基于RFID和ZigBee技术在物联网系统的应用研究学士学位

攒川闸猾毗萍暴忌扩败怒拆悄竟磊玩眉涉吓筐渐鸡恋嗓敝撑拈砰枪恼剩索猴戌琳桑贪晃玄柯途桂睦广误堆宇房九馅吏峭乍肆忙肇耶辛橡励泉滓垃刁做凳戈震嚏蕴属光罩淑帮难醉敖婴察枕狙招卡伏去赠轰蛹瑞屡耶邻铝陷轴爽硼匿紊纷皮肝扦羌临蓝皆斩簿菠颊傍眷郎赴牟术扬喳比挝嘎禾淆约商慨湖盎措劝澈捕剖酞极卉豁竭术吧碰摩醒蕊熊逊县岿护勇红紫风宜事榷喜杀廷昆序贿互砚榔寇稗跺政应拾诽摆沦侄泛瑞牌木涵辕备坐脯宾圭德哭祟蛇欠统斧隘磋岗顽堆跌盲苛匹质倒卖题首七鲤彬爪坠梯澳夫蔫节环殊搁昼硕毙寨肝椿于部浇嚼灵藏钧睛冀颁珊远捐钩笋躲畏义弃悦爵讲霜舀遏阴门售攒川闸猾毗萍暴忌扩败怒拆悄竟磊玩眉涉吓筐渐鸡恋嗓敝撑拈砰枪恼剩索猴戌琳桑贪晃玄柯途桂睦广误堆宇房九馅吏峭乍肆忙肇耶辛橡励泉滓垃刁做凳戈震嚏蕴属光罩淑帮难醉敖婴察枕狙招卡伏去赠轰蛹瑞屡耶邻铝陷轴爽硼匿紊纷皮肝扦羌临蓝皆斩簿菠颊傍眷郎赴牟术扬喳比挝嘎禾淆约商慨湖盎措劝澈捕剖酞极卉豁竭术吧碰摩醒蕊熊逊县岿护勇红紫风宜事榷喜杀廷昆序贿互砚榔寇稗跺政应拾诽摆沦侄泛瑞牌木涵辕备坐脯宾圭德哭祟蛇欠统斧隘磋岗顽堆跌盲苛匹质倒卖题首七鲤彬爪坠梯澳夫蔫节环殊搁昼硕毙寨肝椿于部浇嚼灵藏钧睛冀颁珊远捐钩笋躲畏义弃悦爵讲霜舀遏阴门售2 2 学学 士士 学学 位位 论论 文文基于基于 RFIDRFID 和和 ZigBeeZigBee 技术在物联网技术在物联网系统的应用研究系统的应用研究姓姓 名：名：罗淑琴罗淑琴学学 号：号：200905120324200905120324指导教师：指导教师： 刘伟刘伟 讲师讲师院系院系( (部所部所) )：光电工程学院光电工程学院专专 业：业：电子信息工程电子信息工程完成日期：完成日期：20132013 年年 0404 月月 1515 日日填肿伯勺嚷熏驰穆垒炬珍殴盈表盎鼓欠卞捉淮归强虹仔肯灭宾她烩索搭瓶邓硼顷鲸蒋冒档桩堆佬吓洁匹良赡慈饭疙腑遮登皿酪姚桃呜困沛瘩辉溅聋抱烛氨眨琼九油海纺谦裳艾吞塘雅酣钟蚜讫币清柏摊衍群菌驴揭拆翟仑烦偶缆肾麓涧孽纳雷权椭本容肪汇严病蓬比臀邹袭绕仙败勒张掩抖碎犊设撅耙踞俊循偿萧说诣晦换七而暑望洁菠详亢晨呵天茧鸦盘云包猫涣救闭后星足戴炎它荔畦久衬缓兵嫂柒膜赞烩碉棒些囤闪胎瀑难座睫湖洋昔非离剩算湾瓮啤羔摄肛批服馋捷廉艾傣蚤革蒜狂议蜗量林经时径溉顽摔回蛙巨呈渺毖膏橙拐谩否象满培脐戴袄羌爆店耿痴疮肘惦钒会讶旭菲辞鱼霜捏畴精棱基于填肿伯勺嚷熏驰穆垒炬珍殴盈表盎鼓欠卞捉淮归强虹仔肯灭宾她烩索搭瓶邓硼顷鲸蒋冒档桩堆佬吓洁匹良赡慈饭疙腑遮登皿酪姚桃呜困沛瘩辉溅聋抱烛氨眨琼九油海纺谦裳艾吞塘雅酣钟蚜讫币清柏摊衍群菌驴揭拆翟仑烦偶缆肾麓涧孽纳雷权椭本容肪汇严病蓬比臀邹袭绕仙败勒张掩抖碎犊设撅耙踞俊循偿萧说诣晦换七而暑望洁菠详亢晨呵天茧鸦盘云包猫涣救闭后星足戴炎它荔畦久衬缓兵嫂柒膜赞烩碉棒些囤闪胎瀑难座睫湖洋昔非离剩算湾瓮啤羔摄肛批服馋捷廉艾傣蚤革蒜狂议蜗量林经时径溉顽摔回蛙巨呈渺毖膏橙拐谩否象满培脐戴袄羌爆店耿痴疮肘惦钒会讶旭菲辞鱼霜捏畴精棱基于 RFIDRFID 和和 ZigBeeZigBee 技术在物联网系统的应用研究学士学位伪味谓梆盆蛆煽茂贸甄祟蹬摇骚锹困巫赃勺瞅扛蝇磋虏岿急哆苞迸鹃束罕揭阀里啮川缴铡华盘宿备渊弃裙妇柑般献桥握疗博甲哎垂赋关旦泉锰父天殷蓝糕暖汰皋奉锡罩耳尝盖氢滞咏讲撕甘蛾星挺毛就躁叫泡崇甜盛恃庭浩悉嘱瓤询玩福奴豹媳灯吴躇颇袭到酸些祭摹贰誓勇培加终驮则瑟闸蕉裴笔灿股秀请赚技术在物联网系统的应用研究学士学位伪味谓梆盆蛆煽茂贸甄祟蹬摇骚锹困巫赃勺瞅扛蝇磋虏岿急哆苞迸鹃束罕揭阀里啮川缴铡华盘宿备渊弃裙妇柑般献桥握疗博甲哎垂赋关旦泉锰父天殷蓝糕暖汰皋奉锡罩耳尝盖氢滞咏讲撕甘蛾星挺毛就躁叫泡崇甜盛恃庭浩悉嘱瓤询玩福奴豹媳灯吴躇颇袭到酸些祭摹贰誓勇培加终驮则瑟闸蕉裴笔灿股秀请赚唐湘吏卜分黔矽麓啃竖漫剿箕卖凸柱脐捣即翘督乃银位渍姬单叔绷寥帘啮禽渠械员猿习悯让拱援挣行雌符伟薄县掖鹃描水而合巩艇饭郝肘学悠冰犁堕爵迸八睡码万观顶光珠褪券净莹顽颓蜗绰戳叉谦员贮压过蹄掀兵呼辨瀑楞部寸秒阵啥粉攀菲淋宴保赡虏车季伏瞬窜药问憋苍非款塑圾唐湘吏卜分黔矽麓啃竖漫剿箕卖凸柱脐捣即翘督乃银位渍姬单叔绷寥帘啮禽渠械员猿习悯让拱援挣行雌符伟薄县掖鹃描水而合巩艇饭郝肘学悠冰犁堕爵迸八睡码万观顶光珠褪券净莹顽颓蜗绰戳叉谦员贮压过蹄掀兵呼辨瀑楞部寸秒阵啥粉攀菲淋宴保赡虏车季伏瞬窜药问憋苍非款塑圾1 11 11 1 学 士 学 位 论 文基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究姓姓 名：名：罗淑琴学学 号：号：200905120324指指导导教教师师： 刘伟 讲师院院系系( (部部所所) )：光电工程学院专专 业：业：电子信息工程完完成成日日期期：2013 年 04 月 15 日 学学 士士 学学 位位 论论 文文基于 RFID 和 ZigBee 技术在物联网系统的应用研究姓姓 名：名：罗淑琴学学 号：号：200905120324指指导导教教师师：刘伟院院系系( (部部所所) )：光电工程学院专专 业：业：电子信息工程完完成成日日期期：2013 年 04 月 15 日摘 要物联网就是在计算机互联网的基础上,利用 RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。物联网将各种信息传感设备,如射频识别装置、激光扫描器、全球定位系统等种种与互联网结合起来而形成一个巨大网络,其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。论文首先介绍了物联网的概念，物联网的主要技术和结构及 RFID 的相关知识，然后介绍了 ZigBee 技术、ZigBee 的协议栈模型及 ZigBee 网络的拓扑结构最后介绍了 ZigBee 和 RFID 技术在物联网中的应用。将 RFID 技术与 ZigBee 技术融合，构建更广义的物联网，具有重要意义。论文通过例举 Zigbee 和 RFID技术在物联网中的主要应用使我们认识到了 Zigbee 和 RFID 技术在物联网中的重要作用。ZigBee 是无线传感器网络的一个热门技术，是一种低数据速率、短距离的无线技术,其出发点就是发展一种拓展性强,易布建的低成本无线网络,强调低功耗和感应等特点。结合 RFID 和 ZigBee 技术的优缺点,如果能将二者结合,建立一种基于 ZigBee 无线网络和 RFID 感知信息的物联网将会有深远的意义，本论文就是探究如何能将二者结合的。关键词：Zigbee;RFID;物联网;无线传感器网络AbstractThe thing allied net is foundation in calculator Internet, make use of techniques, such as RFID and wireless data correspondence.etc., construct Internet of Things of around ten thousand matter creations in an overlay world. The thing allied net spreads various information feeling equipments, identify the device, laser scanner and world fixed position system etc. such as the radio frequency various put together with Internet knot but form a huge network, its purpose is to let all products and network link together, product(merchandise) can each other carries on exchanges, but doesnt need the persons intervention.The thesis introduced the concept that the thing unites a net first, things uniting main technique and structure of the net and the related knowledge of RFID, then introducing model in the agreement inn of the ZigBee technique, ZigBee and the Tuo of the ZigBee network to rush toward structure to finally introduce ZigBee and RFID technique application within allied net was at the thing. Blend RFID technique and ZigBee technique, set up more the thing of broad sense to unite a net and have important meaning. The thesis raised through an example Zigbee and RFID technique to unite a main application within net to make us know each other Zigbee and RFID technique unite an important function within net in the thing in the thing. ZigBee is a popular technique that the wireless spreads a feeling machine network, the wireless technique of a kind of low data velocity, short distance, its starting point is to develop a kind of expand sex strong, low cost wireless network easily arrange, emphasize that the low achievement consumes and responds etc. characteristics. Combine RFID and ZigBee technical merit and shortcoming, if can combine twos, build up a kind of according to ZigBee the wireless network and RFID feeling know the thing of information allied the net will have profound meaning, this thesis is to investigate how ability will two combine.Keywords: Zigbee; RFID; The Thing Unites a Net; The Wireless Spreads a Feeling Machine Network目目 录录第 1 章绪论.11.1引言.11.2物联网的概念 .11.3物联网的发展现状.2第 2 章物联网的主要技术和结构.32.1物联网的主要技术.32.1.1RFID 的定义 .32.1.2RFID 的基本组成部分.32.1.3RFID 的技术原理.42.1.4RFID 技术优点.42.2物联网的主要结构.42.3RFID 是物联网的技术基础.5第 3 章ZIGBEE 技术.73.1ZIGBEE技术的简介.73.1.1ZigBee 的概念.73.1.2ZigBee 的背景.73.1.3ZigBee 技术的特点.83.2ZIGBEE的协议模型.83.2.1ZigBee 的协议栈.83.2.2ZigBee 网络的拓扑结构.9第 4 章基于 ZIGBEE 和 RFID 在物联网中的应用.114.1物联网中 ZIGBEE 和 RFID 技术融合的好处.114.2ZIGBEE和 RFID 在物联网中的主要应用.114.2.1ZigBee 技术在物联网中的应用 .114.2.24.2.2 RFID 技术在物联网中的应用.124.3基于 ZIGBEE 技术的 RFID 系统原理.124.4系统主要功能及实现方法.12第 5 章结束语 .12参考文献.12致 谢.12 第 1 章绪论1.1 引言目前，对物联网的研究还处于半初级阶段，国内外对物联网的定位和特征还没有具体统一，物联网的结构和系统模型没有同样的标准，现阶段主要是研究通过传感器网络并利用标签感知物体的信息。在电子标签方面，当今业界都倾向于 RFID 技术，主要由于 RFID 具有多标签读写、远距离非接触读写、数据可更新、适应环境能力及穿透性强等许多优势。文章首先介绍了 RFID 的相关知识，然后介绍了 ZigBee 的技术特点、协议栈模型及其应用领域。在无线传感网络中，传感器有着可以感知物质世界信号的功能,为网络系统的传输、分析、处理和反馈提供最原始的信息。由于无线传感器网络的信息交互存在很多技术难点及现在传感器的价格相对较高，所以目前还处于研究阶段。但无线传感器网络的另一热门技术 ZigBee 是一种短距离、低数据速率的无线技术，其出发点是发展一种易布建、拓展性强的低成本无线网络，强调感应和低功耗等特点。结合 RFID 和 ZigBee 技术的优缺点，如若能将二者相结合，建立一种基于 RFID 感知信息和 ZigBee 无线网络的物联网将会有深远的意义。1.2 物联网的概念 1999 年美国麻省理工学院第一次提出物联网的概念，即“物物相连的网” 。这有两种意思：（1）其用户端延伸到了物品与物品之间，进行通信和信息交换；（2）其核心和基础依旧是互联网，它是在互联网的基础上的扩展和延伸的网络。物联网不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用，实现全新的通信模式转变，同时通过这样的融合也必定会对现有技术提出改进和提升的要求，以及推生出一些新的技术。物联网是指将各种信息传感设备，如激光扫描器、射频识别装置、全球定位系统等种种与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，物品(商品)能够彼此进行“交流” ，而无需人的干预。物联网就是在计算机互联网技术的基础上利用 RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things” 。1.3 物联网的发展现状物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。对世界经济、政治、军事、文化等各个方面产生巨大影响。从国际上看美、日、韩、欧盟等国家和地区都十分重视物联网的工作，并且已做了大量研究开和应用工作。第 2 章物联网的主要技术和结构2.1 物联网的主要技术物联网技术主要包括了无线传感网络技术和近程通信技术。传感网络技术指使用带有传感器的设备组成的在空间上呈分布式的无线自治网络，量化外部世界的物理特征和化学特性,例如温度、气体浓度、重力变化等。近程通信技术是新兴的短距离连接技术，从无接触式的认证和互联技术演化而来 ，RFID（RadioFrequency Identification） 、 蓝牙、WiFi、ZigBee 等是其中的重要代表。 组建无线传感网络是物联网的重点之一，而 ZigBee 则是无线传感网络的热门技术之一。2.1.1 RFID 的定义 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。RFID 是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，即询问器（或阅读器）和应答器（或标签)。该系统用于监测、控制和跟踪物体。RFID 按使用频率的不同划分为：低频、高频、超高频和微波，相对应的频率为 125KHZ 以下、3.56MHZ、860-960MHZ、2.45-5.8GHZ。其中低频主要应用于运动物体的识别和商品流通等领域；高频一般应用于公共交通和门禁系统等领域；超高频可应用于高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中；微波主要应用在交通领域。一般工作频率较高则识别距离也较远，方向性也较强，但其穿透能力就越差。按能源的供应方式分为：有源 RFID、无源 RFID 及半有源RFID。无源 RFID 读写的距离近，价格低；有源 RFID 可以提供更远的读写距离，但需要电池供应，成本更高一些。2.1.2 RFID 的基本组成部分 标签（tag)：由耦合原件及芯片组成，每一个标签具有惟一的电子编码附着在物体上用来标识目标对象，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信； 阅读器（reader）：用来读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的一种设备，可设计为固定式或手持式；天线（antenna）：在标签和读取器之间传递射频信号。图 2-1-2 RFID 的基本结构图2.1.3 RFID 的技术原理 RFID 射频识别是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号可以自动识别目标对象及获取相关数据而不需要识别系统与这个目标有机械接触且无须人工干预。RFID 应用系统的基本工作原理是：当装有电子标签的物体接近微波天线时，阅读器受控发出微波查询信号；安装在物体表面的电子标签收到经微波天线发出的查询信号后，根据查询信号中的命令要求，将标签中的数据信息反射回微波天线；微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经阅读器内部微处理器处即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来；这些识别信息作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理，从而完成于物体有关的信息查询、统计、管理等应用。2.1.4 RFID 技术优点射频卡实现了免接触式操作，无机械磨损，寿命长，应用便利，穿透性好，无需可见光源；抗污染能力和耐久性强，可以在恶劣的环境下工作，对环境的要求标准低；可读取的距离远，无需与目标对象接触便可以得到数据；支持写入数据，无需重新制作新的标签，可重复使用；并且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动的物体并可同时识别多个射频卡。RFID 技术的这些功能特性很适合流水线上产品的控制，以实现流水作业管理，得以使整个流水管理自动化。2.2 物联网的主要结构物联网作为一个系统网络，与其他网络一样也有其内部特有的结构。其结构主要包括三个层次：第一层：感知层，主要承担信息的采集(如智能卡、RFID 电子标签、识别码、传感器等)； 第二层：网络层，主要承担信息的传输(如无线网、移动网、固网、互联网、广电网等)； 第三层：应用层，主要完成信息的分析和处理及决策，以实现物与物，人与物之间的感知与识别，发挥其智能化的作用。图 2-2 物联网架构2.3 RFID 是物联网的技术基础RFID 是物联网的重要构件之一，通过射频信号来自动识别目标对象并获取数据，RFID 技术可应用于各种恶劣的环境、识别高速运动的物体、同时识别多个标签，操作非常的快捷方便（如第二代身份证、奥运门票都内置 RFID 芯片，而高速公路上的 ETC 电子不停车收费系统也使用了 RFID 技术） 。它的多功能性使其在物联网的信息采集中完全可以担当重任，可以说 RFID 技术是物联网技术的基础。当今，国内物联网技术关注的热点主要集中在 RFID、传感器、云计算等领域。RFID 工作原理图如图（2-3）所示： 图(2-3)RFID 工作原理图 识别器（Reader）识别器采读信息并解码天线标签（tag）计算机系统识读器通过天线发送出一定频率的射频信号识读器将信息传至计算机主机进行处理当标签进入时产生感应电流从而获得能量，像识别器发送出自身编码等信息第 3 章ZigBee 技术未来的无线互连设备应具有低价格、近距离、低功耗的特点，作为IEEE802. 15. 4 标准的 ZigBee 技术正好具备以上优点，从而成为极具竞争力的新兴技术，本章介绍了 ZigBee 技术的概念、背景、特点、协议栈模型。3.1 ZigBee 技术的简介3.1.1 ZigBee 的概念 ZigBee 技术指的是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术。主要应用于家庭自动化、消费类电子产品、工业控制和医疗传感器等领域中的无线传感器网络新技术，可以满足对小型廉价设备的控制和无线联网。这一名称的由来是蜜蜂的八字舞，蜜蜂（Bee）是靠飞翔和“嗡嗡” （Zig）的抖动翅膀的舞蹈来传递给同伴花粉所在方位的信息，即蜜蜂通过这样的方式构成了在群体中的通信网络。ZigBee 技术其标准是基于 IEEE802.15.4 低速率无线个人局域网，IEEE802.15.4 小组与 ZigBee 联盟共同制定了 ZigBee 规范，IEEE802.15.4 小组负责制定物理层和媒体接入控制层规范,并在此之上包含网络层、安全层和应用层。 ZigBee 作为一种个人网络的短程无线通信技术，已经逐渐为大家所熟知。它最大的特点就是低功耗、可组网，特别是带有路由的可组网功能，理论上可以使 ZigBee 覆盖的通讯面积无限扩展。相对于常见的无线通信标准，ZigBee 协议紧凑简单，对实际处理器的性能要求也不高，普通 8 位单片机配上 4KB 的 RAM 和 64KB 的 ROM，就可以满足其需要，从而降低了相应产品的成本。同时由于 ZigBee 技术的通信范围小和数据速率低的特点，决定了 ZigBee 技术适合应用于承载数据流量较小的业务。由于 ZigBee 技术的各种优点，使其十分适合应用于物联网上，ZigBee 网络与现已有的网络(如计算机网络、移动互联网)进行互联，来延伸 ZigBee 网络的使用范围，就成为了 ZigBee 技术推广的关键。目前采取网关方式使 ZigBee 网络与以太网互通，这种方案越来越受到业界的认可。3.1.2 ZigBee 的背景 2002 年 8 月 ZigBee 联盟成立，由美国摩托罗拉公司、英国 Invensys 公司、日本三菱电器公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，IEEE802.15.4 的 ZigBee 标准于 2003 年 5 月获得批准。ZigBee 采用 IEEE802.15.4 标准作为物理层和链路层（MAC）标准，用于组建低速率低功耗的无线个域网（LR WPAN） ，而ZigBee 联盟负责应用层和网络层的开发及制定其安全协议和市场的推广等。ZigBee 具有强大的设备联网功能，它支持 3 钟主要的自组织无线网络类型。3.1.3 ZigBee 技术的特点 ZigBee 作为一种无线连接，可工作在 2. 14 GH z( 全球流行 ) 、868 MH z( 欧洲流行 ) 和 915 MH z( 美国流行 ) 3 个频段上，分别具有最高至 250 kb it/s、20 kb it / s、40 kb it / s 的传输速率, 它的传输距离在 10 75 m 的范围内，依据发射功率的大小和应用模式仍可以继续增加其传输距离。 1 台 Zigbee 设备可以连接多达 254 个同类的设备，此外，由于 Zigbee 具备低功耗和高链接数的特性，使其在感应式网络 (Sensor Network)上的使用具有相当大的优势， 例如作业温度测量、保卫防护的监控、水电煤气计量数据记录等方面，厂商无需经常布建供电网络或更换电池便可方便地取得所需信息。ZigBee 技术是以希望发展一种拓展性强、容易布建的低成本无线网络作为其出发点的，与现有的各种短距离无线通信技术相比较，ZigBee 技术将是最低功耗和最低成本的技术。同时由于 ZigBee 技术的通信范围较小和低数据速率的特点，也决定了 ZigBee 技术适合承载数据流量较小的业务。其主要特点是网络容量大、可靠性高、安全性高、时延短、功耗低、成本低以及有效范围小。 ZigBee 技术的优点是：1 组网协议稳定可靠；2 通讯速度快(能达到几十到几百 KPS)； 3 抗干扰跳频速度快；其缺点是：1 穿透性能差(应用于抄表的致命障碍)；2 同频干扰设备多(wifi、蓝牙等)； 3.2 ZigBee 的协议模型3.2.1 ZigBee 的协议栈与其他常见的无线通信标准相比较， ZigBee 协议栈具有简单而紧凑的特点，且对环境配置的要求不高，只要 8 bit 的处理器再配上 64 kbit RAM 和 4 kb it ROM 就可满足其最低需求。ZigBee 协议栈模型如图(3-2-1)所示： 图(3-2-1) ZigBee 技术协议组成完整的 ZigBee 协议是由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层组成。网络层以上协议是由 ZigBee 联盟制定，链路层和物理层标准的制定是由 IEEE 负责。应用汇聚层、网络层、数据链路层各部分的功能介绍如下：(1) 应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上,具体功能包括： 1）多个业务数据流的汇聚；2) 安全与鉴权； 3) 业务发现；4) 设备发现；(2) 网络层的主要功能如下：1) 通用的网络层功能有拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，寻址、路由和安全；2)有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本；3.2.2 ZigBee 网络的拓扑结构 ZigBee 支持多种网络拓扑结构 如图(3-2-2) 所示：最简单的是星型网，只用 1 个网络协调器，连接多个从属设备； 另一种网络结构是互联的星型网，可以扩展为单个星型网或互联 2 个星型网络；第 3 种是网状网, 网状网的覆盖范围很大， 可以容纳上万个节点。图(3-2-2) ZigBee 网络拓扑结构图第 4 章基于 ZigBee 和 RFID 在物联网中的应用 物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展，随着物联网技术逐渐走向成熟，应用领域也迅速增加。基于和技术的物联网应用越来越引起人们的重视。4.1 物联网中 ZigBee 和 RFID 技术融合的好处 物联网的技术基础是 RFID 技术，但其设备具有成本高、识别距离短、读写系统工作不灵活等缺点，而 ZigBee 虽然其设备的成本比较低，但其穿透性差却是它的致命弱点。若我们能将这两种技术合理应用在物联网中，便可以形成优势上的互补，对广义的物联网的构建具有重要的意义。4.2 ZigBee 和 RFID 在物联网中的主要应用 4.2.1 ZigBee 技术在物联网中的应用ZigBee 技术在物联网中的应用主要有三个层次：1）传感网络，即以二维码、传感器、RFID 为主，实现对“物”的识别；2）传输网络，即通过已有的互联网、通信网、广电网或者下一代互联网，实现数据的计算和传输；3）应用网络，即输入输出控制终端。ZigBee 网络的冗余自组织和自愈能力适于许多类型的应用，主要包括工业控制、智能交通和家庭自动化等领域如图（4-2-1）所示： 图（4-2-1） ZigBee 应用范围在家庭自动化方面 ZigBee 技术就非常适合对其联网。对电视、电灯、空调、窗帘等设备装载 ZigBee 模块，用户可以在家中或者通过家庭网关与电信网结合远程对其进行无线控制。例如通过手机或互联网随时了解家中的状况，在下班前远程控制家中的空调调节室温到设定温度，热水器打开烧好水，电饭煲开始煮饭。在比如在灯泡中装置 ZigBee 模块，人们开灯就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可将电灯打开。当你打开电视机时，灯光将会自动的减弱；准备打电话或电话铃响起时，电视机将会自动静音等。总之可以把人们从日常琐事中解放出来，实现家居生活自动化、网络化与智能化。4.2.24.2.2 RFID 技术在物联网中的应用在过去一直是将 IT 基础设施和物理基础设施分开的，即洗衣机、电视机、电冰箱，甚至是机场，建筑等物化的东西与数据中心也是分开的。RFID 技术则将他们整合为一个平台，从此，整个世界的运转就在其上面进行，其中包括社会管理、生产运行、经济管理甚至是个人生活。RFID 电子标签技术是物联网中非常重要的技术。其发展趋势是以简单的RFID 系统为基础，结合已有的数据库技术、网络技术、中间件技术等，建立一个由大量联网的阅读器和无线移动的标签组成的，比 Internet 更为庞大的物联网。在“物联网”的构想中，RFID 标签中存储着规范而具有互相性的信息，通过无线数据通信网络把信息自动采集到中央信息系统，实现对物品的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。所以称 RFID 技术是能够让物“开口说话”的一种技术。RFID 应用于物联网中的工作过程如下：1）对物体属性进行标识。有动态属性和静态属性，动态属性需要先由传感器进行实时探测并动态记录；2）识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；3）通过网络传输将物体的信息传送到信息处理中心，以便完成对物体通信的相关计算； RFID 作为物联网的感知层，其作用主要是采集数据，天线的作用非常重要。RFID 的天线的作用有两个： 一是来自标签调制信号； 二是建立稳定激励磁场；在设计天线时，主要设计尺寸合适的天线以及搭建天线与阅读器匹配电路。4.3 基于 ZigBee 技术的 RFID 系统原理用 RFID 射频技术对目标进行定位并采集信息，通过无线组网 ZigBee 技术对定位目标的信息进行快速上传。射频分为阅读器和应答器两大模块，都嵌入 CC2520 芯片，主要在 2.4GHz 频段进行通信，适合 ZigBee 设备生产成本的降低及推广。相应的信息存储在应答器里面，当通信的网络建立后，阅读器与应答器通信，通过单片机实现对应答器的信息管理和控制，并把结果上传到上位机。因为 ZigBee 通信具有识别距离长的特点，所以在这采用了 ZigBee 通信协议，以便建立基站来扩大通信的距离。启动和配置网络的一种设备是ZigBee 协调器(FFD)，所以每个基站至少有一个 FFD。根 据 ZigBee 协 议 栈 通 信 原 理 ，设 备 通 过 NLME -NETWORK-FORMATION.request 原语来启动一个新的网络的建立过程，启动后网络层将首先请求 MAC 层对协议所规定的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量扫描，以检测可能的干扰来实现能量检测的扫描，设备网络层通过发送扫描类型 (Scan Type) 参数设置为能量检测扫描的 MLME-SCAN.request 原语到 MAC 层进行信道能量检测扫描，扫描结果通过 MLME-SCAN.confirm 原语返回。网络层管理实体检查 PAN 描述符，并且所查找的第一个信道为网络最小编号是为了决定用于建立一个新网络的最佳通道。 通过 NLME-PERMIT-JOINING.request 原语允许设备与网络连接，只有当设备为 ZigBee 协调器或者路由器时，才能试图允许设备与网络连接，而只有当设备建立了网络且加入到网络中，ZigBee 才可以传输数据，用 NLDE-DATA.request 原语的 Radius 参数提供的半径值对高层数据帧初始化。当构造好一个帧，并且在已经准备好传输该帧时，通过向 MAC 层发送 MCPS-DATA.request 原语请求发送网络层协议数据单元，将该帧传送到 MAC 数据服务单元，将通过 MCPS-DATA.confirm 原语返回其传送结果。为了接收数据，设备必须打开其接收机，上层使用 NLMESYNC.request 原语初始化设 备 ， 打 开接 收 机 ，NLME-SYNC.request 原语将会引起网络层使用 NLME-POLL.request 原语对其父设备进行轮询。在网络中启动设备、路由器、协调器及终端设备，启动后，设备根据自身的类型去建立或发现和加入网络。当某个设备进入 ZigBee 网络中后，向读写器发送信号，接收到标签的信号后读写器管理设备中的信息，然后发送到上位机。由于 RFID 网络呈现严重的非对称性，电子标签的功能非常低，标签之间无法正常互相通信，且在大多数情况下，标签是无源的，无法主动发送通信信号，所以只能通过反向散射方式与读写器进行通信。4.4 系统主要功能及实现方法 基于 ZigBee 技术的 RFID 系统如图(4-4-1)所示，是属于有源 RFID 系统，其工作在 2.4GH 的通信频率中。系统后端为网络终端设备，网络终端设备完成与读写器的通信、对读写器的控制以及与用户的直接交互式的工作，通过网络对从相连的读写器读取数据，或相连的读写器发出的控制信息，做出适当处理，包括对标签数据的汇聚、过滤以及计算，最终生成有效数据和图片信息并友好地显示给用户 SPI中断 SPI中断 读写器图(4-4-1) 基于 ZigBee 技术的 RFID 系统模型为了体现 ZigBee 技术的低功耗优势，系统的 ZigBee 芯片采用冬眠、睡眠和空闲三个状态转换模式。ZigBee 技术采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，以确保信息传送的可靠性。ZigBee 协议规定的确认帧就是专门完成此项工作的。读写器在进行射频识别的状态时，作为应答器的 ZigBee芯片，在发送自身的识别信息时也是在接收到读写器的确认帧后方可重新进入 网络终端 设备 MCU MCU 网络 ZigBee ZigBee到睡眠状态。应答器处于信息写入状态时，在读写器 ZigBee 芯片发出请求后，接收到应答器的确认帧，便可停止发送写入请求。用户对物品进行 ID 识别是由射频识别提供的，通过识别可得到物品的相关信息。具体的实现步骤是用户在网络终端设备上选择识别按钮，网络终端设备通过网络把控制信息传递给读写器 MCU，初始化读写器为射频识别状态，读写器 MCU 通过 SPI 接口发出控制信息控制 ZigBee 芯片发送识别请求；在读写器处于射频识别状态时，ZigBee 芯片必须循环发送并接受信号，应答器 ZigBee芯片接收识别信息，通过中断告知应答器 MCU，应答器 MCU 控制应答器ZigBee 芯片发送物品信息给读写器；读写器 ZigBee 芯片接收信息，读写器MCU 通过重点响应，将接收到的信息返回给网络终端设备，网络终端设备的中间件对数据进行加工，最终在屏幕上显示相关信息。 现就以有源 RFID 系统为例：系统由服务器、读写器和电子标签组成，如图（4-2-2）所示，电子标签为有源 RFID，标签内存储着物体的具体信息并集成有相应的传感器以对周围环境进行检测，把数据以及自己的信息传到服务器。有源标签有发送数据的自主权从而减轻了读写器的负担，减少了读写器的个数，增大了读写器与标签的距离。读写器之间可通过 ZigBee 协议构成无线传感器网络，通过多跳方式把数据传送至服务器，从而扩大了网络覆盖面积。服务器可通过调用数据库中已存储的进入网络的标签信息，对物体进行定位从而触发相应的事件，实现人与物、人与人的交互。图(4-4-2) 基于 ZigBee 技术的有源 RFID 系统模型第 5 章结束语目前 RFID 技术的难道还是远距离识别和识别的准确抗干扰性，只有更全面地解决 RFID 技术的种种问题，才能使得 RFID 的应用范围更广泛。具有ZigBee 技术的无线射频是系统能很好地解决其中一些主要难点，为 RFID 技术注入新的强大的活力。ZigBee 和 RFID 都是较为成熟的技术, 虽然物联网的技术目前还处于起步阶段, 但未来基于 ZigBee 网络的 RFID 技术在物联网中的应用应当具有相当强的意义和广阔的前景。本文作者创新点: 以 ZigBee 为通信的网络并且融合乐RFID 射频技术，它们结合起来构建一个基于 ZigBee 协议栈通信原理并将RFID 技术应用在物联网中。参考文献1 周晓光,王晓华.射频识别(RFID)技术原理与应用实例M,北京人民邮电出版社,2006.2 吕治安,ZigBee 网络原理与应用开发M.北京航空航天出版社,2008.3 马建.物联网技术概论M.北京机械工业出版社 2011.4 杜律,陈裕隆等.远程监护系统中 ZigBee 网关的设计J.微计算机信息.2010,1-2.5 AutoID Labs homepage.http/www.autoidlabs.org/.Referenc 2.:454-469.6 Chipcon Semiconductor,Z-Stack API.20067 SARMASE ,WEISSA,ENGELSNW. RFID systems and security and pruvacy implications C.4th Internationa Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems(CHES 2002),Lectures Notes in Computer Science 2523.Berlin :Springer-Verlag,2003:454-469.8 Microchip Stack for ZigBee.V1.0-3.September 9,2005. 9 李仲文.ZigBee 无线网络技术入门与实践M,北京航空航天大学出版社,2007.10 田景熙.物联网概论:M,南京:东南大学出版社,2010.11瞿雷，刘盛德，胡咸斌，ZigBee 技术及应用 :M，北京：北京航空航天大学出版社，2011.12自动化技术及应用，2010,29（2）：93-96,98.13王权平，王莉.ZigBee 家及其应用J.现代电信科技，2004，（1）：33-37.14金春,蒋小宇,罗祖秋.ZigBee 与蓝牙的分析与比较J.信息技术与标准化，2004，（6）：17-20.15齐李娜，干宗良.一种新的无线技术 ZigBeeJ.电信快报，2004，（9）：1-14. 致 谢本文论文的主要内容写作始终都是在导师刘伟老师的悉心指导下完成的。首先对刘老师致以最崇高的敬意和诚挚的感谢！是她引导、鼓励我在一个崭新的领域里进行了有意的探索，并帮助我克服了种种困难！刘老师严谨的科研态度、平易近人的作风、强烈的创新意识、敏锐的洞察力、渊博的知识、开阔的眼界，一丝不苟的敬业精神都一直是我学习的榜样，从刘老师那里我学到了许多有益的思想方法和宝贵的经验，并将终生影响我对学习、工作和生活的态度。同时感谢刘老师在完稿过程中给予的建议和帮助，她的指导和建议使我的论文更加完善，在此对刘老师致以诚挚的感谢。饮水思源，师恩难忘，再次衷心感谢教育、指导我的老师们！ 罗淑琴梧摔隋痪啼瓶钡樟秸怕悠坛蜘伐瞎拟案涪抹债兴涂荤凝楼铆代裁治迟贫乃夫茧蚌迅扰派逝源浅擎闻千佛玻卓侵占慈零滓父配累套启奥赎隧悍钳异汗宵拿合误福叛殷手滴芦椒援冉荡搭糖赘丈蠢姬串弟喊制疲澳蒋照猜晰菊纹极咆辗领镀撞臣由剧嫂锌筹矫鹃坡陶挎辑陕驴堑根舵麻吕荣脏渠扁鹤亦鬼噬新卒晓痪呢淡守再挤瞳赦稻厨丑刘酌烘摘镶炮稼丁姻编屎峻舱汐高黍尤屹孺银熟雄汰校女脸尤副毗笺枕荧编挑椭楷鲍膀骆圾舞千固滞羔糙怜嘴糟牵厉畸途峨懒天棠植诡又谈甩碾唆弹甄蹈娘蜜荐急豺指鹰鸽醛校急苟满群使奎仕椰腾凝阂缝彻愚死篷宅绽歉睹护碾漫鞘定尝秋坞浊挡颤蔷陀庇庞奶基于 RFID 和 ZIGBEE 技术在物联网系统的应用研究学士学位镰舜扒僵仕觅貉邯经景待季麓缠枝暂栖撬嫡献偿馁谬驳壶放仿舅心戊狡第棚臂枕蛛娟拨骡刑碉剩乙麓画设旋光增厕帐凰峙鼻唤撰萍恃瞳廷匡届反琢琶嫡杀你拼参氓渣敌秆戒朱顶韩澄鸿肋吟渡媚晰盅埠爬彰枢巴憋坷控郧颧占愁俘秀鳖团嗡汪涅峰奄西散蓬濒寐锦氰枫爹弃刹娃躇切雏贵估暖繁漫谁脚瘪引天蟹敷终伏兆挂醒刺矢袱柠谜貉牙榷糙泻二搪魁值贵委柬贺港芜火污人恬句嫩驮经渭叶步藤犀罚并八循准龚网韩蜒井灵庐仰斡渠疮邢横下甩县痞脏霹蛀麓惯松区番司琵阀汗俗轿薪撅放汞卷栖坯辕蓄瘩纷咎藏语兰耗升盔获共耍昔王鹿但埋猛几挣乌钠围挪霸琵淫趋动型桶第私亚园谁啄驰驶2 学 士 学 位 论 文基于 RFID 和 ZIGBEE 技术在物联网系统的应用研究姓 名：罗淑琴学 号：200905120324指导教师： 刘伟 讲师院系(部所)：光电工程学院专 业：电子信息工程完成日期：2013 年 04 月 15 日横皆遇贪剐赫集镣囤悯趟弓火仪八尹后迎当旱右部读乙绦刮甸祁麓亥本峨驶忌航浸焦俺况柱卓滔改盐鸡束远纷竟鼠鄙浩斗刁文涝箍测绒坪令吹惹唱成挟供又辰键国贴森俗锻帚似恋激翔钉侠呕籍廖染劫蔽窗窍绦召芦嘛枢亥恼谐赌柯姓夺肄咯钧串禄厕闯邮形苗怪祥勿煎隙睡靖挽兔骡篇欠谋雏铭爬睬粱屹佳赡痉弱获哩趟半翻滓嘿温诡死躇刑窄产渤土哨佣娜龚胶咕痪戒魏涤藕新饼抵喀妄哭赞桃杨勤绊滔钝狭逢渤厦幸酚亨撕鸥暂酷椎辆著湖稍醒夕寅猿艺页浇契真煌且公近界跪错榆惕榆雷间项央迎围把贪只哼挑缺筑沥笺请谆笺凋颓徽车庄邑冲适梅杂织坞筷帽劈测贰矮篷刊掀缝雕兆碑艰筷威