基于ZigBee技术的RFID读写器网络的研究
基于ZigBee 技术的RFID 读写器网络的研究
1
苏平,蒋泰,张予帅
（桂林电子科技大学计算机与控制学院，桂林541004 ）
摘要：在对ZigBee 技术分析研究的基础上，采用树型网络拓扑用构建了一个基于ZigBee 技术的RFID 读写器网络，该网络
将RFID 读写器以Ad Hoc 的方式连接起来，使得读写器能更加高效、快速、准确地获得标签上的信息，有效地提高了系统的
性能。
关键词：RFID；ZigBee；读写器；网络拓扑
The Research of RFID-Reader-Network Based on ZigBee
SU Ping, JIANG Tai, ZHANG Yushuai
(College of Computer Science and Control, Guilin University of Electronic Technology, Guilin, 541004)
Abstract：Base on analyze the ZigBee technology, we introduce cluster tree topology to construct the RFID-Reader-Network with
ZigBee technology，and RFID readers in the form of Ad Hoc are connected to the network. With the network, readers can efficient,
rapid, accurate access the tag. At the same time, it will efficient improve the performance of the system.
Key words：RFID；ZigBee；Reader；Net topology
1 引言
RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）是一种利用无线通信技术实现的非接触式自动
识别技术，具有非接触、安全性高、传输速度快、支持多目标识别的特点。近年来，随着超大规模集成电
路技术的发展，RFID 设备的成本大大降低，RFID 技术逐渐走向实用，在众多领域获得了广泛的应用。
RFID 系统主要由三部分构成：标签（Tag）、读写器（Reader）和应用系统。标签由耦合元件及芯片组
成，每个标签具有唯一的电子编码（EPC），附着在物体上标识目标对象和物体信息。读写器通过射频信号
从物品的标签中读取信息，再将这些信息传送给后台的应用系统进行处理。
在目前实际的RFID 应用环境中，如物品监测系统，要求能够实时地识别出在一定范围内所有的标签，
而单个读写器的作用范围有限（UHF 频段的RFID 系统一般识别距离在10m 范围内）[1]
。因此，在这种系统
中有必要放置多个读写器，就需要一个网络将RFID 读写器连接起来，从而实现多个读写器协同工作。本
文提出用ZigBee 技术将RFID 读写器以Ad Hoc 的方式连接起来，实现高效、快速地读取标签上的信息，
同时简化了组网的过程。
2 ZigBee 技术
无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。目前，无线
通信技术中应用的比较广泛的技术有：ZigBee，蓝牙（BlueTooth），无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外
数据传输（IrDA）等。
2.1 ZigBee 技术简介
[2]
ZigBee 是IEEE802.15.4 协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信
技术。ZigBee 使用868MHz/915MHz/ 2.4 GHz 波段，采用直接序列扩频（DSSS）技术，它的基本速率是250kb/s，
当降低到28kb/s 时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。另外，每个ZigBee 的子网可有254
个节点，从而可以很好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。
ZigBee 技术特点主要包括以下几个部分：低速率，ZigBee 工作在20～250 kbps 的较低速率；功耗低，
一个ZigBee 节点设备在低耗电待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用6 个月以上；低成本，免协议专
1
基金项目：国家电子信息产业发展基金资助项目（信部运［2006］634 号）
作者简介：苏平(1984-)，男，硕士研究生，主要研究方向：RFID；蒋泰(1960-)，男，教授，主要研究方向：RFID、企
业信息管理、嵌入式系统；张予帅(1982-)，男,硕士研究生，主要研究方向：RFID。
35利费；短时延，ZigBee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms；高容量，ZigBee 可采用星
型、树型和Mesh 网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主
节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网；有效范围小，有效覆盖范围10～75m
之间；高安全，ZigBee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数
据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码；工作频段灵活。
2.2 ZigBee 和其他无线通信方式的比较
蓝牙技术（BlueTooth）是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或
移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设
备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为2.4GHz ISM
频段，提供1Mbps 的传输速率和10m 的传输距离。
Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，属于短距
离无线通信技术。Wi-Fi 速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的
覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m 左右。
IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。目前
它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。实际上，当今每一个出厂的PDA
及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品基本上都支持IrDA。
不同的无线通信技术之间的区别主要在于通信距离、数据传输速率、组网方式和成本之间的差距。表
2-1 给出了上面四种短距离无线通信技术的比较。
表2-1 几种短距离无线通信技术的比较
从表2-1 中不难看出，四种无线通信技术都有各自的特点，分别适用于不同的场合。ZigBee 技术正好
填补了低速率无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成
本的无线通信应用于自动化、自动控制、无线传感网络等诸多领域。ZigBee 技术的这些特点恰恰符合RFID
读写器网络的要求，数据量不大，同时对控制的实时性要求高。
3 基于ZigBee 技术的RFID 读写器网络
目前，关于RFID 的研究主要集中在单个RFID 读写器和多个标签，然而在一些应用场景中，需要将若
干个RFID 读写器密集地布设在同一个地方，这就涉及到读写器收集和传输数据的问题，需要解决RFID 系
统的高效运行问题，因此，需要构建RFID 读写器网络。RFID 读写器网络有两个显著的作用，一是有利于
36读写器采集到的大量的标签数据的处理、传输和交换；二是有利于读写器冲突问题的解决。
现有的RFID 读写器网络一般是建立在有线网络的基础上，将每个RFID 读写器以RS-232 串口或者以
太网的方式与计算机进行连接，从而对读写器收集到的标签上数据进行处理。本文用ZigBee 技术来对RFID
读写器进行组网，与传统的读写器网络相比，采用ZigBee 技术优势有：一是无线网络安装方便，不需布
线；二是无线网络比有线网络更加灵活，可随时随地联网；三是无线网络管理容易，通过软件设置即可；
四是网络重建快速，网络的扩展简单。
3.1 ZigBee 网络结构
ZigBee 标准规定了三种网络拓扑结构：星型、树型和Mesh 型结构
[3]
，三者的网络拓扑结构分别如图
3-1、3-2、3-3 所示。其中，星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设等小范围的室内应用；树型和
Mesh 可划为点对点网络，点对点网络中只要彼此在对方的无线辐射范围内，并满足通信要求，就可以直接
通信。点对点网络更适合设备分布广的应用，如军事、灾情监测和工业监测等。
3.1.1 星型网络构建
星型网络是一个辐射状的系统，数据通过中心节点传输。在这种拓扑中，外围节点需要直接与中心节
点连接。星型网络拓扑结构最大的优点是结构简单，中心节点承担绝大部分管理工作，缺点是灵活性差。
图3-1 星型网络拓扑
3.1.2 树型网络构建
树型网络可以简单地理解为多个星型结构的集合。若干个星型拓扑连接到一起，可以使通信区域扩大。
树型结构的优点是成本较低，覆盖范围较大，缺点是动态环境适应性差。
由ZigBee 技术来实现该拓扑结构，同样需要网络协调器，不过它的功能主要是完成设备的注册和访
问控制等基本的网络管理。在树型网络中，绝大多数的设备都是FFD（Full Function Device，全功能设
备），而RFD（Reduced Function Device，精简功能设备）总是作为树的叶设备连接到网络中。任何一个
FFD 都可以充当RFD 的协调器或者网络协调器，为其它设备提供同步信息。当然在这些协调器中，只有一
个可以担任整个点对点网络的协调器。
图3-2 树型网络拓扑
3.1.3 Mesh 型网络的构建
Mesh 型网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境能力。在Mesh 型网络结构中，各个节点都
是平等的，都具有路由能力，能跟有效通信半径内的所有节点直接通信，网内的所有节点都可以访问到网
37内的其他节点，但是路由器和协调器的无线通信模块必须一直处于接收状态，所以节点功耗比较大。
图3-3 Mesh 网络拓扑
3.2 基于ZigBee 技术的RFID 读写器网络的构建
本文采用树型网络拓扑结构来构建RFID 读写器网络，实现分布式RFID 读写器系统。如图3-2 所示，
其中网络协调器、路由器和终端设备（RFID 读写器）之间均是由ZigBee 无线网络来进行连接。
本文设计了一个简单的RFID 读写器网络模型。采用的是ZigBee 的树型拓扑结构，这种结构实现起来
比星型结构复杂，比Mesh 型简单，总体上是分布式控制结构。采用该拓扑结构主要是从实际应用的角度
来考虑的，例如仓库管理，一般按物品种类划分存放，每个种类就是一个小的星型网络，整
个仓库为这些
小的星型网络组成的树型网络。所以在这里选用树型拓扑来构造RFID 读写器网络。
在树型网络中，可以描述为多个星型结构组成的集合体，每个星型结构和其他的是相互独立的，图3-4
为星型网络的组建流程。网络协调器用来接受ZigBee 网络传来的数据并控制每个独立结构的运行情况，
同时实时地显示ZigBee 网络的拓扑结构。路由器用于接收从终端设备（RFID 读写器）传来的数据并将其
转发给网络协调器进行处理，同时将它接收到的网络协调器命令向读写器发出相应的操作。终端设备（RFID
读写器）接收标签上的信息。
在ZigBee 网络中，任何一个FFD 都可以成为网络协调器，这样可以有以下一种简单的组网策略：
（1）一个FFD 设备在第一次被激活后，检查网络中是否存在网络协调器，如果存在就成为这个网络
中的普通设备，不然这个FFD 就可以组建自己的网络，并成为该网络的协调器。
（2）在确立自己为网络协调器后，将自己的簇头（Cluster Header）标号设定为为0，形成网络的第
一个簇。
（3）网络协调器广播信号帧，临近设备收到后，可以申请加入该簇。
38图3-4 星型网络组建流程
4 总结
由于ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，和其他无线通信技术相比，ZigBee 更简单、
速率更慢、功率及费用也更低以及更高的可靠性，其中的树形网络拓扑可实现分布式网络，有利于组建一
个较大范围内的RFID 读写器网络，因此选用ZigBee 技术中的树型拓扑结构来对RFID 读写器网络进行组
网是一种比较好的选择。
参考文献：
[1] 岳磊,赵晓群.一种RFID 读写器网络的设计及其实现.微计算机应用，2007,NO.7
[2] 王权平,王莉.Zigbee 技术简析.通讯世界,2003,4
[3] 杨赓.Zigbee 无线传感器网络的设计与应用[D].苏州大学,2007
[4] Homepage of ZigBeeTM Alliance.https://www.360docs.net/doc/b7623465.html,
[5] IEEE Std 802.15.4-2003TM,Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for
Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)
[6] Klaus Finkenzeller,RFID Handbook.2nd ed.,John Wiley & Sons,2003 联系方式：姓名：苏平
通信地址：桂林电子科技大学研ES5 信箱