交互式智能电子标签在物联网中的应用

　　自从“物联网”的概念提出以后，无论是一般老百姓还是相关专业人士，都予以了极大的关注，并展现出了空前的热情。普遍认为物联网给人们生活和社会经济所带来的冲击，将远超过互联网。我们认为，互联网是人与人之间通过计算机进行信息交流的一种工具，物联网则是人与物或处于被动状态的人之间通过计算机进行信息交流的一种工具，或者说物联网就是互联网从人到物的延伸。

　　1 物联网的概念和相关技术

　　如果说互联网是以PC与PC之间的网络连接为其特征的话，物联网则是以PC与低成本的微型计算机（即单片机）之间的无线连接为其特征的，而且这种无线连接的方式必须是低成本，低功耗，双向和远距离的！

　　物联网至少应该包括如下几方面内容：对物的信息（包括身份，位置信息和状态信息）感知，感知信息的采集和传输，信息处理和信息反馈。我们认为，这也是物联网最基本的概念。根据与“物”相关的这些信息传输和处理所涉及的范围大小，物联网可以是一个仅仅由近距离信息采集传输系统和具有一般处理能力的计算机构成的相对简单的局域网，也可以是一个包括互联网和“云”计算机在内的一个广域网。当我们通过公网，互联网等各种远距离信息传输手段，将成千上万个这样的“小物联网”连接在一起，并将它们所采集汇聚的海量信息，利用具有超强处理能力的“云”计算机进行处理，并根据我们的各种应用需要通过网络进行信息反馈时，就形成了现有一般意义上的物联网。

　　物联网中最关键的环节是公网以下具体的“物”与PC之间的无线信息采集和传输。这包括感知信息的传输和反馈指令信息的传输。显然，无论是超级计算机、移动通信网、传感器网络或是射频识别系统本身，都不能单一满足物联网信息传输和处理的需要，它们中的任何一个都不能代表物联网。物联网不应该是一个单一性质的网络，而是可以包括条码、无源射频标签、各种传感器、有源射频标签、手机、各种通信公网和以及超级计算机等在内的组合。

　　从经济实用的角度出发，我们不可能在每一个销售的牙刷上，或仓库中运输托盘上的每一个物品上都安装一个有源射频标签，而一个条码标签显然是最优和最现实的选择。由于条码识别距离很近，为了将条码所代表的牙刷或其它物品的信息，以一种低成本，简单快速的方式传入网络，我们可以在手持条码读写器中，包括每个仓库运输托盘上，安装一个有源射频标签，并在仓库中安装一个与移动公网或互联网连接的远距离（500 m以上）有源射频标签读写器，我们便可以轻而易举的，将手持条码读写器所读到的，关于牙刷和托盘上物品的相关信息，传给并储存到安装在托盘上的有源射频标签中，再通过有源射频标签，间接传给有源射频标签读写器，或由手持条码读写器中的有源射频标签，直接传给有源射频标签读写器。然后再通过读写器，将这些信息传入公网或互联网。这样我们便可以利用一台联网的计算机，在任何地方掌握这只牙刷或托盘上物品的相关信息，包括它们的位置信息了。

　　这里我们涉及到近距离条码识别（也可以是诸如红外测温等其它传感器信息的采集）、有源射频标签远距离无线传输、计算机和公共信息传输网络以及互联网等。在这个简单的例子里，我们可以清楚看到整个信息的传输不仅仅是某一个单一的传输系统或网络，它是多种信息采集和传输手段的组合，应该算作是一个“泛在网”。

　　从上到下梳理物联网的整个信息连接和传输过程，我们不难发现：信息处理我们已有各种超级计算机；远距离信息传输我们也已有各种公网、移动网以及互联网等；信息感知我们有条码标签识别技术、无源射频标签的近距离识别技术，以及各种采集物品状态信息的常用传感器技术（温度，湿度，压力等）。但是如何将传感器、条码标签，以及无源射频标签等所采集到的有关物和人的这些基本信息，以简单和低成本的方式，传到几十米，甚至到1 km外的公共网络中，并及时将信息处理后的反馈指令返还到“物”则尚未解决，而且问题的关键还在于：这种传输方式必须是低成本和无线的，而且必须是低功耗的和可靠的。
 
　　由于有源射频标签本身具有结构简单、体积小、低成本、功耗低和可实现远距离传输的基本特性，它自然也就成为人们解决物联网信息传输这个关键问题的希望所在。然而由于现有有源电子标签存在的各种局限，没法满足物联网应用的多种需求，而新一代的交互式智能电子标签I-RFID 也就应运而生了。

　　2. 交互式智能电子标签I-RFID

　　尽管结构上I-RFID与现有一般的有源电子标签并没有什么区别，然而在工作方法上，两者则完全不一样。
 

图1 I-RFID在物联网中的应用

　　图中我们可以看到，物联网中关键的信息传输部分是PC与单片机之间的无线连接。而这一部分必须是由一个单芯片无线微功率收发机和一个单片机组成。这实际上就是一个有源电子标签的基本结构。I-RFID使用了一种超低功耗的方式，保持了计算机与连接“物”的单片机之间的快速双向通信连接；同时，通过在单片机中预先写入各种所需的应用程序，并在需要时通过无线指令来调用这些应用程序的方法，使得I-RFID标签在任何需要的时间和需要的地点，执行包括识别，定位，传感器数据采集等各种物联网应用所需的各种工作！从而以一种低成本的方式，解决了物联网信息传输中的一个关键问题。 
 

图2 I-RFID的工作原理

　　图中所表述的就是处于周期性监听-睡眠-再监听-再睡眠低功耗状态的有源电子标签，在苏醒监听一瞬间接收到来自协调器的指令信号后，立即根据指令，按照预先写入的工作程序要求的方式，进入与读写器进行信息交流的状态，并在短时间内完成安排的工作任务后，重新回到周期性监听-睡眠-再监听-再睡眠低功耗状态，等待下一次工作安排。

　　3. I-RFID在物联网中的应用
    
　　由于I-RFID解决了物联网应用中低成本，低功耗无线远距离信息传输的关键问题，自然也就打开了I-RFID广阔的应用空间。下面我们就城市交通智能化管理方案的例子加以说明。            

　　3.1城市交通智能化管理方案

　　城市交通智能化管理，是提升城市交通管理效率的关键。而城市交通智能化管理的关键问题又在于如何以一种经济有效和可靠的方式，实现城市车辆和道路车流信息的实时采集和传输。而电子标签，特别是有源电子标签技术，是人们寄予希望最大的一种技术。然而由于现有有源电子标签技术无法解决在低功耗，低成本的前提下，实现远距离和按需双向工作的难题，因而也就阻碍了它在更大范围内的推广应用，同时也成为物联网进入千家万户和各行各业的主要障碍。

　　经过近六年包括Zigbee 和RFID在内的近距离无线通信应用实践中的辛苦耕耘，西谷公司在有源电子标签的关键技术上，发明了具有完全自主知识产权的交互式智能电子标签系统，将现有的有源电子标签技术提升到一个全新的水平。通过标签自动跳转工作频道的方法，低成本的解决了交互式智能射频标签的双向通信问题；通过无效信号快速过滤技术，解决了交互式智能射频标签的超低功耗问题；利用超低功耗待机状态与定式动作的组合工作方式，解决了交互式智能射频标签按需工作和灵活工作的问题；通过交互式智能射频标签自动时分，频分和码分方式，解决了海量射频标签信息的处理问题；通过使用新的先进独创的定位技术，简单有效地解决了在不同大小应用环境中的精确定位问题。除此之外，我们的有源电子标签的通信距离，可以从几厘米到2公里，远远超过现有一般有源电子标签。参阅附件“物联网与交互式智能电子标签”。

　　3. 2城市基本数据采集系统的构建

　　（1）在每一辆车上的固定位置，安装一个防拆卸的I-RFID智能电子标签，它们具有世界上独一无二的ID编号（当然也可根据需要由用户自己重新编号）。

　　该I-RFID智能电子标签平常并不向外发射任何信号，而是根据需要每隔1 s或0.5 s周期性地在监听频道上，监听接收并记录协调器以广播方式发来的信号（该路口位置信息和时间信息），接收并记录下协调器的信号后，立即跳转到读写器工作频道上，向该路口的读写器发回自己的ID号以及上一个路口协调器的ID号（用于判别车辆行驶方向），并在接收到读写器发回的回执信号后，停止发射，并在休眠一定时间后跳转回到监听频道上，监听下一个路口的协调器信号。如果系统还需要了解路口交通堵塞情况，在接收到读写器发回的回执信号后，继续每隔10～30 s向读写器发射自身的ID号若干次。这样通过同一路口读写器接收到的来自同一标签的ID号的次数，就可以清楚了解路口各个方向上交通的堵塞情况。

　　I-RFID智能电子标签具有防拆卸的功能，使用一只5号锂电池驱动，一般情况下可以使用六年不需更换电池。其与路口固定读写器的双向通信距离分别为5～300 m（上行）/ 5～700 m（下行）可调，其与手持读写器的通信距离为1～100 m可调。

　　(2)在每一个需要进行车辆和流量监控的道路口，安装一个协调器和一个工作在不同频道上，与网络连接的I-RFID标签读写器，每个读写器使用220V市电供电，功耗< 1W，每个I-RFID读写器的信息处理能力为30辆/秒=108000辆/小时。 
    
　　每个路口可供读写器使用的独立频道有83个，独立信道多达3822个，以避开与现场可能存在的其它各种2.4G通信设备的相互干扰。协调器通过广播方式向进入或即将进入道路口的所有车辆，写入该路口的位置编号和经过该路口的时间。车载I-RFID标签在接收并记录下接收到的信息后，立即返还自己的ID号及其刚刚经过的前一路口协调器的ID号。读写器接收到车载I-RFID标签发来的信息后，将连同标签的ID, 读写器自身的ID以及时间信息，一并通过与之相连接的网络传给系统服务器。读写器和协调器工作在不同频道上，使用220V AC或其它直流电源供电，最大功耗< 1W。

　　（3）每个读写器(必要时包括协调器)都通过有线或无线的方式（光纤接口，ADSL或GPRS等），与管理控制中心数据库相连接。

　　（4） 管理控制中心的数据库和计算机，将利用各个路口采集到的车辆实时信息，计算出整个城市车辆的实时流动状况和每个车辆任何时间的具体位置和行驶方向。

　　3. 3系统的基本功能
    
　　利用以上资料，再结合无线红绿灯控制专利技术（专利申请号：2007100488725），我们就可以轻而易举的实现城市交通智能化管理的功能：

　　对交通信号灯进行实时有效的调度指挥，包括对国宾车，急救车等实现自动绿灯放行；

　　对城市的道路规划提供最真实可靠的宝贵资料；

　　根据车辆在城市中不同区域位置停留的时间，不需任何其它硬件的投入，就可以实现中心城区交通拥堵费的征收；

　　向城市各种车辆的拥有单位提供车辆考勤和调度管理的有偿服务服务。（例如公交车，出租车，救护车，送货车，维修服务车，政府机关公用车辆等）；

　　根据整个城市各路口的通行情况，对车辆进行有效的自动疏导；

　　对失窃车辆和违法车辆，欠费车辆，克隆出租车进行定位跟踪；

　　由于我们的数据采集是24小时全天候的，因此，当交通事故或可能的涉及车辆的刑事犯罪发生后，我们可以很容易根据时间和地点查处相关车辆。
由于在每辆车上安装智能电子车牌，这将带来其它许多车辆管理上的好处。它可以轻易解决许多交通管理的难题，例如克隆牌照问题，逃费问题，不停车收费问题等。I-RFID电子车牌是一种智能型电子车牌，它不仅可以提供ID号，而且可以根据协调器指令信号，直接提供管理所需的有关车辆本身的任何信息。 

　　结论：物联网的基本概念应该是对有关“物”的身份信息，位置信息和状态信息的“感知”，和传输，以及对这些信息的处理和反馈。而物联网技术能够得以推广应用的关键，在于如何低成本，低功耗地实现公网以下，具体“物”与PC之间相关信息的无线远距离双向传输。