摘  要： 針對(duì)高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)物品監(jiān)測(cè)中實(shí)際需求和遇到的各種問(wèn)題，提出了利用基于Zigbee RFID的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)物品相關(guān)信息獲取、識(shí)別與位置監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)物品所處的位置信息和環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)管理。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Zigbee；RFID；安全監(jiān)控

    Zigbee作為當(dāng)今最熱門(mén)的無(wú)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(dòng)控制和監(jiān)控領(lǐng)域。射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification)是一種利用無(wú)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(shí)別與數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。
    多年來(lái)我國(guó)在傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展了大量研究工作，但與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)方面相結(jié)合的研究還較少，仍處于起步、探索階段。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)大多集中在單獨(dú)的監(jiān)測(cè)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時(shí)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(lái)，以更低的成本智能化地判斷和跟蹤實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)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(shí)化。系統(tǒng)和監(jiān)控中心之間采用基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多跳連接，通過(guò)集成RFID閱讀器的子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)物品的室內(nèi)定位監(jiān)控，同時(shí)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?chē)沫h(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(cè)四面八方感應(yīng)到的各種信息，但缺乏對(duì)物品的標(biāo)識(shí)能力，RFID技術(shù)強(qiáng)大的標(biāo)識(shí)物品的能力正好可以彌補(bǔ)；RFID抗干擾性較差，而且無(wú)源 RFID的有效讀取距離一般小于10 m，如果能利用WSN長(zhǎng)達(dá)100 m的有效距離，將會(huì)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(huì)極大地推動(dòng)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(lái)記錄危險(xiǎn)物品的詳細(xì)信息和位置信息，并實(shí)時(shí)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(lái)檢測(cè)裝載危險(xiǎn)品的容器的相關(guān)重要指標(biāo)，可以主動(dòng)記錄對(duì)象的溫濕度、煙霧、壓差等環(huán)境信息，并實(shí)時(shí)上傳感知信息。Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)注重某個(gè)區(qū)域的感測(cè)指標(biāo)，而RFID技術(shù)能夠準(zhǔn)確地識(shí)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(dòng)、實(shí)時(shí)地對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并準(zhǔn)確地記錄具體節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，必要時(shí)能夠主動(dòng)發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息傳感、危險(xiǎn)物品位置檢測(cè)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(wú)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(duì)于兩者集成的體系架構(gòu)研究才剛剛開(kāi)始。對(duì)于目前RFID系統(tǒng)中的讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)，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(jià)格限制了它的移動(dòng)和大量布置。而且，RFID讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)器的部分功能，可以使得讀寫(xiě)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(gè)基本的Zigbee RFID無(wú)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(tái)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)被布置到一個(gè)Zigbee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，自主運(yùn)行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)給后臺(tái)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(dòng)式無(wú)源標(biāo)簽、半無(wú)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(guò)Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺(tái)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(lèi)節(jié)點(diǎn)組成。整個(gè)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(shí)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(xiě)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(xiě)模塊和電源供應(yīng)模塊。由于降低功耗以延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要首先考慮的問(wèn)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(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)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(huì)經(jīng)過(guò)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(guò)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(gè)需要監(jiān)控的危險(xiǎn)物品都配備一個(gè)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(hào)，RFID閱讀器終端節(jié)點(diǎn)接收到射頻信號(hào)以后，傳送身份以及位置特征信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制中心。危險(xiǎn)物品定位系統(tǒng)中采用433 MHz RFID讀寫(xiě)模塊，最大限度地減少與2.4 GHz無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的射頻干擾；RFID標(biāo)簽采用主動(dòng)式標(biāo)簽，被動(dòng)式標(biāo)簽無(wú)需電池，由讀寫(xiě)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(dòng)式電子標(biāo)簽除了具備被動(dòng)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(duì)目標(biāo)物體的定位，首先需要的是參照物或者絕對(duì)坐標(biāo)（如經(jīng)緯度）[4]?？紤]到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和基于對(duì)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用場(chǎng)景的分析可知選用絕對(duì)坐標(biāo)對(duì)于本監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是不適用的，無(wú)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(duì)坐標(biāo)對(duì)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(shí)區(qū)域的地圖，這在目前分析看來(lái)花費(fèi)的時(shí)間成本和財(cái)力成本是不值得的也是不必要的。因此，采用參照物方式對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)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(xiě)器終端節(jié)點(diǎn)的空間位置是已知的，對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)閱讀器識(shí)別，圖5(b)表示標(biāo)簽被兩個(gè)閱讀器識(shí)別，圖5(c)表示標(biāo)簽被三個(gè)閱讀器識(shí)別，此時(shí)標(biāo)簽(TagPtX，TagPtY)同時(shí)位于三個(gè)讀取器的有效射頻識(shí)別范圍內(nèi)，則取以三個(gè)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(gè)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(gè)閱讀器識(shí)別，此時(shí)標(biāo)簽(TagPtX，TagPtY)同時(shí)位于n個(gè)讀取器的有效射頻識(shí)別范圍內(nèi)，則取以n個(gè)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(gè)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(shí)標(biāo)簽(TagPtX，TagPtY)的坐標(biāo)與同時(shí)識(shí)別它的n個(gè)讀取器Reader A(ARdrPtX，ARdrPtY)、Reader B(BRdrPtX，
BRdrPtY)、Reader C(CRdrPtX，CRdrPtY)……的關(guān)系如下：

    對(duì)目標(biāo)物體的軌跡追蹤過(guò)程是，在已知獲得物體在歷史時(shí)刻的位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入時(shí)間參數(shù)的計(jì)算，進(jìn)而得出目標(biāo)物體的移動(dòng)軌跡。通過(guò)在上層軟件中移動(dòng)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(dòng)物體位置實(shí)時(shí)反映在監(jiān)控中心的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)方位圖中。
監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計(jì)
    危險(xiǎn)物品監(jiān)控管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)物品跟蹤定位信息的采集、分析處理、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印等功能。軟件是采用 Microsoft的Visual C++6.0開(kāi)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(kù)為主的 C/S模式開(kāi)發(fā)而成，共有操作員登錄、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、物品信息管理、系統(tǒng)維護(hù)6個(gè)模塊，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    本系統(tǒng)在綜合測(cè)試過(guò)程中取得了較好的效果，系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)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(dòng)的過(guò)程中，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)定位，并能夠?qū)χ付ǖ哪繕?biāo)進(jìn)行軌跡追蹤，形象地通過(guò)窗口圖形界面繪制目標(biāo)物體的移動(dòng)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(guò)無(wú)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(guò)管理軟件對(duì)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(cè)結(jié)果如圖7所示。

    從技術(shù)應(yīng)用角度來(lái)看，RFID閱讀器作為本課題研究的基于無(wú)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(shí)別，將目標(biāo)物體的狀態(tài)信息上報(bào)給系統(tǒng)的控制中心，不同廠商的不同系列的產(chǎn)品對(duì)本系統(tǒng)的信息采集成功率、定位精度等方面會(huì)產(chǎn)生不同的影響，產(chǎn)品類(lèi)型的選擇與系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)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(shí)別，至于采用哪個(gè)廠商的哪個(gè)系列的硬件產(chǎn)品并不會(huì)影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
    本文針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)物品監(jiān)控中存在的問(wèn)題，提出了一種綜合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)的危險(xiǎn)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(guò)本課題的研究可見(jiàn)，結(jié)合Zigbee技術(shù)和RFID射頻技術(shù)構(gòu)成的無(wú)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(lái)研究中，一方面通過(guò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線性能；另一方面通過(guò)深入研究RFID射頻識(shí)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(duì)危險(xiǎn)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(guò)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(gè)新的研究熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] ZigBee Alliance.Network Specification(Draft Version 1.0).2004.
[2] 安慶敏，吳明光，陳波.基于ZigBee的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[J].低壓電器，2007(6)：7-9.
[3] 歐杰峰.基于IEEE 802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.
[4] 于海濱，曾鵬，梁韡.智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.
[5] 孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[6] 馬祖長(zhǎng)，孫怡寧，梅濤.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述.通信學(xué)報(bào)[J].2004，25(4)：114-124.
[7] 宋茂強(qiáng).通信軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.
[8] 芬肯策勒 .射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)：無(wú)線電感應(yīng)的應(yīng)答器和非接觸IC卡的原理與應(yīng)用[M].北京：電子
工業(yè)出版社，2001.
[9] 游戰(zhàn)清.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.