颖慧，等. ZigBee 网络的RFID 技术在物联网中的研究[J].微计算机信息，2011（6）：75- 77.

[4] 马海晶. 物联网感知技术探讨[J]. 制造业自动化，2011（6）：76- 78.

[5] 陈遥，吴晓波，周文.基于融合Zigbee 与RFID 技术的物联网仓储管理系统设计[J]. 军事物流，2012（3）：128- 130.

[6] 蔡利婷，陈平华，罗彬，等.基于CC2530 的Zigbee数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2012（11）：197- 200.

[7] 刘铭. 基于ZIGBEE 和RFID 技术的固定资产管理系统设计[J].制造业自动化，2013（1）：67- 70.