基于AdHoc網(wǎng)絡和RFID技術的無線定位系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

1、基于Ad Hoc 網(wǎng)絡和RFID技術的無線定位系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)摘 要 無線Ad Hoc網(wǎng)絡的研究已經從無線通信領域中的一個小分支逐漸擴大到相對獨立的領域。與其它傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡相比，Ad Hoc網(wǎng)絡具有可獨立組網(wǎng)、網(wǎng)絡可動態(tài)重組等特點，使得Ad Hoc網(wǎng)絡技術的應用前景廣闊，目前在很多行業(yè)不同場景中得到了應用。另一方面，RFID無線射頻識別技術從誕生發(fā)展到現(xiàn)在已經日趨成熟和標準化，RFID技術的非接觸性、ID唯一性和安全性等特點使其應用范圍非常廣泛。如何將RFID技術與網(wǎng)絡技術相結合使得RFID能夠更廣泛的服務于人們的生產生活，是業(yè)界討論的熱點領域。同時RFID中間件也成為了很新的研究課題。在有關

2、無線傳感器網(wǎng)絡的研究中，結合無線Ad Hoc網(wǎng)絡技術與RFID射頻識別技術探討技術的應用，仍是一個非常新的研究領域。本課題充分結合無線Ad Hoc網(wǎng)絡技術與RFID射頻技術各自的特點，深入研究了Ad Hoc無線網(wǎng)絡中多跳路由、穩(wěn)定性等方面和RFID領域中的中間件、抗干擾、安全等方面的關鍵技術。通過對特定應用場景的分析，提供定位和跟蹤等基本位置服務，實現(xiàn)了對標簽跟蹤過程中的實時監(jiān)控，同時對作為標簽數(shù)據(jù)采集客戶端的RFID中間件也進行了探討和研究，初步實現(xiàn)了RFID中間件的基本功能。關鍵字 Ad Hoc網(wǎng)絡，RFID， 目錄緒論41.1課題背景41.2課題的提出61.3國內外相關研究現(xiàn)狀71.4論

3、文的結構安排9基于Ad Hoc網(wǎng)絡的RFID定位系統(tǒng)核心技術研究92.1Ad Hoc網(wǎng)絡技術92.1.1Ad Hoc網(wǎng)絡的概念102.1.2Ad Hoc網(wǎng)絡的特點112.1.3Ad Hoc網(wǎng)絡的應用122.1.4與其他移動通信系統(tǒng)的比較122.2RFID無線射頻技術132.2.1RFID技術研究13研究RFID中間件153.1閱讀器種類及比較153.1.1MOBYD163.1.2 rf600193.2RFMLTS分析設計203.3 RFMLTS的特點23第四章 RFID定位系統(tǒng)分析及設計234.1RFID應用場景234.1.1典型應用場景的技術需求分析244.1.2RFID定位系統(tǒng)適應的場景2

4、74.2RFID定位系統(tǒng)功能的總體分析274.3RFLTS的總體設計284.4閱讀器管理子系統(tǒng)（RMC）294.4.1數(shù)據(jù)庫設計294.4.2 RMC解包處理模塊304.4.3主動報告模塊304.5顯示管理子系統(tǒng)（MON）304.5.1信息顯示314.5.2MON-RMC信息交互模塊324.5.3MON-VMC信息交互模塊334.6視頻管理子系統(tǒng)（VMC）354.6.1 VMC-MON信息交互模塊354.6.2視頻客戶端camctrl364.6.3VMC-camctrl信息交互模塊36第五章RFLTS定位系統(tǒng)性能測試和功能演示375.1性能測試375.1.1客戶端性能測試385.1.2管理端性

5、能測試395.2功能演示545.2.1程序啟動405.2.2文本定位功能演示405.2.3跟蹤功能演示40第六章 系統(tǒng)通用性和可擴展性及安全性研究416.1網(wǎng)絡平臺無關性426.2RFID硬件無關性436.3系統(tǒng)的可擴展性446.4通信協(xié)議的安全可靠性45參考文獻致謝 第一章 緒論1.1 課題背景Ad hoc網(wǎng)絡的前身是分組無線網(wǎng)（Packet Radio Network），是一種特殊的對等式無線移動網(wǎng)絡。在Ad hoc網(wǎng)絡中，結點具有報文轉發(fā)能力，結點間的通信可能要經過多個中間結點的轉發(fā)，即經過多跳（MultiHop），這是Ad hoc網(wǎng)絡與其他移動網(wǎng)絡的最根本區(qū)別。結點通過分層的網(wǎng)絡協(xié)議和

6、分布式算法相互協(xié)調，實現(xiàn)了網(wǎng)絡的自動組織和運行。因此它也被稱為多跳無線網(wǎng)（MultiHop Wireless Network）、自組織網(wǎng)絡（SelfOrganized Network）或無固定設施的網(wǎng)絡（Infrastructureless Network）。移動Ad hoc網(wǎng)絡（MANET）是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中所有結點的地位平等，無需設置任何的中心控制結點。網(wǎng)絡中的結點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發(fā)能力。與普通的移動網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡相比，它具有以下特點：1. 無中心：Ad hoc網(wǎng)絡沒有嚴格的控制中心。所有結點的地位平等，即是一個對等式網(wǎng)絡。結點可以隨時加入和離開

7、網(wǎng)絡。任何結點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性。2. 自組織：網(wǎng)絡的布設或展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施。結點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，結點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡。3. 多跳路由：當結點要與其覆蓋范圍之外的結點進行通信時，需要中間結點的多跳轉發(fā)。與固定網(wǎng)絡的多跳不同，Ad hoc網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡結點完成的，而不是由專用的路由設備（如路由器）完成的。4. 動態(tài)拓撲：Ad hoc網(wǎng)絡是一個動態(tài)的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡結點可以隨處移動，也可以隨時開機和關機，這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化。5. 有限的無線通信帶寬：在Ad Hoc網(wǎng)絡中沒有有線

8、基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。 6. 有限的主機能源：在Ad Hoc網(wǎng)絡中，主機均是一些移動設備，如、便攜計算機或掌上電腦。由于主機可能處在不停的移動狀態(tài)下，主機的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網(wǎng)絡有能源有限的特點。這些特點使得Ad hoc網(wǎng)絡在體系結構、網(wǎng)絡組織、協(xié)議設計等方面都與普通的蜂窩移動通信網(wǎng)絡和固定通信網(wǎng)絡有著顯著的區(qū)別，使得Ad Hoc網(wǎng)絡的應用前景廣闊。無

9、線射頻識別技術（RFID）從誕生發(fā)展到現(xiàn)在已經日趨成熟和標準化，RFID技術由于其非接觸、安全、高準確性、唯一性等優(yōu)勢迅速成為一個很熱門的話題。據(jù)業(yè)內人士預測，RFID技術市場將在未來五年內在新的產品與服務上帶來30至100億美金的商機，隨之而來的還有服務器、資料儲存系統(tǒng)、資料庫程序、商業(yè)管理軟件、顧問服務，以及其他電腦基礎建設的龐大需求?；蛟S這些預測過于樂觀，但RFID將會成為未來的一個巨大市場是毫無疑問的。RFID產業(yè)潛力無窮，應用的范圍遍及制造、物流、醫(yī)療、運輸、零售、國防等等。RFID是2005年、2006年建議企業(yè)可考慮引入的十大策略技術之一，然而其成功之關鍵除了標簽（Tag）的價格

10、、天線的設計、波段的標準化、設備的認證之外，最重要的是要有關鍵的應用軟件（Killer Application），才能迅速推廣。而中間件（Middleware）可稱為是RFID運作的中樞，因為它可以加速關鍵應用的問世。RFID中間件（即RFID Edge Server）也是EPC global推薦的RFID應用框架中相當重要的一環(huán)，它負責實現(xiàn)與RFID硬件以及配套設備的信息交互與管理，同時作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復雜應用的信息交換。目前，EPC global已推出相應的規(guī)范（ALE，應用級別事件）來統(tǒng)一和規(guī)范化這一層面的軟件實現(xiàn)。

11、對于如何把無線Ad Hoc網(wǎng)絡技術與RFID射頻技術有機的結合起來，同時發(fā)揮出兩種技術的優(yōu)點，采用一個怎樣的應用模式可以讓這兩個熱點技術融合在一起，進而得到更好的發(fā)展是一個非常有應用價值的研究課題。目前，在結合Ad Hoc網(wǎng)絡技術與RFID射頻技術以構成無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究受到了業(yè)界的關注，但是到現(xiàn)在為止還沒有成熟的研究成果，這是一個新的領域，也是一個非常有研究意義的方向。同時RFID中間件的探討和研究也是目前業(yè)界關注的焦點。1.2 課題的研究內容本課題的主要研究內容是研究并實現(xiàn)基于Ad-Hoc網(wǎng)絡的RFID定位系統(tǒng)及RFID中間件。首先，研究Ad Hoc無線網(wǎng)絡的特點及RFID射頻識別技

12、術本身的物理特性等技術指標，從應用的角度分析結合了RFID技術的Ad Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡特點；其次，比較現(xiàn)有成熟的定位信息系統(tǒng)，結合融合了RFID技術的Ad Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡特點，分析基于Ad Hoc無線網(wǎng)絡的RFID定位系統(tǒng)應該具有的特點。再次，分析應用場景，從不同的角度，進行系統(tǒng)的可行性分析。然后，在此基礎上對系統(tǒng)進行總體設計，主要包括RFID中間件設計，各模塊功能設計以及它們之間通信協(xié)議的設計；接下來，進行系統(tǒng)的具體設計和實現(xiàn)，主要包括節(jié)點編址設計，信息格式設計，數(shù)據(jù)庫設計，用戶接口設計、主動報告設計、超時重傳設計和ACK確認機制設計等；最后，從通用性、可擴展性及安全性等角度對本課題研究的

13、系統(tǒng)進行分析，使得課題的研究更具完整性和嚴密性。本課題首先研究Ad Hoc無線網(wǎng)絡的特點及RFID射頻識別技術本身的物理特性等技術指標，從應用的角度分析結合了RFID技術的Ad Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡特點；其次，比較現(xiàn)有成熟的定位信息系統(tǒng)，結合了RFID技術的Ad Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡特點，分析基于Ad Hoc無線網(wǎng)絡的RFID定位系統(tǒng)應該具有的特點。再次，分析應用場景，從不同的角度，進行系統(tǒng)的可行性分析。然后，在此基礎上對系統(tǒng)進行總體設計、關鍵技術詳細設計。最后，從通用性、可擴展性及安全性等角度對本課題研究的系統(tǒng)進行分析。需要完成的系統(tǒng)性能指標實現(xiàn)一整套基于Ad Hoc網(wǎng)絡結合RFID無線射頻技術用于

14、提供定位功能并實現(xiàn)標簽實時跟蹤的系統(tǒng)，需要滿足以下性能指標：1. 系統(tǒng)的顯示端可以實時顯示進入場景、離開場景的標簽。2. 系統(tǒng)可以同時監(jiān)控多于一個的目標物體，選中跟蹤的目的標簽后，可以實現(xiàn)視頻自動切換，實現(xiàn)實時跟蹤；3. 當場景中存在的不同閱讀器讀取到不同頻段的標簽時，中間件可以屏蔽標簽不同屬性，按規(guī)定的標準讀取到標簽的有用數(shù)據(jù)。4. 系統(tǒng)運行環(huán)境中閱讀器數(shù)量可達到10臺以上，系統(tǒng)正常工作，可以滿足大規(guī)模的應用。1.3 國內外相關研究現(xiàn)狀目前，國內外分別針對Ad Hoc網(wǎng)絡技術及RFID技術的研究已經進行了很多年，研究成果也相當深入，Ad Hoc網(wǎng)絡技術方面，Ad Hoc無線網(wǎng)絡的性能，多跳路

15、由和網(wǎng)關功能得到了很大提高和擴展。目前Ad Hoc網(wǎng)絡的傳輸速率可達到54Mbps，可以實現(xiàn)3跳的穩(wěn)定傳輸，同時還增加了網(wǎng)管功能。RFID方面，從全球來看，美國已經在RFID標準的建立、相關軟硬件技術的開發(fā)、應用領域走在世界的前列。歐洲RFID標準追隨美國主導的EPCglobal標準。在封閉系統(tǒng)應用方面，歐洲與美國基本處在同一階段。日本雖然已經提出UID標準，但主要得到的是本國廠商的支持，如要成為國際標準還有很長的路要走。韓國政府對RFID給予了高度重視，但至今韓國在RFID標準方面仍模糊不清。RFID標準爭奪的核心主要在RFID標簽的數(shù)據(jù)內容編碼標準這一領域。目前，形成了五大標準組織，分別代

16、表了國際上不同團體或者國家的利益。EPC Global是由北美UCC產品統(tǒng)一編碼組織和歐洲EAN產品標準組織聯(lián)合成立，在全球擁有上百家成員，得到了零售巨頭沃爾瑪，制造業(yè)巨頭強生、寶潔等跨國公司的支持。而AIM、ISO、UID則代表了歐美國家和日本；IP-X的成員則以非洲、大洋洲、亞洲等國家為主。比較而言，EPC Global由于綜合了美國和歐洲廠商，實力相對占上風。1. EPC Global EPC Global是由UCC和EAN聯(lián)合發(fā)起的非盈利性機構，全球最大的零售商沃爾瑪連鎖集團、英國Tesco等100多家美國和歐洲的流通企業(yè)都是EPC的成員，同時由美國IBM公司、微軟、Auto-ID L

17、ab等進行技術研究支持。此組織除發(fā)布工業(yè)標準外，還負責EPCgobal號碼注冊管理。2. 日本UID 主導日本RFID標準研究與應用的組織是T-引擎論壇（T-Engine Forum），該論壇已經擁有475家成員。值得注意的是成員絕大多數(shù)都是日本的廠商，如NEC、日立、東芝等，但是少部分來自國外的著名廠商也有參與，如微軟、三星、LG和SKT。DI平臺等等。我們知道，現(xiàn)在RFID技術得到了一定的發(fā)展，同時RFID應用也開始迅速展開。但是結合Ad Hoc無線網(wǎng)絡技術和RFID射頻技術進行應用級別的研究還處于起步階段，而將兩者結合起來構成一套完整的可以提供位置信息和實時監(jiān)控服務的系統(tǒng)更是一種創(chuàng)新性的

18、應用解決方案。我們力求通過在這一領域的努力探索，為行業(yè)的發(fā)展和技術的進步起到建設性的作用。并且系統(tǒng)里的RFID中間件設計，也是目前RFID領域發(fā)展迅速的熱點。通過研究和探索，可以為以后RFID中間件的進一步完善和發(fā)展起到非常大的借鑒作用。1.4 論文的結構安排本論文主要論述基于Ad Hoc無線網(wǎng)絡的RFID中間件和RFID定位系統(tǒng)的可應用場景分析、系統(tǒng)體系結構設計及系統(tǒng)的具體研究與實現(xiàn)。論文分為三部分，第一部分包括 ，主要描述課題背景和要求，性質和意義，分析Ad Hoc無線網(wǎng)絡技術的特點及RFID射頻技術的技術指標和技術關鍵點；第二部分包括第 章，是本論文的主體。首先是描述本課題研究的定位系統(tǒng)

19、中RFID中間件的研究與實現(xiàn)，然后進行RFID定位系統(tǒng)的可應用場景分析和功能總體分析，并對系統(tǒng)具體實現(xiàn)中的細節(jié)及重點和難點進行了詳細的闡述，然后對RFID定位系統(tǒng)進行具體的設計和實現(xiàn)。最后對系統(tǒng)的通用性、可擴展性及安全性進行了詳細的分析和描述；第三部分包括第 章，這部分主要對本課題的創(chuàng)新點和難點進行總結。 第二章 基于Ad Hoc網(wǎng)絡的RFID定位系統(tǒng)核心技術研究2.1 Ad Hoc網(wǎng)絡技術隨著人們對擺脫有線網(wǎng)絡束縛、隨時隨地可以進行自由通信的渴望，近幾年來無線網(wǎng)絡通信得到了迅速的發(fā)展。人們可以通過配有無線接口的便攜計算機或個人數(shù)字助理來實現(xiàn)移動中的通信。目前的移動通信大多需要有線基礎設施（如

20、基站）的支持才能實現(xiàn)。為了能夠在沒有固定基站的地方進行通信，一種新的網(wǎng)絡技術Ad Hoc網(wǎng)絡技術應運而生。Ad Hoc網(wǎng)絡不需要有線基礎設備的支持，通過移動主機自由的組網(wǎng)實現(xiàn)通信。Ad Hoc網(wǎng)絡的出現(xiàn)推進了人們實現(xiàn)在任意環(huán)境下的自由通信的進程，同時它也為軍事通信、災難救助和臨時通信提供了有效的解決方案。2.1.1 Ad Hoc網(wǎng)絡的概念Ad Hoc網(wǎng)絡是一種沒有有線基礎設施支持的移動網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中的節(jié)點均由移動主機構成。Ad Hoc網(wǎng)絡最初應用于軍事領域，它的研究起源于戰(zhàn)場環(huán)境下分組無線網(wǎng)數(shù)據(jù)通信項目，該項目由DARPA資助。其后，又在1983年和1994年進行了抗毀可適應網(wǎng)絡SURAN（Su

21、rvivable Adaptive Network）和全球移動信息系統(tǒng)GloMo（Global Information System）項目的研究。后來，IEEE802.11標準委員會采用了“Ad Hoc網(wǎng)絡”一詞來描述這種特殊的自組織無中心多跳無線網(wǎng)絡結構，Ad Hoc網(wǎng)絡由此誕生。由于無線通信和終端技術的不斷發(fā)展，Ad Hoc網(wǎng)絡在民用環(huán)境下也得到了發(fā)展，如需要在沒有有線基礎設施的地區(qū)進行臨時通信時，可以很方便地通過搭建Ad Hoc網(wǎng)絡實現(xiàn)。在Ad Hoc網(wǎng)絡中，當兩個移動主機在彼此的通信覆蓋范圍內時，它們可以直接通信。但是由于移動主機的通信覆蓋范圍有限，如果兩個相距較遠的主機要進行通信，則

22、需要通過它們之間的移動主機轉發(fā)才能實現(xiàn)。因此在Ad Hoc網(wǎng)絡中，主機同時還是路由器，擔負著尋找路由和轉發(fā)報文的工作。在Ad Hoc網(wǎng)絡中，每個主機的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數(shù)據(jù)通過多個主機的轉發(fā)才能到達目的地。故Ad Hoc網(wǎng)絡也被稱為多跳無線網(wǎng)絡。Ad Hoc網(wǎng)絡可以看作是移動通信和計算機網(wǎng)絡的交叉。在Ad Hoc網(wǎng)絡中，使用計算機網(wǎng)絡的分組交換機制，而不是電路交換機制。通信的主機一般是便攜式計算機、個人數(shù)字助理（PDA）等移動終端設備。Ad Hoc網(wǎng)絡不同于目前Internet中的移動IP網(wǎng)絡。在移動IP網(wǎng)絡中，移動主機可以通過固定有線網(wǎng)絡、無線鏈路和撥號線路等方式接入網(wǎng)

23、絡，而在Ad Hoc網(wǎng)絡中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動IP網(wǎng)絡中，移動主機通過相鄰基站等有線設施的支持才能通信，在基站和基站（代理和代理）之間均為有線網(wǎng)絡，仍然使用Internet的傳統(tǒng)路由協(xié)議。而Ad Hoc網(wǎng)絡沒有這些設施的支持。此外，在移動IP網(wǎng)絡中移動主機不具備路由功能，只是一個普通的通信終端。當移動主機從一個區(qū)移動到另一個區(qū)時并不改變網(wǎng)絡拓撲結構，而Ad Hoc網(wǎng)絡中主機的移動將會導致拓撲結構的改變。2.1.2 Ad Hoc網(wǎng)絡的特點Ad Hoc網(wǎng)絡作為一種新的組網(wǎng)方式，具有以下特點。網(wǎng)絡的獨立性Ad Hoc網(wǎng)絡相對常規(guī)通信網(wǎng)絡而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時刻、任何地點不需要

24、硬件基礎網(wǎng)絡設施的支持，快速構建起一個移動通信網(wǎng)絡。它的建立不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡通信設施，具有一定的獨立性。Ad Hoc網(wǎng)絡的這種特點很適合災難救助、偏遠地區(qū)通信等應用。動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結構在Ad Hoc網(wǎng)絡中，移動主機可以在網(wǎng)中隨意移動。主機的移動會導致主機之間的鏈路增加或消失，主機之間的關系不斷發(fā)生變化。在自組網(wǎng)中，主機可能同時還是路由器，因此，移動會使網(wǎng)絡拓撲結構不斷發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。對于常規(guī)網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲結構則相對較為穩(wěn)定。有限的無線通信帶寬在Ad Hoc網(wǎng)絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，

25、它提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。有限的主機能源在Ad Hoc網(wǎng)絡中，主機均是一些移動設備，如PDA、便攜計算機或掌上電腦。由于主機可能處在不停的移動狀態(tài)下，主機的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網(wǎng)絡有能源有限的特點。網(wǎng)絡的分布式特性在Ad Hoc網(wǎng)絡中沒有中心控制節(jié)點，主機通過分布式協(xié)議互聯(lián)。一旦網(wǎng)絡的某個或某些節(jié)點發(fā)生故障，其余的節(jié)點仍然能夠正常工作。生存周期短Ad Hoc網(wǎng)絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網(wǎng)絡，它的生存時間一般比較短。有限的物理安全移動

26、網(wǎng)絡通常比固定網(wǎng)絡更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒絕服務等攻擊?，F(xiàn)有的鏈路安全技術有些已應用于無線網(wǎng)絡中來減小安全攻擊。不過Ad Hoc網(wǎng)絡的分布式特性相對于集中式的網(wǎng)絡具有一定的抗毀性。2.1.3 Ad Hoc網(wǎng)絡的應用隨著移動通信和移動終端技術不斷向前發(fā)展，使得Ad Hoc網(wǎng)絡技術不但在軍事領域前景廣闊，而且也在民用移動通信領域得到應用。它可以運用在以下場合：1）沒有有線通信設施的地方，如沒有建立硬件通信設施或有線通信設施遭受破壞。 2）需要分布式特性的網(wǎng)絡通信環(huán)境。 3）現(xiàn)有有線通信設施不足，需要臨時快速建立一個通信網(wǎng)絡的環(huán)境。 4）作為生存性較強的后備網(wǎng)絡。 2.1.4

27、與其他移動通信系統(tǒng)的比較蜂窩系統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動通信系統(tǒng)。在蜂窩系統(tǒng)中，覆蓋區(qū)域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區(qū)。每個小區(qū)內設置固定的基站，為用戶提供接入和信息轉發(fā)服務。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進行?；緞t一般通過有線線路連接到主要由交換機構成的骨干交換網(wǎng)絡。蜂窩系統(tǒng)是一種有連接網(wǎng)絡，一旦一個信道被分配給某個用戶，通常此信道可一直被此用戶使用。蜂窩系統(tǒng)一般用于語音通信。集群系統(tǒng)集群系統(tǒng)與蜂窩系統(tǒng)類似，也是一種有連接的網(wǎng)絡，一般屬于專用網(wǎng)絡，規(guī)模不大，主要為移動用戶提供語音通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信范圍最廣，可以為全球每個角落的用戶提

28、供通信服務。在此系統(tǒng)中，衛(wèi)星起著與基站類似的功能。衛(wèi)星通信系統(tǒng)按衛(wèi)星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在成本高、傳輸延時大、傳輸帶寬有限等不足。小結上述移動通信系統(tǒng)都需要有線網(wǎng)絡通信基礎設施的支持，如基站、交換機、衛(wèi)星等。這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力，因此成本比較高，同時建設的周期也長。Ad Hoc網(wǎng)絡不需要基站的支持，由主機自己組網(wǎng)，因此，網(wǎng)絡建立的成本低，同時時間短，一般只要幾秒鐘或幾分鐘。上述通信系統(tǒng)中，移動終端之間并不直接通信，并且移動終端只具備收發(fā)功能，不具備轉發(fā)功能。而Ad Hoc網(wǎng)絡由移動主機構成，移動主機之間可以直接通信，而移動主機不僅收發(fā)數(shù)

29、據(jù)，同時還轉發(fā)數(shù)據(jù)。此外目前的移動通信系統(tǒng)主要為用戶提供語音通信功能，通常采用電路交換，拓撲結構比較穩(wěn)定。而Ad Hoc網(wǎng)絡使用分組轉發(fā)技術，主要為用戶提供數(shù)據(jù)通信服務，拓撲結構易于變化。2.2 RFID無線射頻識別技術2.2.1 RFID技術研究射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），又稱電子標簽（E-Tag），是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息的技術。RFID最早的應用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機的“敵我辨識”系統(tǒng)。隨著技術的進步，RFID應用領域日益擴大，現(xiàn)已涉及到人們日常生活的各個方面，并將成為未來信息社會建設

30、的一項基礎技術。RFID典型應用包括：在物流領域用于倉庫管理、生產線自動化、日用品銷售；在交通運輸領域用于集裝箱與包裹管理、高速公路收費與停車收費；在農牧漁業(yè)用于羊群、魚類、水果等的管理以及寵物、野生動物跟蹤；在醫(yī)療行業(yè)用于藥品生產、病人看護、醫(yī)療垃圾跟蹤；在制造業(yè)用于零部件與庫存的可視化管理；RFID還可以應用于圖書與文檔管理、門禁管理、定位與物體跟蹤、環(huán)境感知和支票防偽等多種應用領域。一、RFID組成：最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：1. 標簽（Tag，即射頻卡）：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線進行通信。標簽從是否有電源的角度分為有源和無源標簽。2. 閱讀器：讀取

31、（在讀寫卡中還可以寫入）標簽信息的設備。3. 天線：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流，標簽獲得能量被激活；標簽將自身編碼等信息通過卡內置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從標簽發(fā)送來的載波信號，經天線調節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。在耦合方式（電感-電磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、從標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法（負載調制、反向散射

32、、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，以及由此決定的設計構造上都很相似，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：產生高頻發(fā)射功率以啟動標簽并提供能量；對發(fā)射信號進行調制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調來自標簽的高頻信號。閱讀器的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；控制與標簽的通信過程（主-從原則）；信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法，對標簽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。射頻識別系

33、統(tǒng)的讀寫距離是一個關鍵的參數(shù)。目前，長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響標簽讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的RF輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、標簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和標簽的耦合度，以及標簽本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%80%。二、RFID技術特性1、物理特性RFID設備一般具有如下一些主要物理特性：數(shù)據(jù)的讀寫（Read Write）機能、容易小型化和多樣化的形狀、耐腐蝕性可重復使用、穿透性、數(shù)據(jù)的記憶容量大。2、RFID的頻段特征RFID射

34、頻技術有多種不同的工作頻率范圍，如低頻、高頻、超高頻及微波；在不同的頻段RFID的識別距離也各不相同，基本上是隨著頻率的升高識別距離逐漸增長。低頻頻段能量相對較低，數(shù)據(jù)傳輸率較小，無線覆蓋范圍受限。為擴大無線覆蓋范圍，必須擴大標簽天線尺寸。盡管低頻無線覆蓋范圍比高頻無線覆蓋范圍小，但天線的方向性不強，具有相對較強的繞開障礙物能力。低頻頻段可采用1至2個天線，以實現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)域覆蓋。此外，低頻段電子標簽的成本相對較低，且具有卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀等多種形狀。高頻頻段能量相對較高，適于長距離應用。低頻功率損耗與傳播距離的立方成正比，而高頻功率損耗與傳播距離的平方成正比。由于高頻以波束的方式傳播

35、，故可用于智能標簽定位。其缺點是容易被障礙物所阻擋，易受反射和人體擾動等因素影響，不易實現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)域覆蓋。高頻頻段數(shù)據(jù)傳輸率相對較高，且通訊質量較好。 三、RFID中間件概述RFID中間件扮演RFID標簽和應用程序之間的中介角色，從應用程序端使用中間件提供的一組通用應用程序接口（API），即能連到RFID讀寫器，讀取RFID標簽數(shù)據(jù)。這樣一來，即使存儲RFID標簽情報的數(shù)據(jù)庫軟件或后端應用程序增加或改由其他軟件取代，或者讀寫RFID讀寫器種類增加等情況發(fā)生時，應用端不需修改也能處理，省去多對多連接的維護復雜性問題。RFID中間件可以從架構上分為兩種：以應用程序為中心和以架構為中心（I

36、nfrastructure Centric）。 第三章 研究RFID中間件在基于Ad Hoc無線網(wǎng)絡的RFID定位系統(tǒng)中，需要準確獲取標簽和閱讀器的信息，這些信息是通過運行在與閱讀器相連的主機Host上的定位客戶端client采集的。由于不同標準閱讀器的API接口不同，客戶端與閱讀器交互的命令也存在還大的差別。因此在獲取標簽和閱讀器信息的時候，需要針對不同的閱讀器設計不同的數(shù)據(jù)采集客戶端。本課題研究的基于Ad Hoc無線網(wǎng)絡的RFID中間件（以下簡稱RFMLTS，RFID Middleware Based on Location And Tracking System），在RFID定位系統(tǒng)中起

37、到了屏蔽閱讀器的差別、采集不同頻段的標簽數(shù)據(jù)，向定位系統(tǒng)提供統(tǒng)一格式的標簽和閱讀器數(shù)據(jù)。目前，RFID中間件處于研究和試驗階段，還沒有商業(yè)化。3.1 閱讀器種類及比較目前，在使用RFID技術的項目中，13.56MHz的HF閱讀器用的比較多，技術也比較成熟。同時UHF閱讀器由于自身具有讀取距離更遠、安全性更高、數(shù)據(jù)容量更大等優(yōu)點，擁有更廣泛的應用場景。用于實時跟蹤場景中的標簽工作頻率應該是433MHz的有源標簽，但是由于條件所限，我們在該演示系統(tǒng)中，選擇了行業(yè)中常用的這兩類閱讀器，一種是SIEMENS公司的HF閱讀器MOBYD，另一種也是SIEMENS公司的UHF閱讀器rf600。MOBYD的工

38、作頻率是13.56MHz，使用串口與主機通信。rf600的工作頻率是865-868MHz，同時也可以工作在902-928MHz，使用網(wǎng)絡接口與主機通信。在通信方式、命令格式和數(shù)據(jù)包格式都有明顯不同。3.1.1MOBYD(1) 串口配置MOBYD使用RS232串口與主機Host相連，串口的傳輸速率可以達到38400Baud/s。在初次通信時，需要進行一些配置。具體配置如下：fd=open（MODEMDEVICE, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK）; if （fd <0） perror（MODEMDEVICE）; 此閱讀器不是MOBYD; 轉入其他閱讀器判斷;

39、tcgetattr（fd,&oldtio）; /* save current port settings */ /* set new port settings for canonical input processing */ cfsetispeed（&newtio,BAUDRATE）; cfsetospeed（&newtio,BAUDRATE）; / Enable the receiver and set local mode newtio.c_cflag |= （CLOCAL | CREAD）; / make setting take effect tcsetat

40、tr（fd,TCSANOW,&newtio）; /set parity 8E1 newtio.c_cflag |= PARENB ; newtio.c_cflag &= PARODD ; newtio.c_cflag &= CSTOPB ; newtio.c_cflag &= CSIZE ; newtio.c_cflag |= CS8 ; tcsetattr（fd, TCSANOW,&newtio）; / set hardware flow control or not?now disable newtio.c_cflag &= CRTSCTS;

41、 / select input canonical or raw ,now select raw input newtio.c_lflag &= （ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG）; tcsetattr（ fd, TCSANOW, &newtio）; newtio.c_iflag = IGNPAR | ICRNL; newtio.c_oflag = 0; newtio.c_ccVMIN=1; newtio.c_ccVTIME=5; tcflush（fd, TCIFLUSH）; tcsetattr（fd,TCSANOW,&newtio）;通信命令

42、格式MOBYD閱讀器有許多自帶的API，不同的模式使用不同的命令組合。閱讀器遵守ISO 15693標準。在RFMLTS中間件中，采用的是Buffer Reader模式，即利用閱讀器中的緩存來存儲標簽的信息，根據(jù)這種模式的特點，中間件可以輪詢讀取已被存儲的信息，確保標簽信息的完整性，提高定位的準確性。常用的命令有：<1> 得到閱讀器信息-0x31Read Data Buffer Info。信息格式如圖3-1所示：圖3-1 閱讀器信息圖<2> 讀取buffer信息-0x21Read Buffer信息格式如圖3-2示：圖3-2 buffer信息圖TR-DATA:圖3-3 TR

43、-DATA圖TR-DATA格式如圖3-3所示：圖3-3 TR-DATA圖DATA:DATA格式如圖3-4所示：圖3-4 DATA圖<3> 清空已讀內容-0x32Clear Data Buffer“Clear Data Buffer”命令用來清除已經被0x21Read Buffer命令讀取了的信息，因此這個命令是與Read Buffer命令一一對應的。Clear Data Buffer數(shù)據(jù)格式如圖3-5所示：圖3-5 Clear Data Buffer圖3.1.2 rf600(1) 網(wǎng)絡通信配置rf600使用網(wǎng)絡接口與主機相連，其默認IP地址為192.168.0.254，端口為100

44、01。通信的時候，數(shù)據(jù)包采用的是XML文件格式。rf600除了具有不同的工作模式外，還可以配置為不同的標準，例如美國標準ETSI、歐洲標準FCC等。rf600可以讀取EPC G2 C1、EPC G1、ISO 18000 3種類型的標簽。另外還可以對通道、IP地址等進行設置。在中間件的設計過程中，關于rf600的一些基本設置都是使用閱讀器自帶的程序，按照應用需求預先設置好的。(2) XML命令格式分析rf600閱讀器與主機進行交互通信時，信息交互采用的是XML文件傳輸。在運行該系統(tǒng)時，rf600已經按照我們的要求配置完畢，因此我們只需最基本的交互命令即可，其中包括：<1> 建立通信連

45、接命令-host Greetings<message><nametype="c">hostGreetings</name><paramGroup name="hostGreetings"><messagingVersion>GR_XML_1.2</messagingVersion><appVersion>MobyWorkstationApp1.0</appVersion><userName>MobyAdmin</userName><

46、;passwd>*</passwd></paramGroup></message>XML文件格式為：當Host向閱讀器發(fā)送該命令后，閱讀器向Host返回確認信息。XML文件格式為：<message><name type="r" status="ack">hostGreetings</name><paramGroup name="readerGreetings"><readerName>SIMATIC RF660R Portal Rea

47、der</readerName><firmwareVersion>V1.1（01.01.00.00_01.08）</firmwareVersion><fpgaVersion>V0.44.2</fpgaVersion><configVersion>USER</configVersion></paramGroup></message>該過程建立了閱讀器和Host之間的通信。<2> 標簽信息<message><nametype="n">t

48、er</name><ter>103,1,3,3,127200</ter></message>當閱讀器和Host通信建立后，閱讀器便以固定XML格式向Host不斷發(fā)送標簽信息。典型的文件格式如下： 在<ter></ter>里的是標簽的詳細信息。其中包括通道，天線序號，標簽類型和標簽UID。3.2RFMLTS分析設計RFID中間件是一種面向消息的中間件（Message-Oriented Middleware，MOM），信息（Information）是以消息（Message）的形式，從一個程序傳送到另一個或多個程序。在該系統(tǒng)中，

49、我們設計的RFID中間件從架構上看是以應用程序為中心的，利用RFID Reader廠商提供的API，以Hot Code方式直接編寫特定Reader讀取數(shù)據(jù)的Adapter。在演示環(huán)境中，我們采用了兩種不同頻段的Reader.一種是13.56MHz的Reader（MOBYD），另一種是860MHz的Reader（rf600）.該RFID中間件在判斷不同閱讀器之后，根據(jù)不同閱讀器的不同API，得到閱讀器里的數(shù)據(jù)，經過數(shù)據(jù)分析、過濾、狀態(tài)判斷等分析處理后，按照預先設計的數(shù)據(jù)包格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理端。 RFMLTS中間件的系統(tǒng)結構圖如3-6所示：圖3-6 RFMLTS中間件的系統(tǒng)結構圖RFMLTS中間

50、件的處理模塊流程如圖3-7所示：圖3-7 RFMLTS中間件的處理模塊流程圖一、閱讀器種類判斷模塊該模塊的主要功能是根據(jù)不同閱讀器具有的不同API接口以及不同連接方式，判斷閱讀器的種類，從而選擇與閱讀器對應的信息收集模塊。二、閱讀器配置信息讀取模塊為了滿足定位的需要，我們在與閱讀器連接的主機中放置了一個與閱讀器和管理端有關的配置文件。配置文件中包括閱讀器的ID，IP， XY坐標以及管理端的IP地址和通信端口。該模塊調用讀取函數(shù)讀取到文件中的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存到設定的結構體中，用于網(wǎng)絡傳輸模塊。典型的配置文件（client.conf）內容如下：#ReaderIDReaderID = 22 /閱讀

51、器ID號是唯一的#Reader IP AddrssRdrIPAddr = 192.168.0.254#Reader LocationRdrX = 1 /預留RdrY = 1 /預留#RdrMC IP Address and PortRdrMCAddr = 192.168.1.118 /管理端服務器IP地址RdrMCPort = 6009 /管理端服務器的通信端口 三、標簽信息收集/分析模塊(1) MOBYD標簽信息收集/分析模塊如果確定是MOBYD閱讀器，進入該標簽信息收集/分析模塊。由于在該系統(tǒng)中，我們只關心標簽的唯一標識UID，因此只保存UID數(shù)據(jù)并且保留DB空間以備擴展。該模塊首先調用G

52、et Buffer Info命令讀取閱讀器的狀態(tài)，得到閱讀器緩存里的數(shù)據(jù)長度，根據(jù)該長度循環(huán)調用Read Buffer和Clear Buffer命令不斷讀取閱讀器里的標簽信息，直至全部讀取并將標簽的UID保存到特定的數(shù)組中后，再進入下一個數(shù)據(jù)過濾模塊。(2) rf600標簽信息收集/分析模塊如果確定使rf600閱讀器，進入該標簽信息收集/分析模塊。該模塊在得到閱讀器的標簽數(shù)據(jù)后，調用按照要求設計的XML解析器解析XML文件，得到數(shù)據(jù)包中的有用信息。同樣我們只關心標簽的唯一標識UID，但是rf600閱讀器可以讀取EPC C1、EPC C2、ISO 18000 3種不同的標簽，標簽UID長度不同，

53、因此需要3個不同的數(shù)組存取不同的標簽數(shù)據(jù)。此后進入下一個數(shù)據(jù)過濾模塊。四、數(shù)據(jù)過濾模塊系統(tǒng)運行期間，閱讀器向Host端發(fā)送大量標簽信息，而這些信息中大部分是冗余信息，因此需要設計數(shù)據(jù)過濾模塊從海量信息中過濾出唯一有用信息，這樣可以大大減小系統(tǒng)的處理時間，提高系統(tǒng)的整體性能。同時可以減小網(wǎng)絡負載。該模塊主要是采用了一個隊列來完成過濾功能，將標簽信息收集/分析模塊得到的標簽信息存儲數(shù)組中的數(shù)據(jù)插入隊列，在插入過程中完成數(shù)據(jù)比較、過濾。最后將隊列中數(shù)據(jù)存入特定結構體（aTagsQuery）中。五、標簽狀態(tài)判斷模塊該模塊的主要功能是判斷標簽的狀態(tài)，標簽狀態(tài)有三種：新進入（new coming）、保持（

54、hold on）、離開（left）。六：網(wǎng)絡傳輸模塊網(wǎng)絡傳輸模塊是循環(huán)的最后一個模塊，主要功能是按照設定的數(shù)據(jù)包格式進行組包，并向管理端服務器發(fā)包。為了使管理端實現(xiàn)對客戶端的統(tǒng)一處理，MOBYD和rf600組包過程中的包格式都采用相同的結構。唯一的差別是UID長度的不同。3.3 RFMLTS的特點RFMLTS中間件設計完成后，通過測試，RFMLTS實現(xiàn)了設計的目標和要求，讀取標簽信息的準確率達到100%，運行也非常穩(wěn)定。其最明顯的特點是：1 實現(xiàn)了管理端對底層閱讀器的統(tǒng)一管理，底層的閱讀器對管理端來說是透明的，管理端不需了解底層的閱讀器種類和標簽類型。這樣一來，即使存儲RFID標簽信息的數(shù)據(jù)庫

55、軟件或后端應用程序增加或改由其他軟件取代，或者讀寫RFID讀寫器種類增加等情況發(fā)生時，應用端不需修改也能處理，省去多對多連接的維護復雜性問題。2 當系統(tǒng)中加入新類型的閱讀器時，只需要在RFMLTS加入獲取該閱讀器相關信息的處理模塊，操作非常簡單。同時中間件的其他模塊不需要修改就可以將新閱讀器的數(shù)據(jù)按照管理端的處理要求發(fā)送。第四章 RFID定位系統(tǒng)分析及設計4.1 RFID應用場景RFID技術自誕生以來一直有很好的應用。日前，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，信息資源的網(wǎng)絡化共享和遠程監(jiān)控已成為各個領域新的需求，并且隨著網(wǎng)絡技術的成熟，這些新的需求正逐漸變成現(xiàn)實。特別是在WLAN，Bluetooth，ZigB

56、ee等無線技術不斷涌現(xiàn)的今天，RFID的應用絕不再局限于閉環(huán)的電子識別，隨著與網(wǎng)絡技術的融合RFID將在眾多的領域都有廣泛的應用前景。4.1.1 典型應用場景的技術需求分析RFID的定位和跟蹤技術再配合圖形化的終端監(jiān)控，將在很多典型的場景中廣泛應用，比如，大型國際會展的現(xiàn)場，大型貨物集散的港口碼頭，大量貨物堆放的倉儲庫，人員繁雜的大型醫(yī)院，貴重物品的運輸和保管等等。一、大型國際會展的現(xiàn)場在大型國際會展現(xiàn)場，采用RFID定位和跟蹤技術將大大提高對參會人員的有效管理，比如在人海中快速確定某個人的當前位置，可以通過定位技術實現(xiàn)；查看某個焦點人物都參觀了哪些會場和展覽點，可以通過瀏覽他的歷史位置記錄實現(xiàn)；當然也可以按照參會人員的國籍、行業(yè)、年齡等對其分類，實時查看某一組人的位置信息或者監(jiān)控全場人員的位置分布情況等。二、大型貨物集散的港口碼頭在大型貨物集散的港口碼頭，采用RFID定位和跟蹤技術將提高對集裝箱信息收集的效率，并通過圖形化位置信息管理提高貨物調度的效率，從而大大節(jié)約時間成本。首先通過可移動的手持Reader對貼有Tag的集裝箱進行識別，從而確定Tag的位置，再通過無線的網(wǎng)絡連