Zigbee作為當今最熱門的無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Net-work)技術之一，以其低功耗、低單位成本、組網自適應、網絡容量大等特點，已經被廣泛應用于自動控制和監控領域。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答器之間進行非接觸雙向傳輸，以達到目標識別與數據交換目的的技術。

多年來我國在傳感網絡和監測方面開展了大量研究工作，但與實驗室現場安全監測方面相結合的研究還較少，仍處于起步、探索階段。目前國內外針對生物安全實驗室的自動化監控系統大多集中在單獨的監測，沒有實現監控系統的網絡化和實時化。本課題將傳感器網絡與RFID技術應用到生物安全實驗室監控中來，以更低的成本智能化地判斷和跟蹤實驗室危險品，實現其他監控系統達不到的網絡化與實時化。系統和監控中心之間采用基于Zigbee的無線傳感器網絡進行多跳連接，通過集成RFID閱讀器的子節點實現對危險物品的室內定位監控，同時節點還可以利用自身配備的各種傳感器設備將物品周圍的環境信息（溫濕度、壓強、煙霧等）發送到控制中心。

RFID技術和WSN技術具有不同的技術特點，WSN可以監測四面八方感應到的各種信息，但缺乏對物品的標識能力，RFID技術強大的標識物品的能力正好可以彌補；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100 m的有效距離，將會拓展RFID技術的應用范圍。將RFID和WSN進行集成應用，會極大地推動兩項技術的應用。

系統概述

在系統中，利用RFID標簽來記錄危險物品的詳細信息和位置信息，并實時與RFID閱讀器節點進行信息交互；配置了各種傳感器的普通終端節點來檢測裝載危險品的容器的相關重要指標，可以主動記錄對象的溫濕度、煙霧、壓差等環境信息，并實時上傳感知信息。Zigbee傳感器網絡注重某個區域的感測指標，而RFID技術能夠準確地識別具體的節點信息并進行位置監控。綜合兩者的技術特點，基于傳感器網絡的RFID監控系統能夠主動、實時地對環境進行檢測并準確地記錄具體節點的相關數據，必要時能夠主動發出警報。系統主要實現環境信息傳感、危險物品位置檢測以及安全告警等功能，系統實現中主要包括了組網分析、Zigbee RFID無線傳感網絡硬件實現和監控中心管理軟件設計三大部分內容，最后給出了本設計的實驗室樣機網絡系統及驗證結果。

系統實現

RFID系統和WSN系統作為單獨作用的系統而言，其體系架構都已經比較成熟了，但對于兩者集成的體系架構研究才剛剛開始。對于目前RFID系統中的讀寫器來說，只能在本地控制系統的控制下工作，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地設計，以便可以覆蓋到范圍內所有的標簽，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的進一步應用。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點結構[1]，其結構如圖1所示。

在這種結構下，一個基本的Zigbee RFID無線傳感網絡由RFID閱讀器終端節點、RFID標簽、普通終端節點、路由器節點、協調器節點、后臺應用系統構成。節點被布置到一個Zigbee協議的無線傳感器網絡中，自主運行，通過網絡傳送數據給后臺服務器。RFID標簽根據不同的用途和通信距離可以采用被動式無源標簽、半無源標簽、有源標簽等，它們遵循RFID協議規定的物理層標準和數據結構，將采集到的信息通過Zigbee無線傳感器網絡發送給后臺處理的應用系統。

硬件實現

Zigbee節點硬件設計

本系統中Zigbee節點主要由RFID閱讀器終端節點、普通終端節點、路由器節點、協調器節點等四類節點組成。整個系統采用了通用的接口插槽，將傳感、處理、通信模塊進行分離，根據硬件配置的不同，實現不同的節點功能，同時又可以保證所有節點既能向其他節點和其他外圍數據采集模塊(包括各種傳感器以及RFID讀寫器)發送控制命令采集數據，又能夠與控制中心通信以實現信息的交互。其構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模塊。由于降低功耗以延長系統壽命是無線傳感器網絡設計需要首先考慮的問題[2]，所以系統中采用了TI公司CC2430。CC2430的休眠模式和轉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用[3]。節點硬件結構框圖如圖2所示。

其中，協調器節點作為中心控制器，所有的有效數據都會經過它傳送到控制中心和路由器、終端節點。在本系統中，協調器節點通過串口與計算機相連，工作流程圖如圖3所示。

RFID閱讀器終端節點

硬件設計

RFID閱讀器終端節點硬件部分由物品跟蹤RFID標簽、讀卡模塊、基本Zigbee終端節點組成。每個需要監控的危險物品都配備一個RFID標簽，在定位區域的工作面每隔一定距離安裝RFID閱讀器終端節點。RFID標簽發送代表身份特征的射頻信號，RFID閱讀器終端節點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絡發送給控制中心。危險物品定位系統中采用433 MHz RFID讀寫模塊，最大限度地減少與2.4 GHz無線傳感器網絡之間的射頻干擾；RFID標簽采用主動式標簽，被動式標簽無需電池，由讀寫器產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。主動式電子標簽除了具備被動式電子標簽的很多特性，還具有讀取距離更遠、性能更可靠等優點。圖4為節點結構框圖。

RFID閱讀器終端節點的定位實現

要實現對目標物體的定位，首先需要的是參照物或者絕對坐標（如經緯度）[4]。考慮到無線傳感器網絡的特點和基于對實驗室應用場景的分析可知選用絕對坐標對于本監控網絡是不適用的，無線傳感器網絡是自組織獨立的靈活組網方式，如果采用絕對坐標對目標物體進行定位，則首先需要獲得一張用經緯度標識區域的地圖，這在目前分析看來花費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絡中的移動目標物體進行定位。在本課題研究的系統中，假定RFID 讀寫器終端節點的空間位置是已知的，對于貼有標簽的目標物體的定位是參照終端節點的位置而確定的。

假設終端節點的空間坐標為(LcX，LcY)，顯示窗口內繪圖點的最大坐標值為(MaxPtX，MaxPtY)，由此可計算終端節點的繪圖坐標(RdrPtX，RdrPtY)：

這樣可以得到終端節點的平面繪圖坐標(RdrPtX，RdrPtY)，每個標簽的繪圖坐標是依據各終端節點的坐標計算得到的。標簽的繪圖坐標采用的是質心定位的算法[5]，即取與該標簽有關的終端節點的繪圖坐標為頂點構成的多邊形的質心為該標簽的坐標。圖5即包括了采用閱讀器節點對標簽進行坐標定位的所有情形。

圖5(a)表示標簽只被一個閱讀器識別，圖5(b)表示標簽被兩個閱讀器識別，圖5(c)表示標簽被三個閱讀器識別，此時標簽(TagPtX，TagPtY)同時位于三個讀取器的有效射頻識別范圍內，則取以三個讀取器為頂點的三角形的質心為標簽的坐標。這樣計算的一個假設同樣是依據標簽在重疊區域依均勻分布出現。圖5(d)表示標簽被n個閱讀器識別，此時標簽(TagPtX，TagPtY)同時位于n個讀取器的有效射頻識別范圍內，則取以n個讀取器為頂點的多邊形的質心為標簽的坐標。這樣計算的一個假設同樣是依據標簽在重疊區域依均勻分布出現。此時標簽(TagPtX，TagPtY)的坐標與同時識別它的n個讀取器Reader A(ARdrPtX，ARdrPtY)、Reader B(BRdrPtX，

BRdrPtY)、Reader C(CRdrPtX，CRdrPtY)……的關系如下：

對目標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的基礎上，通過加入時間參數的計算，進而得出目標物體的移動軌跡。通過在上層軟件中移動節點定位功能加入預配置GIS支持，還可以將分析得到的移動物體位置實時反映在監控中心的實驗室現場方位圖中。

監控中心管理軟件設計

危險物品監控管理軟件實現對危險物品跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示、數據庫存儲、報表打印等功能。軟件是采用 Microsoft的Visual C++6.0開發的集數據采集與信息處理于一體的綜合管理系統。本系統采用以SQL Server2000數據庫為主的 C/S模式開發而成，共有操作員登錄、實時顯示、數據查詢、數據統計、物品信息管理、系統維護6個模塊，如圖6所示。

實驗驗證

本系統在綜合測試過程中取得了較好的效果，系統不僅可以實時反映當前環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，準確地實現對目標物體的實時定位，并能夠對指定的目標進行軌跡追蹤，形象地通過窗口圖形界面繪制目標物體的移動軌跡。由普通傳感器終端節點以及RFID閱讀器終端節點采集數據，通過無線傳感器網絡將數據發送到監控中心，監控中心服務器通過管理軟件對當前的環境信息和物品位置信息進行處理和分析。監測結果如圖7所示。

從技術應用角度來看，RFID閱讀器作為本課題研究的基于無線傳感器網絡結合RFID技術監控系統的信息采集部分的基礎設備，負責目標物體的識別，將目標物體的狀態信息上報給系統的控制中心，不同廠商的不同系列的產品對本系統的信息采集成功率、定位精度等方面會產生不同的影響，產品類型的選擇與系統應用的場景有關。但是RFID技術系統中的最重要的支持功能就是完成目標物體的識別，至于采用哪個廠商的哪個系列的硬件產品并不會影響系統功能的實現。

本文針對目前實驗室危險物品監控中存在的問題，提出了一種綜合無線傳感器網絡與RFID技術的危險品監控系統，介紹了該系統的組成及軟硬件實現。通過本課題的研究可見，結合Zigbee技術和RFID射頻技術構成的無線傳感器網絡實現基于位置和環境的監控是可行的。未來研究中，一方面通過在系統交互信息格式及信息交互機制的設計上盡可能地節省能源和提高無線傳感器網絡的無線性能；另一方面通過深入研究RFID射頻識別的特點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、更好的性能實現對危險物品、設備或者各種貨物的判斷和跟蹤。當前，這種技術已經引起了廣泛的關注，通過傳感器網絡技術與RFID技術結合共同打造智能化的物聯網絡已經成為一個新的研究熱點，有著廣泛的應用前景。