無限傳感網(wǎng)和RFID實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室危險物品監(jiān)控

 Zigbee作為當(dāng)今最熱門的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Net-work)技術(shù)之一，以其低功耗、低單位成本、組網(wǎng)自適應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于自動控制和監(jiān)控領(lǐng)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(yīng)答器之間進(jìn)行非接觸雙向傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別與數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。

多年來我國在傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測方面開展了大量研究工作，但與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的自動化監(jiān)控系統(tǒng)大多集中在單獨(dú)的監(jiān)測，沒有實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時化。本課題將傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)應(yīng)用到生物安全實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控中來，以更低的成本智能化地判斷和跟蹤實(shí)驗(yàn)室危險品，實(shí)現(xiàn)其他監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)不到的網(wǎng)絡(luò)化與實(shí)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(luò)進(jìn)行多跳連接，通過集成RFID閱讀器的子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對危險物品的室內(nèi)定位監(jiān)控，同時節(jié)點(diǎn)還可以利用自身配備的各種傳感器設(shè)備將物品周圍的環(huán)境信息(溫濕度、壓強(qiáng)、煙霧等)發(fā)送到控制中心。

RFID技術(shù)和WSN技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，WSN可以監(jiān)測四面八方感應(yīng)到的各種信息，但缺乏對物品的標(biāo)識能力，RFID技術(shù)強(qiáng)大的標(biāo)識物品的能力正好可以彌補(bǔ);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(dá)100 m的有效距離，將會拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍。將RFID和WSN進(jìn)行集成應(yīng)用，會極大地推動兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

系統(tǒng)概述

在系統(tǒng)中，利用RFID標(biāo)簽來記錄危險物品的詳細(xì)信息和位置信息，并實(shí)時與RFID閱讀器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互;配置了各種傳感器的普通終端節(jié)點(diǎn)來檢測裝載危險品的容器的相關(guān)重要指標(biāo)，可以主動記錄對象的溫濕度、煙霧、壓差等環(huán)境信息，并實(shí)時上傳感知信息。Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)注重某個區(qū)域的感測指標(biāo)，而RFID技術(shù)能夠準(zhǔn)確地識別具體的節(jié)點(diǎn)信息并進(jìn)行位置監(jiān)控。綜合兩者的技術(shù)特點(diǎn)，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的RFID監(jiān)控系統(tǒng)能夠主動、實(shí)時地對環(huán)境進(jìn)行檢測并準(zhǔn)確地記錄具體節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，必要時能夠主動發(fā)出警報。系統(tǒng)主要實(shí)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(shí)現(xiàn)中主要包括了組網(wǎng)分析、Zigbee RFID無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計(jì)三大部分內(nèi)容，最后給出了本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及驗(yàn)證結(jié)果。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

RFID系統(tǒng)和WSN系統(tǒng)作為單獨(dú)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(xì)地設(shè)計(jì)，以便可以覆蓋到范圍內(nèi)所有的標(biāo)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(jìn)一步應(yīng)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(diǎn)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(luò)由RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽、普通終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、后臺應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)被布置到一個Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，自主運(yùn)行，通過網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)給后臺服務(wù)器。RFID標(biāo)簽根據(jù)不同的用途和通信距離可以采用被動式無源標(biāo)簽、半無源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽等，它們遵循RFID協(xié)議規(guī)定的物理層標(biāo)準(zhǔn)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(luò)發(fā)送給后臺處理的應(yīng)用系統(tǒng)。

硬件實(shí)現(xiàn)

Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中Zigbee節(jié)點(diǎn)主要由RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)、普通終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等四類節(jié)點(diǎn)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(jìn)行分離，根據(jù)硬件配置的不同，實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)點(diǎn)功能，同時又可以保證所有節(jié)點(diǎn)既能向其他節(jié)點(diǎn)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(shí)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(yīng)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(luò)設(shè)計(jì)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(yīng)用[3]。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與計(jì)算機(jī)相連，工作流程圖如圖3所示。

RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)

硬件設(shè)計(jì)

RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)硬件部分由物品跟蹤RFID標(biāo)簽、讀卡模塊、基本Zigbee終端節(jié)點(diǎn)組成。每個需要監(jiān)控的危險物品都配備一個RFID標(biāo)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(diǎn)。RFID標(biāo)簽發(fā)送代表身份特征的射頻信號，RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)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(luò)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(luò)之間的射頻干擾;RFID標(biāo)簽采用主動式標(biāo)簽，被動式標(biāo)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(biāo)簽除了具備被動式電子標(biāo)簽的很多特性，還具有讀取距離更遠(yuǎn)、性能更可靠等優(yōu)點(diǎn)。圖4為節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。

RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)的定位實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的定位，首先需要的是參照物或者絕對坐標(biāo)(如經(jīng)緯度)[4]。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和基于對實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用場景的分析可知選用絕對坐標(biāo)對于本監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是不適用的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織獨(dú)立的靈活組網(wǎng)方式，如果采用絕對坐標(biāo)對目標(biāo)物體進(jìn)行定位，則首先需要獲得一張用經(jīng)緯度標(biāo)識區(qū)域的地圖，這在目前分析看來花費(fèi)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(luò)中的移動目標(biāo)物體進(jìn)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(diǎn)的空間位置是已知的，對于貼有標(biāo)簽的目標(biāo)物體的定位是參照終端節(jié)點(diǎn)的位置而確定的。

假設(shè)終端節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(LcX，LcY)，顯示窗口內(nèi)繪圖點(diǎn)的最大坐標(biāo)值為(MaxPtX，MaxPtY)，由此可計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)的繪圖坐標(biāo)(RdrPtX，RdrPtY)：

這樣可以得到終端節(jié)點(diǎn)的平面繪圖坐標(biāo)(RdrPtX，RdrPtY)，每個標(biāo)簽的繪圖坐標(biāo)是依據(jù)各終端節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算得到的。標(biāo)簽的繪圖坐標(biāo)采用的是質(zhì)心定位的算法[5]，即取與該標(biāo)簽有關(guān)的終端節(jié)點(diǎn)的繪圖坐標(biāo)為頂點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心為該標(biāo)簽的坐標(biāo)。圖5即包括了采用閱讀器節(jié)點(diǎn)對標(biāo)簽進(jìn)行坐標(biāo)定位的所有情形。

圖5(a)表示標(biāo)簽只被一個閱讀器識別，圖5(b)表示標(biāo)簽被兩個閱讀器識別，圖5(c)表示標(biāo)簽被三個閱讀器識別，此時標(biāo)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(diǎn)的三角形的質(zhì)心為標(biāo)簽的坐標(biāo)。這樣計(jì)算的一個假設(shè)同樣是依據(jù)標(biāo)簽在重疊區(qū)域依均勻分布出現(xiàn)。圖5(d)表示標(biāo)簽被n個閱讀器識別，此時標(biāo)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(diǎn)的多邊形的質(zhì)心為標(biāo)簽的坐標(biāo)。這樣計(jì)算的一個假設(shè)同樣是依據(jù)標(biāo)簽在重疊區(qū)域依均勻分布出現(xiàn)。此時標(biāo)簽(TagPtX，TagPtY)的坐標(biāo)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(guān)系如下：

對目標(biāo)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(biāo)的基礎(chǔ)上，通過加入時間參數(shù)的計(jì)算，進(jìn)而得出目標(biāo)物體的移動軌跡。通過在上層軟件中移動節(jié)點(diǎn)定位功能加入預(yù)配置GIS支持，還可以將分析得到的移動物體位置實(shí)時反映在監(jiān)控中心的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場方位圖中。

監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計(jì)

危險物品監(jiān)控管理軟件實(shí)現(xiàn)對危險物品跟蹤定位信息的采集、分析處理、實(shí)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(shí)時顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、物品信息管理、系統(tǒng)維護(hù)6個模塊，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)時反映當(dāng)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(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的實(shí)時定位，并能夠?qū)χ付ǖ哪繕?biāo)進(jìn)行軌跡追蹤，形象地通過窗口圖形界面繪制目標(biāo)物體的移動軌跡。由普通傳感器終端節(jié)點(diǎn)以及RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心服務(wù)器通過管理軟件對當(dāng)前的環(huán)境信息和物品位置信息進(jìn)行處理和分析。監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

從技術(shù)應(yīng)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(luò)結(jié)合RFID技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集部分的基礎(chǔ)設(shè)備，負(fù)責(zé)目標(biāo)物體的識別，將目標(biāo)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(yīng)用的場景有關(guān)。但是RFID技術(shù)系統(tǒng)中的最重要的支持功能就是完成目標(biāo)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(shí)現(xiàn)。

本文針對目前實(shí)驗(yàn)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(luò)與RFID技術(shù)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(shí)現(xiàn)。通過本課題的研究可見，結(jié)合Zigbee技術(shù)和RFID射頻技術(shù)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jī)制的設(shè)計(jì)上盡可能地節(jié)省能源和提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線性能;另一方面通過深入研究RFID射頻識別的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對危險物品、設(shè)備或者各種貨物的判斷和跟蹤。當(dāng)前，這種技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與RFID技術(shù)結(jié)合共同打造智能化的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個新的研究熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。