基于Zigbee與RFID的實驗室危險物品監(jiān)控系統(tǒng)

　　Zigbee作為當今最熱門的無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Net-work)技術之一，以其低功耗、低單位成本、組網(wǎng)自適應、網(wǎng)絡容量大等特點，已經(jīng)被廣泛應用于自動控制和監(jiān)控領域。射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種利用無線射頻方式在閱讀器與應答器之間進行非接觸雙向傳輸，以達到目標識別與數(shù)據(jù)交換目的的技術。

　　多年來我國在傳感網(wǎng)絡和監(jiān)測方面開展了大量研究工作，但與實驗室現(xiàn)場安全監(jiān)測方面相結(jié)合的研究還較少，仍處于起步、探索階段。目前國內(nèi)外針對生物安全實驗室的自動化監(jiān)控系統(tǒng)大多集中在單獨的監(jiān)測，沒有實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和實時化。本課題將傳感器網(wǎng)絡與RFID技術應用到生物安全實驗室監(jiān)控中來，以更低的成本智能化地判斷和跟蹤實驗室危險品，實現(xiàn)其他監(jiān)控系統(tǒng)達不到的網(wǎng)絡化與實時化。系統(tǒng)和監(jiān)控中心之間采用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡進行多跳連接，通過集成RFID閱讀器的子節(jié)點實現(xiàn)對危險物品的室內(nèi)定位監(jiān)控，同時節(jié)點還可以利用自身配備的各種傳感器設備將物品周圍的環(huán)境信息(溫濕度、壓強、煙霧等)發(fā)送到控制中心。

　　RFID技術和WSN技術具有不同的技術特點，WSN可以監(jiān)測四面八方感應到的各種信息，但缺乏對物品的標識能力，RFID技術強大的標識物品的能力正好可以彌補;RFID抗干擾性較差，而且無源 RFID的有效讀取距離一般小于10 m，如果能利用WSN長達100 m的有效距離，將會拓展RFID技術的應用范圍。將RFID和WSN進行集成應用，會極大地推動兩項技術的應用。

　　系統(tǒng)概述

　　在系統(tǒng)中，利用RFID標簽來記錄危險物品的詳細信息和位置信息，并實時與RFID閱讀器節(jié)點進行信息交互;配置了各種傳感器的普通終端節(jié)點來檢測裝載危險品的容器的相關重要指標，可以主動記錄對象的溫濕度、煙霧、壓差等環(huán)境信息，并實時上傳感知信息。Zigbee傳感器網(wǎng)絡注重某個區(qū)域的感測指標，而RFID技術能夠準確地識別具體的節(jié)點信息并進行位置監(jiān)控。綜合兩者的技術特點，基于傳感器網(wǎng)絡的RFID監(jiān)控系統(tǒng)能夠主動、實時地對環(huán)境進行檢測并準確地記錄具體節(jié)點的相關數(shù)據(jù)，必要時能夠主動發(fā)出警報。系統(tǒng)主要實現(xiàn)環(huán)境信息傳感、危險物品位置檢測以及安全告警等功能，系統(tǒng)實現(xiàn)中主要包括了組網(wǎng)分析、Zigbee RFID無線傳感網(wǎng)絡硬件實現(xiàn)和監(jiān)控中心管理軟件設計三大部分內(nèi)容，最后給出了本設計的實驗室樣機網(wǎng)絡系統(tǒng)及驗證結(jié)果。

　　系統(tǒng)實現(xiàn)

　　RFID系統(tǒng)和WSN系統(tǒng)作為單獨作用的系統(tǒng)而言，其體系架構(gòu)都已經(jīng)比較成熟了，但對于兩者集成的體系架構(gòu)研究才剛剛開始。對于目前RFID系統(tǒng)中的讀寫器來說，只能在本地控制系統(tǒng)的控制下工作，其龐大的體積和昂貴的價格限制了它的移動和大量布置。而且，RFID讀寫器的天線必須仔細地設計，以便可以覆蓋到范圍內(nèi)所有的標簽，還要防止不同讀寫器天線之間的碰撞。這些不利因素都限制了RFID的進一步應用。如果能夠削減RFID讀寫器的部分功能，可以使得讀寫器成本降低且更容易布置。因此，本文采用一種分布式智能節(jié)點結(jié)構(gòu)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在這種結(jié)構(gòu)下，一個基本的Zigbee RFID無線傳感網(wǎng)絡由RFID閱讀器終端節(jié)點、RFID標簽、普通終端節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、后臺應用系統(tǒng)構(gòu)成。節(jié)點被布置到一個Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡中，自主運行，通過網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)給后臺服務器。RFID標簽根據(jù)不同的用途和通信距離可以采用被動式無源標簽、半無源標簽、有源標簽等，它們遵循RFID協(xié)議規(guī)定的物理層標準和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將采集到的信息通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送給后臺處理的應用系統(tǒng)。

　　硬件實現(xiàn)

　　Zigbee節(jié)點硬件設計

　　本系統(tǒng)中Zigbee節(jié)點主要由RFID閱讀器終端節(jié)點、普通終端節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點等四類節(jié)點組成。整個系統(tǒng)采用了通用的接口插槽，將傳感、處理、通信模塊進行分離，根據(jù)硬件配置的不同，實現(xiàn)不同的節(jié)點功能，同時又可以保證所有節(jié)點既能向其他節(jié)點和其他外圍數(shù)據(jù)采集模塊(包括各種傳感器以及RFID讀寫器)發(fā)送控制命令采集數(shù)據(jù)，又能夠與控制中心通信以實現(xiàn)信息的交互。其構(gòu)成主要包括微處理器、射頻通信模塊、傳感器單元、RFID讀寫模塊和電源供應模塊。由于降低功耗以延長系統(tǒng)壽命是無線傳感器網(wǎng)絡設計需要首先考慮的問題[2]，所以系統(tǒng)中采用了TI公司CC2430。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用[3]。節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點作為中心控制器，所有的有效數(shù)據(jù)都會經(jīng)過它傳送到控制中心和路由器、終端節(jié)點。在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與計算機相連，工作流程圖如圖3所示。

　　RFID閱讀器終端節(jié)點

　　硬件設計

　　RFID閱讀器終端節(jié)點硬件部分由物品跟蹤RFID標簽、讀卡模塊、基本Zigbee終端節(jié)點組成。每個需要監(jiān)控的危險物品都配備一個RFID標簽，在定位區(qū)域的工作面每隔一定距離安裝RFID閱讀器終端節(jié)點。RFID標簽發(fā)送代表身份特征的射頻信號，RFID閱讀器終端節(jié)點接收到射頻信號以后，傳送身份以及位置特征信號通過無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送給控制中心。危險物品定位系統(tǒng)中采用433 MHz RFID讀寫模塊，最大限度地減少與2.4 GHz無線傳感器網(wǎng)絡之間的射頻干擾;RFID標簽采用主動式標簽，被動式標簽無需電池，由讀寫器產(chǎn)生的磁場中獲得工作所需的能量，但讀取距離較近，且單向通信，局限性較大。主動式電子標簽除了具備被動式電子標簽的很多特性，還具有讀取距離更遠、性能更可靠等優(yōu)點。圖4為節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖。

　　RFID閱讀器終端節(jié)點的定位實現(xiàn)

　　要實現(xiàn)對目標物體的定位，首先需要的是參照物或者絕對坐標(如經(jīng)緯度)[4]?？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡的特點和基于對實驗室應用場景的分析可知選用絕對坐標對于本監(jiān)控網(wǎng)絡是不適用的，無線傳感器網(wǎng)絡是自組織獨立的靈活組網(wǎng)方式，如果采用絕對坐標對目標物體進行定位，則首先需要獲得一張用經(jīng)緯度標識區(qū)域的地圖，這在目前分析看來花費的時間成本和財力成本是不值得的也是不必要的。因此，采用參照物方式對無線傳感器網(wǎng)絡中的移動目標物體進行定位。在本課題研究的系統(tǒng)中，假定RFID 讀寫器終端節(jié)點的空間位置是已知的，對于貼有標簽的目標物體的定位是參照終端節(jié)點的位置而確定的。

　　假設終端節(jié)點的空間坐標為(LcX，LcY)，顯示窗口內(nèi)繪圖點的最大坐標值為(MaxPtX，MaxPtY)，由此可計算終端節(jié)點的繪圖坐標(RdrPtX，RdrPtY)：

　　這樣可以得到終端節(jié)點的平面繪圖坐標(RdrPtX，RdrPtY)，每個標簽的繪圖坐標是依據(jù)各終端節(jié)點的坐標計算得到的。標簽的繪圖坐標采用的是質(zhì)心定位的算法[5]，即取與該標簽有關的終端節(jié)點的繪圖坐標為頂點構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心為該標簽的坐標。圖5即包括了采用閱讀器節(jié)點對標簽進行坐標定位的所有情形。

　　圖5(a)表示標簽只被一個閱讀器識別，圖5(b)表示標簽被兩個閱讀器識別，圖5(c)表示標簽被三個閱讀器識別，此時標簽(TagPtX，TagPtY)同時位于三個讀取器的有效射頻識別范圍內(nèi)，則取以三個讀取器為頂點的三角形的質(zhì)心為標簽的坐標。這樣計算的一個假設同樣是依據(jù)標簽在重疊區(qū)域依均勻分布出現(xiàn)。圖5(d)表示標簽被n個閱讀器識別，此時標簽(TagPtX，TagPtY)同時位于n個讀取器的有效射頻識別范圍內(nèi)，則取以n個讀取器為頂點的多邊形的質(zhì)心為標簽的坐標。這樣計算的一個假設同樣是依據(jù)標簽在重疊區(qū)域依均勻分布出現(xiàn)。此時標簽(TagPtX，TagPtY)的坐標與同時識別它的n個讀取器Reader A(ARdrPtX，ARdrPtY)、Reader B(BRdrPtX，

　　BRdrPtY)、Reader C(CRdrPtX，CRdrPtY)……的關系如下：

　　對目標物體的軌跡追蹤過程是，在已知獲得物體在歷史時刻的位置坐標的基礎上，通過加入時間參數(shù)的計算，進而得出目標物體的移動軌跡。通過在上層軟件中移動節(jié)點定位功能加入預配置GIS支持，還可以將分析得到的移動物體位置實時反映在監(jiān)控中心的實驗室現(xiàn)場方位圖中。

　　監(jiān)控中心管理軟件設計

　　危險物品監(jiān)控管理軟件實現(xiàn)對危險物品跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示、數(shù)據(jù)庫存儲、報表打印等功能。軟件是采用 Microsoft的Visual C++6.0開發(fā)的集數(shù)據(jù)采集與信息處理于一體的綜合管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用以SQL Server2000數(shù)據(jù)庫為主的 C/S模式開發(fā)而成，共有操作員登錄、實時顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、物品信息管理、系統(tǒng)維護6個模塊，如圖6所示。

　　實驗驗證

　　本系統(tǒng)在綜合測試過程中取得了較好的效果，系統(tǒng)不僅可以實時反映當前環(huán)境的溫濕度信息和位置信息(精度小于5 m)，而且能夠在物體移動的過程中，準確地實現(xiàn)對目標物體的實時定位，并能夠?qū)χ付ǖ哪繕诉M行軌跡追蹤，形象地通過窗口圖形界面繪制目標物體的移動軌跡。由普通傳感器終端節(jié)點以及RFID閱讀器終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心服務器通過管理軟件對當前的環(huán)境信息和物品位置信息進行處理和分析。監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

　　從技術應用角度來看，RFID閱讀器作為本課題研究的基于無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)合RFID技術監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集部分的基礎設備，負責目標物體的識別，將目標物體的狀態(tài)信息上報給系統(tǒng)的控制中心，不同廠商的不同系列的產(chǎn)品對本系統(tǒng)的信息采集成功率、定位精度等方面會產(chǎn)生不同的影響，產(chǎn)品類型的選擇與系統(tǒng)應用的場景有關。但是RFID技術系統(tǒng)中的最重要的支持功能就是完成目標物體的識別，至于采用哪個廠商的哪個系列的硬件產(chǎn)品并不會影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

　　本文針對目前實驗室危險物品監(jiān)控中存在的問題，提出了一種綜合無線傳感器網(wǎng)絡與RFID技術的危險品監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成及軟硬件實現(xiàn)。通過本課題的研究可見，結(jié)合Zigbee技術和RFID射頻技術構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)基于位置和環(huán)境的監(jiān)控是可行的。未來研究中，一方面通過在系統(tǒng)交互信息格式及信息交互機制的設計上盡可能地節(jié)省能源和提高無線傳感器網(wǎng)絡的無線性能;另一方面通過深入研究RFID射頻識別的特點使其在定位算法的研究上做得盡可能精確，可以以更低的成本、更好的性能實現(xiàn)對危險物品、設備或者各種貨物的判斷和跟蹤。當前，這種技術已經(jīng)引起了廣泛的關注，通過傳感器網(wǎng)絡技術與RFID技術結(jié)合共同打造智能化的物聯(lián)網(wǎng)絡已經(jīng)成為一個新的研究熱點，有著廣泛的應用前景。