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交互式智能電子標(biāo)簽在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
1 物聯(lián)網(wǎng)的概念和相關(guān)技術(shù)
如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)是以PC與PC之間的網(wǎng)絡(luò)連接為其特征的話，物聯(lián)網(wǎng)則是以PC與低成本的微型計(jì)算機(jī)（即單片機(jī)）之間的無(wú)線連接為其特征的，而且這種無(wú)線連接的方式必須是低成本，低功耗，雙向和遠(yuǎn)距離的！
物聯(lián)網(wǎng)至少應(yīng)該包括如下幾方面內(nèi)容：對(duì)物的信息（包括身份，位置信息和狀態(tài)信息）感知，感知信息的采集和傳輸，信息處理和信息反饋。我們認(rèn)為，這也是物聯(lián)網(wǎng)最基本的概念。根據(jù)與“物”相關(guān)的這些信息傳輸和處理所涉及的范圍大小，物聯(lián)網(wǎng)可以是一個(gè)僅僅由近距離信息采集傳輸系統(tǒng)和具有一般處理能力的計(jì)算機(jī)構(gòu)成的相對(duì)簡(jiǎn)單的局域網(wǎng)，也可以是一個(gè)包括互聯(lián)網(wǎng)和“云”計(jì)算機(jī)在內(nèi)的一個(gè)廣域網(wǎng)。當(dāng)我們通過公網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)等各種遠(yuǎn)距離信息傳輸手段，將成千上萬(wàn)個(gè)這樣的“小物聯(lián)網(wǎng)”連接在一起，并將它們所采集匯聚的海量信息，利用具有超強(qiáng)處理能力的“云”計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并根據(jù)我們的各種應(yīng)用需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息反饋時(shí)，就形成了現(xiàn)有一般意義上的物聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是公網(wǎng)以下具體的“物”與PC之間的無(wú)線信息采集和傳輸。這包括感知信息的傳輸和反饋指令信息的傳輸。顯然，無(wú)論是超級(jí)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)或是射頻識(shí)別系統(tǒng)本身，都不能單一滿足物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸和處理的需要，它們中的任何一個(gè)都不能代表物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)不應(yīng)該是一個(gè)單一性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，而是可以包括條碼、無(wú)源射頻標(biāo)簽、各種傳感器、有源射頻標(biāo)簽、手機(jī)、各種通信公網(wǎng)和以及超級(jí)計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的組合。
從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，我們不可能在每一個(gè)銷售的牙刷上，或倉(cāng)庫(kù)中運(yùn)輸托盤上的每一個(gè)物品上都安裝一個(gè)有源射頻標(biāo)簽，而一個(gè)條碼標(biāo)簽顯然是最優(yōu)和最現(xiàn)實(shí)的選擇。由于條碼識(shí)別距離很近，為了將條碼所代表的牙刷或其它物品的信息，以一種低成本，簡(jiǎn)單快速的方式傳入網(wǎng)絡(luò)，我們可以在手持條碼讀寫器中，包括每個(gè)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸托盤上，安裝一個(gè)有源射頻標(biāo)簽，并在倉(cāng)庫(kù)中安裝一個(gè)與移動(dòng)公網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連接的遠(yuǎn)距離（500 m以上）有源射頻標(biāo)簽讀寫器，我們便可以輕而易舉的，將手持條碼讀寫器所讀到的，關(guān)于牙刷和托盤上物品的相關(guān)信息，傳給并儲(chǔ)存到安裝在托盤上的有源射頻標(biāo)簽中，再通過有源射頻標(biāo)簽，間接傳給有源射頻標(biāo)簽讀寫器，或由手持條碼讀寫器中的有源射頻標(biāo)簽，直接傳給有源射頻標(biāo)簽讀寫器。然后再通過讀寫器，將這些信息傳入公網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)。這樣我們便可以利用一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，在任何地方掌握這只牙刷或托盤上物品的相關(guān)信息，包括它們的位置信息了。
這里我們涉及到近距離條碼識(shí)別（也可以是諸如紅外測(cè)溫等其它傳感器信息的采集）、有源射頻標(biāo)簽遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸、計(jì)算機(jī)和公共信息傳輸網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)等。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子里，我們可以清楚看到整個(gè)信息的傳輸不僅僅是某一個(gè)單一的傳輸系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)，它是多種信息采集和傳輸手段的組合，應(yīng)該算作是一個(gè)“泛在網(wǎng)”。
從上到下梳理物聯(lián)網(wǎng)的整個(gè)信息連接和傳輸過程，我們不難發(fā)現(xiàn)：信息處理我們已有各種超級(jí)計(jì)算機(jī)；遠(yuǎn)距離信息傳輸我們也已有各種公網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)等；信息感知我們有條碼標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)、無(wú)源射頻標(biāo)簽的近距離識(shí)別技術(shù)，以及各種采集物品狀態(tài)信息的常用傳感器技術(shù)（溫度，濕度，壓力等）。但是如何將傳感器、條碼標(biāo)簽，以及無(wú)源射頻標(biāo)簽等所采集到的有關(guān)物和人的這些基本信息，以簡(jiǎn)單和低成本的方式，傳到幾十米，甚至到1 km外的公共網(wǎng)絡(luò)中，并及時(shí)將信息處理后的反饋指令返還到“物”則尚未解決，而且問題的關(guān)鍵還在于：這種傳輸方式必須是低成本和無(wú)線的，而且必須是低功耗的和可靠的。
由于有源射頻標(biāo)簽本身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、低成本、功耗低和可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)幕咎匦?，它自然也就成為人們解決物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸這個(gè)關(guān)鍵問題的希望所在。然而由于現(xiàn)有有源電子標(biāo)簽存在的各種局限，沒法滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多種需求，而新一代的交互式智能電子標(biāo)簽I-RFID 也就應(yīng)運(yùn)而生了。
2. 交互式智能電子標(biāo)簽I-RFID
盡管結(jié)構(gòu)上I-RFID與現(xiàn)有一般的有源電子標(biāo)簽并沒有什么區(qū)別，然而在工作方法上，兩者則完全不一樣。
圖1 I-RFID在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
圖2 I-RFID的工作原理
圖中所表述的就是處于周期性監(jiān)聽-睡眠-再監(jiān)聽-再睡眠低功耗狀態(tài)的有源電子標(biāo)簽，在蘇醒監(jiān)聽一瞬間接收到來(lái)自協(xié)調(diào)器的指令信號(hào)后，立即根據(jù)指令，按照預(yù)先寫入的工作程序要求的方式，進(jìn)入與讀寫器進(jìn)行信息交流的狀態(tài)，并在短時(shí)間內(nèi)完成安排的工作任務(wù)后，重新回到周期性監(jiān)聽-睡眠-再監(jiān)聽-再睡眠低功耗狀態(tài)，等待下一次工作安排。
3. I-RFID在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
由于I-RFID解決了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中低成本，低功耗無(wú)線遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)年P(guān)鍵問題，自然也就打開了I-RFID廣闊的應(yīng)用空間。下面我們就城市交通智能化管理方案的例子加以說(shuō)明。
3.1城市交通智能化管理方案
城市交通智能化管理，是提升城市交通管理效率的關(guān)鍵。而城市交通智能化管理的關(guān)鍵問題又在于如何以一種經(jīng)濟(jì)有效和可靠的方式，實(shí)現(xiàn)城市車輛和道路車流信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸。而電子標(biāo)簽，特別是有源電子標(biāo)簽技術(shù)，是人們寄予希望最大的一種技術(shù)。然而由于現(xiàn)有有源電子標(biāo)簽技術(shù)無(wú)法解決在低功耗，低成本的前提下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和按需雙向工作的難題，因而也就阻礙了它在更大范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，同時(shí)也成為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶和各行各業(yè)的主要障礙。
經(jīng)過近六年包括Zigbee 和RFID在內(nèi)的近距離無(wú)線通信應(yīng)用實(shí)踐中的辛苦耕耘，西谷公司在有源電子標(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)上，發(fā)明了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交互式智能電子標(biāo)簽系統(tǒng)，將現(xiàn)有的有源電子標(biāo)簽技術(shù)提升到一個(gè)全新的水平。通過標(biāo)簽自動(dòng)跳轉(zhuǎn)工作頻道的方法，低成本的解決了交互式智能射頻標(biāo)簽的雙向通信問題；通過無(wú)效信號(hào)快速過濾技術(shù)，解決了交互式智能射頻標(biāo)簽的超低功耗問題；利用超低功耗待機(jī)狀態(tài)與定式動(dòng)作的組合工作方式，解決了交互式智能射頻標(biāo)簽按需工作和靈活工作的問題；通過交互式智能射頻標(biāo)簽自動(dòng)時(shí)分，頻分和碼分方式，解決了海量射頻標(biāo)簽信息的處理問題；通過使用新的先進(jìn)獨(dú)創(chuàng)的定位技術(shù)，簡(jiǎn)單有效地解決了在不同大小應(yīng)用環(huán)境中的精確定位問題。除此之外，我們的有源電子標(biāo)簽的通信距離，可以從幾厘米到2公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有一般有源電子標(biāo)簽。參閱附件“物聯(lián)網(wǎng)與交互式智能電子標(biāo)簽”。
3. 2城市基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建
?。?）在每一輛車上的固定位置，安裝一個(gè)防拆卸的I-RFID智能電子標(biāo)簽，它們具有世界上獨(dú)一無(wú)二的ID編號(hào)（當(dāng)然也可根據(jù)需要由用戶自己重新編號(hào)）。
該I-RFID智能電子標(biāo)簽平常并不向外發(fā)射任何信號(hào)，而是根據(jù)需要每隔1 s或0.5 s周期性地在監(jiān)聽頻道上，監(jiān)聽接收并記錄協(xié)調(diào)器以廣播方式發(fā)來(lái)的信號(hào)（該路口位置信息和時(shí)間信息），接收并記錄下協(xié)調(diào)器的信號(hào)后，立即跳轉(zhuǎn)到讀寫器工作頻道上，向該路口的讀寫器發(fā)回自己的ID號(hào)以及上一個(gè)路口協(xié)調(diào)器的ID號(hào)（用于判別車輛行駛方向），并在接收到讀寫器發(fā)回的回執(zhí)信號(hào)后，停止發(fā)射，并在休眠一定時(shí)間后跳轉(zhuǎn)回到監(jiān)聽頻道上，監(jiān)聽下一個(gè)路口的協(xié)調(diào)器信號(hào)。如果系統(tǒng)還需要了解路口交通堵塞情況，在接收到讀寫器發(fā)回的回執(zhí)信號(hào)后，繼續(xù)每隔10～30 s向讀寫器發(fā)射自身的ID號(hào)若干次。這樣通過同一路口讀寫器接收到的來(lái)自同一標(biāo)簽的ID號(hào)的次數(shù)，就可以清楚了解路口各個(gè)方向上交通的堵塞情況。
I-RFID智能電子標(biāo)簽具有防拆卸的功能，使用一只5號(hào)鋰電池驅(qū)動(dòng)，一般情況下可以使用六年不需更換電池。其與路口固定讀寫器的雙向通信距離分別為5～300 m（上行）/ 5～700 m（下行）可調(diào)，其與手持讀寫器的通信距離為1～100 m可調(diào)。
(2)在每一個(gè)需要進(jìn)行車輛和流量監(jiān)控的道路口，安裝一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)工作在不同頻道上，與網(wǎng)絡(luò)連接的I-RFID標(biāo)簽讀寫器，每個(gè)讀寫器使用220V市電供電，功耗< 1W，每個(gè)I-RFID讀寫器的信息處理能力為30輛/秒=108000輛/小時(shí)。
每個(gè)路口可供讀寫器使用的獨(dú)立頻道有83個(gè)，獨(dú)立信道多達(dá)3822個(gè)，以避開與現(xiàn)場(chǎng)可能存在的其它各種2.4G通信設(shè)備的相互干擾。協(xié)調(diào)器通過廣播方式向進(jìn)入或即將進(jìn)入道路口的所有車輛，寫入該路口的位置編號(hào)和經(jīng)過該路口的時(shí)間。車載I-RFID標(biāo)簽在接收并記錄下接收到的信息后，立即返還自己的ID號(hào)及其剛剛經(jīng)過的前一路口協(xié)調(diào)器的ID號(hào)。讀寫器接收到車載I-RFID標(biāo)簽發(fā)來(lái)的信息后，將連同標(biāo)簽的ID, 讀寫器自身的ID以及時(shí)間信息，一并通過與之相連接的網(wǎng)絡(luò)傳給系統(tǒng)服務(wù)器。讀寫器和協(xié)調(diào)器工作在不同頻道上，使用220V AC或其它直流電源供電，最大功耗< 1W。
?。?）每個(gè)讀寫器(必要時(shí)包括協(xié)調(diào)器)都通過有線或無(wú)線的方式（光纖接口，ADSL或GPRS等），與管理控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)相連接。
?。?） 管理控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)，將利用各個(gè)路口采集到的車輛實(shí)時(shí)信息，計(jì)算出整個(gè)城市車輛的實(shí)時(shí)流動(dòng)狀況和每個(gè)車輛任何時(shí)間的具體位置和行駛方向。
3. 3系統(tǒng)的基本功能
利用以上資料，再結(jié)合無(wú)線紅綠燈控制專利技術(shù)（專利申請(qǐng)?zhí)枺?007100488725），我們就可以輕而易舉的實(shí)現(xiàn)城市交通智能化管理的功能：
對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的調(diào)度指揮，包括對(duì)國(guó)賓車，急救車等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)綠燈放行；
對(duì)城市的道路規(guī)劃提供最真實(shí)可靠的寶貴資料；
根據(jù)車輛在城市中不同區(qū)域位置停留的時(shí)間，不需任何其它硬件的投入，就可以實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)交通擁堵費(fèi)的征收；
向城市各種車輛的擁有單位提供車輛考勤和調(diào)度管理的有償服務(wù)服務(wù)。（例如公交車，出租車，救護(hù)車，送貨車，維修服務(wù)車，政府機(jī)關(guān)公用車輛等）；
根據(jù)整個(gè)城市各路口的通行情況，對(duì)車輛進(jìn)行有效的自動(dòng)疏導(dǎo)；
對(duì)失竊車輛和違法車輛，欠費(fèi)車輛，克隆出租車進(jìn)行定位跟蹤；
由于我們的數(shù)據(jù)采集是24小時(shí)全天候的，因此，當(dāng)交通事故或可能的涉及車輛的刑事犯罪發(fā)生后，我們可以很容易根據(jù)時(shí)間和地點(diǎn)查處相關(guān)車輛。
由于在每輛車上安裝智能電子車牌，這將帶來(lái)其它許多車輛管理上的好處。它可以輕易解決許多交通管理的難題，例如克隆牌照問題，逃費(fèi)問題，不停車收費(fèi)問題等。I-RFID電子車牌是一種智能型電子車牌，它不僅可以提供ID號(hào)，而且可以根據(jù)協(xié)調(diào)器指令信號(hào)，直接提供管理所需的有關(guān)車輛本身的任何信息。
結(jié)論：物聯(lián)網(wǎng)的基本概念應(yīng)該是對(duì)有關(guān)“物”的身份信息，位置信息和狀態(tài)信息的“感知”，和傳輸，以及對(duì)這些信息的處理和反饋。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，在于如何低成本，低功耗地實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)以下，具體“物”與PC之間相關(guān)信息的無(wú)線遠(yuǎn)距離雙向傳輸。
