0 引言
近幾年大型超市發(fā)展越來越迅速，規(guī)模也越來越大，由于超市內(nèi)商品種類繁多，所需的溫度和保質(zhì)期又不相同，從而就引發(fā)出超市內(nèi)商品管理困難的問題。現(xiàn)提出一種具有RFID 讀取功能的傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，通過這樣的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅可以監(jiān)控超市內(nèi)不同地點(diǎn)的溫度、濕度，還可以利用RFID 來讀取商品的物理信息、銷售狀況，這樣就可以方便有效的進(jìn)行超市的管理，減少資源的浪費(fèi)。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)思想
這里的設(shè)計(jì)思想是將RFID 閱讀器融合到傳感器節(jié)點(diǎn)上來，RFID 具有實(shí)體標(biāo)識功能，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有信息收集功能，通過網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)將兩者的功能融合到一起。
1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成
基于RFID 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是RFID 技術(shù)和傳感器技術(shù)的結(jié)合，其組成主要包括：中央節(jié)點(diǎn)也就是信息處理中心、路由節(jié)點(diǎn)、普通傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖1 所示，圖1 中C：中央節(jié)點(diǎn)；R：路由節(jié)點(diǎn)；G：普通傳感器節(jié)點(diǎn)；T：標(biāo)簽。網(wǎng)絡(luò)采用的是星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中含有少量的路由節(jié)點(diǎn)，每個路由節(jié)點(diǎn)周圍又有若干個普通傳感器節(jié)點(diǎn)，一個路由節(jié)點(diǎn)和它周圍的普通傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個微網(wǎng)。在這個網(wǎng)絡(luò)中的中央節(jié)點(diǎn)是使用者進(jìn)行操作的，同時也是所有信息的目的地。在網(wǎng)絡(luò)中除了中央節(jié)點(diǎn)外的每一個節(jié)點(diǎn)都是采用電池供電的，一般網(wǎng)絡(luò)要求在不更換電池的前提下至少使用2 年，這就要求在節(jié)點(diǎn)不使用的時候都能夠處于低功耗的休眠狀態(tài)，當(dāng)需要使用的時候又可以喚醒，而當(dāng)電池電量低需要更新時會發(fā)出指示信號。網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點(diǎn)在不需要其他配置的情況下都可以自啟動并運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也沒有限制，可以無限的擴(kuò)展，從而整個系統(tǒng)具有大規(guī)模應(yīng)用性。系統(tǒng)中使用的RFID 系統(tǒng)遵守廣泛應(yīng)用的RFID 標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，可以方便和其他RFID 系統(tǒng)連接。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2.1 中央節(jié)點(diǎn)組成框架
中央節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的一個數(shù)據(jù)信息匯集與控制信號發(fā)出點(diǎn)。如圖2 所示。
圖2 中央節(jié)點(diǎn)的電路組成框架
圖2 中，射頻收發(fā)模塊負(fù)責(zé)接收各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的有載射頻模擬信號，并將其解調(diào)為基帶數(shù)字信號。在PC 接口電路中，根據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議來獲取傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，并存放于預(yù)先設(shè)置好的存儲器段內(nèi)。電腦終端通過PC接口模塊，按部就班地讀取這些數(shù)據(jù)信息。
1.2.2 路由節(jié)點(diǎn)組成框架
圖3 為路由節(jié)點(diǎn)的電路組成框架示意圖。
圖3 路由節(jié)點(diǎn)的電路組成框
在這里，信息進(jìn)行匯集和轉(zhuǎn)發(fā)，中繼信息處理模塊的基本作用將接收到的數(shù)據(jù)與控制信息進(jìn)行再生處理，消除因傳輸引人的噪聲與誤差干擾，以便信息進(jìn)行無差錯的傳輸。
1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
1.3.1 節(jié)點(diǎn)開發(fā)平臺的介紹
MICA2 平臺是由美國伯克利大學(xué)開發(fā)，它有一個主控制器，一個射頻收發(fā)器和一根射頻天線，它是專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，具有功耗低、體積小等特點(diǎn)。MICA2 平臺上的Atmega128L 主控制器包含128 K 字節(jié)的片上FLASH，4 K 字節(jié)的EEPROM，4 K 字節(jié)的SRAM，可編程串口，SPI接口，時鐘頻率是7.37 MHz。平臺采用3 V 電池供電，同時支持低功耗的休眠模式。
1.3.2 節(jié)點(diǎn)的硬件組成
無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，由于本設(shè)計(jì)需要節(jié)點(diǎn)能夠讀取商品上的標(biāo)簽，所以節(jié)點(diǎn)安裝一個能夠讀取標(biāo)準(zhǔn)電子標(biāo)簽的閱讀器。傳感器模塊采用的數(shù)字式溫濕度傳感器芯片SHT11，這樣節(jié)點(diǎn)在讀取標(biāo)簽的同時也可以方便的知道節(jié)點(diǎn)附近的溫濕度。具體硬件組成框圖如圖4所示。
圖4 硬件組成框
設(shè)計(jì)中采用的射頻芯片和傳感器芯片：
（1）射頻芯片CC1000
CC1000是根據(jù)Chipcon 公司的SmartRF技術(shù)，在0.35 μmCMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868 及915 MHz，但CC1000 很容易通過編程使其工作在300～1 000 MHz 范圍內(nèi)。它具有低電壓，極低的功耗，高靈敏度，小尺寸，集成了位同步器等特點(diǎn)[3]。
（2）傳感器芯片SHT11
SHT11 是瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的具有I2C 總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨(dú)特的CMOSens TM 技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。
2 工作流程
系統(tǒng)工作流程如圖5（a）所示。使用者通過中央節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取信息的指令，節(jié)點(diǎn)通過射頻模塊接收到指令并通過SPI(串行外設(shè)接口)傳給主控制器，然后主控制器分別向RFID 閱讀器和溫濕度傳感器發(fā)送命令讓它們完成讀取指令，射頻模塊會將它們收集的信息轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心進(jìn)行分析，然后給出相應(yīng)的措施來提醒工作人員進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。RFID 閱讀器整合到整個系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分是RFID 閱讀器讀取工作，這也是由主控制器來控制它的讀取。在目標(biāo)商品上部署RFID 標(biāo)簽，標(biāo)簽中包含目標(biāo)商品的信息，傳感器節(jié)點(diǎn)通過RFID 天線向標(biāo)簽發(fā)出查詢信號，標(biāo)簽被電磁波激活，驅(qū)動自己的天線向RFID 天線回復(fù)自己的信息，信息被RFID 閱讀器讀出。其工作流程圖如圖5（b）所示。
圖5 工作流程
3 網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用及分析
應(yīng)用環(huán)境為某大型超市。由于貨架的長度一般是100～200m，高度是1～2 m，所以將射頻芯片的頻率定為 433MHz，RFID 系統(tǒng)為915 MHz（射頻芯片定為433 MHz 是由于這個頻率抗干擾能力強(qiáng)而且通信距離能夠達(dá)到 200 m，915MHz 的RFID 系統(tǒng)讀取距離可達(dá)8 m 而且讀寫速度較快）。在貨架上部署傳感器節(jié)點(diǎn)，通過閱讀器讀取商品標(biāo)簽的信息，從而知道商品的保質(zhì)期，數(shù)量，保存溫度，產(chǎn)地等等。同時節(jié)點(diǎn)上帶有溫濕度傳感器，可以得到節(jié)點(diǎn)附近的溫濕度。節(jié)點(diǎn)將這些信息收集發(fā)送到距離100～200 m 外的路由節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)控制中心。在這里系統(tǒng)通過分析這些信息并與設(shè)定的信息（保質(zhì)期≤10 天，溫度比商品設(shè)定最高溫度≥5 度，商品數(shù)量≤5）對比，如果滿足其中任意一條就會進(jìn)行報警。從而提醒超市工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。考慮到能耗的問題則約定傳感器節(jié)點(diǎn)每十分鐘（預(yù)留時間設(shè)置為十分鐘）讀取一次標(biāo)簽，或者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)廣播的命令定期進(jìn)行信息獲取，在RFID 不工作時處于關(guān)電狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試表明該網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，可以按照設(shè)定信息對商品進(jìn)行智能監(jiān)控，需要進(jìn)行處理時就會報警，很大程度上減少斷貨和保質(zhì)期到期事件的發(fā)生，從而可以實(shí)時、有效的解決大型超市、倉庫等管理難的問題。
4 結(jié)語
首先對無線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入的研究，熟悉掌握節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求，在節(jié)點(diǎn)安裝一個RFID 閱讀器，從而使節(jié)點(diǎn)具有RFID 讀取功能。節(jié)點(diǎn)通過自組織構(gòu)成了的網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用于大型超市智能化管理，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。由于節(jié)點(diǎn)讀取范圍的標(biāo)簽數(shù)目多而且具有流動性，所以閱讀器防碰撞讀取標(biāo)簽將是以后研究的重點(diǎn)。
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本文標(biāo)題：基于RFID的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
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