物联网的基本原理和组成及其开发平台的结构组成和应用开发前景

摘要：在深入理解物联网关键技术RFID原理后，提出将ZigBee技术、GPS技术融进RFID技术中，形成一个基于ZigBee、GPS的多点自动识别、智能无线组网和实时定位的RFID识别系统的物联网开发平台。在该平台中详细介绍了RFID和ZigBee等各个模块原理及其应用，同时解决了阅读器在读取EPC电子标签数据时易出现的碰撞问题，并阐述了物联网开发平台的主要优势。

随着无线通信技术、传感器技术、信息处理技术的快速发展，经济全球化、工业自动化和信息化的进程不断深入，物联网技术逐渐成熟，应用的领域逐渐增多，物联网技术引起了人们越来越多的重视。物联网，顾名思义就是物与物相连形成的网络，它们之间进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。物联网主要应用在物流管理、智能交通系统、供应链管理和工厂、楼宇、环境保护等领域的监测，可以降低管理成本，提高管理的有效性和设备、危险场合的安全性。

本文详细介绍物联网的基本原理和组成，描述每个模块的基本原理和功能，同时在射频识别系统中嵌入ZigBee模块，提高了物联网的无线通信和组网能力，使物联网技术得到更好的发展和应用，之后系统介绍物联网开发平台的结构组成以及应用开发前景，物联网开发平台的搭建，对促进研究成果的转化和产学研对接也具有十分重要的意义，为最终实现“物联网”提供了一条简单、可行的途径。

1 物联网基本原理

物联网一般由3大部分组成，即射频识别RFID系统、中间件Savant系统和Internet系统。其中RFID系统至少包含阅读器(Reader)和RFID标签(Tag)，它具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、工作环境适应强、可重复使用等多种优势。RFID标签由芯片与天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，标签附着在物体上以表示目标对象。物联网系统基本组成如图1所示。

2 RFID系统

物联网技术核心关键就是射频识别技术(RFID)。一般的RFID系统由阅读器、应答器(电子标签EPC)和高层等部分组成，具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、工作环境适应强、可重复使用等多种优势。电子标签由芯片与天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，标签附着在物体上以表示目标对象。RFID阅读器的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的识别信息进行处理，之后阅读器把接收到的数据整合处理传送给计算机。高层是信息管理系统和决策系统，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据。RFID在票务系统(城市公交车、高速公路收费、门票等)，收费卡，城市交通管理，安检门禁，物流，家政，食品安全追溯，药品，矿井生产安全，防盗，防伪，证件，集装箱识别，动物追踪，运动计时，生产自动化，商业供应链等众多领域获得广泛重视和应用。RFID系统结构如图2所示。

3 ZigBee模块

ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee网络的拓扑结构主要有3种：星型、树状和网状网络结构。它采用DSSS扩频技术，使用的频段是2.45 GHz的超高频段，抗干扰能力强，传输速度快，同时可以提高阅读器的工作距离，主要适合于自动控制、无线传感器、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，还支持地理定位功能。本文把ZigBee模块嵌入到RFID系统中，具有更可靠的安全性和更好的组网特性。

4 GPS和GPRS模块

全球定位系统(Global PosiTIoNIng System，GPS)是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的全球定位系统，在全球任何地方以及近地空间能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS系统由3大部分组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。GPRS是通用分组无线业务(General PACket Radio Service)的简称，是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，它只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，却得到的用户数据速率比GSM网络快得多。GPRS模块利用手机模块和SIM卡，把GPS定位到的数据进行短消息发送，告知对方物品所在的位置。

5 物联网开发平台

物联网开发平台系统结构图如图3所示。

图3 物联网开发平台系统结构图

阅读器通过天线发送一定频率的射频信号，当EPC电子标签进入阅读器读取范围时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取工作所需的电能后被激活，从而使EPC电子标签获得能量被激活并向阅读器发送自身的编码等EPC信息。阅读器在接收到来自电子标签的载波信息，并对接收信号进行解调和解码后，会将其信息送至计算机中的中间件Savant系统软件进行处理。RFID数据交换和系统管理软件主要包括介于阅读器和工厂计算机应用系统之间的中间件Savant系统。另外在整个物联网开发平台系统中如果想知道某个物品的位置时，只需通过GPRS无线网络发出查询信号，各子模块接收到查询信息后，通过RFID读写器阅读自身的RFID信息，并与中心传递的编码相比较，确认是否是询问自己。接着从GPS系统中读取自己的地理位置信息，通过GPRS网络将位置信号传送给控制中心，从而掌握物品所在位置。另外在这个开发平台中还得注意防冲突技术。当两个或两个以上的EPC电子标签进入阅读器读取范围时，它们都接收到阅读器的查询指令，它们会同时发送响应，这样造成阅读器之间的信号冲突，使阅读器无法检测到正确的信号，即发生了碰撞。因此，必须在阅读器和电子标签之间建立防碰撞协议，以便阅读器检测到一个EPC电子标签。防止碰撞一般有数据检验(差错检测)和防碰撞算法两种方法。这里采用差错检测技术，它采用多路存取技术，使RFID系统中阅读器与电子标签之间的数据能够完整的传输和识别。

6 物联网开发平台优势

物联网开发平台采用先进的RFID技术、ZigBee技术、GPS技术、GPRS技术，把它们融合起来，发挥各自的优势，提高系统的性能。其主要优势在于：在RFID技术中嵌入ZigBee技术，使阅读器的读取范围更广、读取速度更快、时延更小、成本更低，使多台RFID阅读器无线联接组网或者与其他仪器更方便，设备及不同协议读写器之间联网，实现数据的多点无线采集和传输的目的，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RFID识别系统。另外融合了GPS和GPRS技术，使物联网开发平台系统通信更方便，为物联网技术更好的推广和使用提供了一种新的途径。

结语

本文在充分考虑物联网系统的现有状况和深入分析技术难题的前提下，把RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技术融合在物联网开发平台中，构建一套基于ZigBee技术无线射频识别的物联网开发平台系统，提高了阅读器的读取能力、防碰撞能力和组网能力，但是在物联网的实际应用中还有许多问题亟待解决，如技术标准、安全保密和远距离识别、抗干扰能力等。随着RFID、ZigBee、GPS、GPRS等技术的不断发展和更新，它们在物联网中的优势将更为突出，将更好地改善我们的生活。