吳伶，沈岳，傅自鋼

（湖南農(nóng)業(yè)大學 信息科學技術(shù)學院，湖南長沙410128）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、傳輸、處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng),具有低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點.ZigBee技術(shù)是為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標準無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有巨大的應用潛力[1-2].

射頻識別 (radio frequency identification，RFID)技術(shù)是利用射頻信號通過空間耦合 (交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到自動識別目的的技術(shù)[3].近年來，RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域被廣泛采用，它被業(yè)界公認為是本世紀最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應用技術(shù)之一.RFID技術(shù)的獨特作用是能夠在網(wǎng)絡(luò)的虛擬世界中標記現(xiàn)實世界的任何物或人，具有 “標記”、“地址號碼”和 “傳感”三大功能.

1 RFID、ZigBee技術(shù)及其特性

1.1 RFID技術(shù)及其特性

RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的.

RFID讀寫器的工作流程是：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時，產(chǎn)生感應電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；讀寫器接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調(diào)和解碼.

在耦合方式 (電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設(shè)計構(gòu)造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊.高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調(diào)來自射頻卡的高頻信號.控制單元的功能包括：與應用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與射頻卡的通信過程(主-從原則)；信號的編解碼.對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行防碰撞算法，對射頻卡與閱讀器間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密，以及進行射頻卡和閱讀器間的身份驗證等附加功能.

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標準的短距離無線通信技術(shù).完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應用層組成.其物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標準[4],網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定,應用層的開發(fā)可由用戶根據(jù)自己的需要進行[1,5].

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊的軟件設(shè)計

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件主要由嵌入式操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應用程序組成,嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡單高效的任務(wù)調(diào)動、中斷處理和時間隊列管理等,還包括所有硬件的底層驅(qū)動.應用程序包括串口通信、射頻通信和信號強度檢測等[6].采用模塊化的設(shè)計協(xié)議棧,使得整個系統(tǒng)層次清楚、擴展性好、有利于ZigBee技術(shù)的二次開發(fā).

2.2 協(xié)議棧設(shè)計

ZigBee協(xié)議棧能夠確保無線設(shè)備在低成本、低功耗和低速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作.ZigBee協(xié)議棧的不同層通過服務(wù)接入點進行通信,大多數(shù)層有兩個接口:數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口.數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù).管理實體接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制[1].

由于ZigBee技術(shù)已經(jīng)定義了物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的標準規(guī)范,因此這三層的實現(xiàn)通常是類似的.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應用都是由基本應用組成,如加入網(wǎng)絡(luò)、脫離網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等.本系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench軟件編寫了系統(tǒng)平臺的物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層程序代碼,其中每層的頭文件定義了該層所支持的服務(wù)與應用程序接口.同時還提供了一些應用接口,如 aplFormNetwork ()、aplJoinNetwork()、aplSendMSG()等,用戶可以通過調(diào)用這些函數(shù)來實現(xiàn)自身的開發(fā)應用.

3 系統(tǒng)功能設(shè)計總體

本互動系統(tǒng)由RFID系統(tǒng)跟ZigBee子系統(tǒng)組成，可以提高學生與教師之間的學習互動，并可有效管理學生的出勤以及學生上課的學習效果與吸收知識的進度.教師可以隨時掌握學生學習的進度并可以針對學生較不熟悉的課程內(nèi)容加強補益.學生也可依靠此系統(tǒng)有效地與教師溝通互動，針對不熟悉的地方加以學習并隨時提出問題，可避免當面提問可能出現(xiàn)的窘迫或遺漏重點.

本系統(tǒng)采用RFID與ZigBee相結(jié)合的方式，RFID數(shù)據(jù)進行無線交互通信，實現(xiàn)學生與教師間的互動，如提問，回答，投票，出勤考核等功能.

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

每一門課程的選課學生均配予一個學生卡(Tag)，在上課教室的每一座位桌上裝有一簡易讀取器(Reader)子系統(tǒng)，當學生進入教室上課，桌上的讀取器子系統(tǒng)即可自動感應并讀取學生卡，此時讀取器會將信息經(jīng)ZigBee無線方式傳送到教師講臺上的主系統(tǒng)，教師經(jīng)由此主系統(tǒng)可了解有多少學生上課，可以先期了解學生出席記錄，并加以統(tǒng)計.

學生子系統(tǒng)上配有3個按鍵與指示燈(LED)，針對教師發(fā)問，學生可以通過子系統(tǒng)上的按鍵回答yes或no(了解或不了解)，此時通過ZigBee無線回傳至教師講臺上的主系統(tǒng)，主系統(tǒng)配有一顯示屏可顯示對應子系統(tǒng)的按鍵和控制鍵盤，可以顯示學生身份與位置，教師可以通過顯示器即時了解學生對課程內(nèi)容的掌握情況，并根據(jù)情況加以補充，也可通過按鍵選擇呼叫某位學生 (每一子系統(tǒng) (例如:A~Z)對應主系統(tǒng)上的按鍵A~Z).被呼叫的學生桌上的子系統(tǒng)的指示燈(LED)便會亮起或是閃爍，直至學生按yes鍵.

3.2 教師端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 教師端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件配備：ZigBee無線傳輸模塊，LCD顯示器，鍵盤，RFID讀卡器，存儲器.

功能：教師卡對應該教師的權(quán)限，在該教師權(quán)限下，可進行RFID信息讀取，對學生的提問，發(fā)起投票，檢查考勤人數(shù)，記錄班級出勤人員名單以及未出勤人員名單.所有結(jié)果由LCD顯示器顯示.教師端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

3.3 學生端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件配備：ZigBee無線傳輸模塊，按鍵，RFID讀卡器.功能：發(fā)問請求，問題回答 （Y/N），RFID信息發(fā)送.學生端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 學生端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

頻段：2.4~2.475 GHz；通訊協(xié)議：標準IEEE 802.15.4；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星形；調(diào)制方式：DSSS；數(shù)據(jù)傳輸速率：250 kBps；接收靈敏度：－94 dBm通信距離：50~70 m；數(shù)據(jù)加密：128-bit AES；信道接入方式：CSMA/CA；信道數(shù)：1~16；發(fā)射電流：約28 mA；接收電流：約28 mA；休眠電流：20 uA以下；工作溫度-40～85℃.

4 結(jié)論

筆者采用RFID與ZigBee相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了學生與教師間的互動.用RFID技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集傳輸，ZigBee無線傳輸模塊采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從學生端節(jié)點到教師端的無線傳輸.系統(tǒng)設(shè)備選用低功耗的硬件和傳輸協(xié)議，且加入節(jié)點休眠機制，使該系統(tǒng)具有能耗低、通信范圍大、穩(wěn)定性高的特點.實際教學應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了教學互動系統(tǒng)的基本功能.本系統(tǒng)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID射頻識別技術(shù)實行模塊化設(shè)計，具有可擴展性，稍做修改，便可移植到其他的應用系統(tǒng)中.

[1]蔣挺,趙成林.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2006.

[2]孫利民,李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學出版社,2005.

[3]董海濤,屈玉貴.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應用,2007(12):124-126.

[4]IEEE 802 Std 802.15.4.Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer (PHY).Specifications for LowRate Wireless Personal Area Network.http://standards.ieee.org,2003.

[5]ZigBee Alliance.ZigBee Specification V1.0.http://www.ZigBee.org,2005.

[6]JIN Shyan Lee,YANG-Chih Huang.ITRI ZBnode:A ZigBee/IEEE 802.15.4 platform for wireless sensor networks.2006 IEEE Conference on Systems,Man,and Cybernetics,2006.