CC BY
130
МУЛЕЙС1 Рами Бассельевич САВЧУК2 Андрей Викторович ВАВРЕНЮК3 Александр Борисович кандидат технических наук, доцент БАБИЧЕВ4 Алексей Дмитриевич КАРПОВ5 Алексей Юрьевич ШАПОВАЛОВ6 Николай Кириллович
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ RFID-МЕТОК СО ВСТРОЕННОЙ ПАМЯТЬЮ И СОВМЕСТНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ZIGBEE В СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ НАДЕЖНОСТИ ТРАНСПОРТИРОВОК
Одной из перспективных сфер применения RFID-систем являются транспортные перевозки грузов, которым, необходим постоянный контроль за состоянием окружающей среды, и самого перевозимого груза. В данной статье рассматриваются системы, контроля надежности транспортировок, построенные на использовании RFID-меток со встроенной памятью и технологии ZigBee.
Ключевые слова: RFID-метки, распределенная, система, технология. ZigBee, чипы. Memory Spot.
One of the promising applications of RFID-systems is transportation, of goods that require constant monitoring of the environment as well as condition of cargo itself. This article deals with, the systems providing control of reliability of the transportation based, on the use of RFID-tags with, embedded, memory and ZigBee technology. Keywords: RFID-tags, distributed, system, ZigBee technology, Memory Spot chips.
За последнее время технологии радиочастотной идентификации (кРГО) качественно продвинулись вперед сразу по нескольким направлениям. Одним из таких направлений является существенное увеличение объема памяти, который может размещаться в одном приемопередающем устройстве. В простейшем случае ЯРГО-метка (тег) может содержать всего 1 бит информации — такие устройства повсеместно применяются в системах типа «анти-вор», где данный бит характеризует состояние товара как «оплачено/не оплачено».
Более сложные метки имеют возможность хранить несколько десятков и
даже сотен битов и позволяют записывать в метку многоразрядное число-идентификатор ЯРШ-системы, использующие такой тип меток, обычно имеют централизованную базу данных, содержащую информацию об объектах, оснащенных тегами. Доступ к базе данных осуществляется по считанному ридером идентификатору. Зачастую использование центрального хранилища информации имеет ряд недостатков в виде слишком большого числа транзакций, чрезмерной загруженности центральной базы и др. [1]. Одной из перспективных сфер применения ЯРШ-систем являются транспортные перевозки грузов, которым
' — Московский университет путей сообщения;2-6 — НИЯУ «МИФИ».
необходим постоянный контроль за состоянием окружающей среды (температурный режим, давление, влажность, уровень вибрации и т.д.). Централизованная информационная система в данном случае имеет следующие недостатки:
♦ затрудненный обмен большими объемами данных между центром управления и транспортными средствами;
♦ отсутствие необходимости в долговременном хранении значительной части таких данных (например, значения не отклонившихся норм показателей датчиков, контролирующих состояние груза).
Решить эту проблему позволяет построение распределенной системы, в которой хранение информации о целевых объектах осуществляется в самих RFID-транспондерах, содержащих достаточное для этого количество памяти. Выделяется целый класс устройств, представляющих собой активные или пассивные RFID-транспондеры, имеющие в своем составе память размером в десятки и сотни килобайт — объем, достаточный для хранения некоторых пользовательских данных и даже небольших исполняемых приложений. Рассмотрим подробнее систему контроля безопасной транспортировки нестабильных грузов.
Помимо того, что приемопередающие устройства должны иметь возможность объединения с датчиками характеристик перевозимого объекта, особенности применения технологии RFID в данной сфере определяют следующие требования к протоколу взаимодействия транспондеров со считывателями:
♦ транспондеры должны иметь возможность объединения с датчиками характеристик перевозимого объекта;
♦ частота обращений к транспондерам должна быть достаточно велика, чтобы своевременно обнаружить отклонение от нормы;
♦ состав транспондеров, к которым обращается считыватель, не изменяется на протяжении одной перевозки;
♦ протокол должен поддерживать аутентификацию и быть защищенным от несанкционированного доступа;
♦ основная доля транзакций приходится на обмен однотипными сообщениями.
Для заявленных целей могут быть использованы чипы HP Memory Spot, которые позволяют записывать 512 килобайт данных. Они представляют собой пассивные устройства, а обмен информацией между тегом и считывателем происходит по собственному открытому протоколу MSIP 1 (Memory Spot Interface and Protocol) [2]. Обратимся к спецификациям протокола MSIP-1. Согласно стандарту ECMA-391, схема взаимодействия участников протокола состоит из пяти фаз: 1) инициализация и определение единичного устройства (инициатор обеспечивает отсутствие коллизий);
2) определение поддержки протоколов (инициатор выбирает между транспортным протоколом MSIP-1 и прямыми обращениями к памяти);
3) активация протокола и выбор параметров (согласование параметров протокола между участниками);
4) обмен данными;
5) деактивация протокола [3]. Поскольку обращений к каждой метке, контролирующей единицу груза, в течение транспортировки будет совершаться достаточно большое количество, имеет смысл любая оптимизация сеанса обращения к тегу, позволяющая сократить время работы, но не нарушающая при этом безопасность передачи и целостность данных. Во-первых, в силу того, что набор меток на протяжении всей транспортировки остается постоянным, можно упростить механизм устранения коллизий. Вначале все метки аутентифицируют-ся стандартным образом с использованием CRC-кодов (Cyclic Redundancy Check — циклический избыточный код; предназначен для проверки целостности данных). Затем каждому тегу присваивается и записывается в память идентификатор, не превышающий по разрядности максимальное число меток на транспортном средстве. В начале каждого последующего сеанса производится опознавание конкретной метки по присвоенному ей номеру. Во-вторых, объем полезных данных, считываемых из тега при каждом обращении, будет относительно мал, а сами данные будут иметь однотипный формат, поэтому в данном случае на шаге активации протокола все параметры будут оставаться неизменными.
И наконец, в случае, когда состояние груза остается стабильным и его характеристики не изменяются в течение продолжительного времени, можно полностью отказаться от транспортного протокола MSIP-1 и использовать прямое обращение к памяти. При этом в ячейке памяти устанавливаются флажки, обозначающие состояние характеристик груза (изменилось или не изменилось с момента последнего обращения). Проверка флажков осуществляется посредством прямой адресации к нужным ячейкам. За счет этого появляется возможность во многих сеансах опроса меток сэкономить время на инициализации транспортного протокола.
Рассмотрим другую систему контроля безопасной транспортировки грузов, зависящих от параметров их перевозки, на основе технологии ZigBee. Основная задача системы — собирать, хранить и передавать во внешний канал информацию от системы датчиков, находящихся внутри транспортного средства, — наиболее оптимальным образом может быть решена при помощи беспроводной сети датчиков (WSN — Wireless Sensor Network). В настоящее время наиболее распространенными и активно развивающимися являются сети, построенные на технологии ZigBee.
Сети ZigBee на физическом уровне опираются на стандарт IEEE 802.15.4 [4, 5] и позволяют создавать самоорганизующиеся сети из компактных маломощных приемопередатчиков. Можно выделить 3 класса ZigBee-устройств:
♦ координаторы (выполняют различные функции управления сетью);
♦ маршрутизаторы (обеспечивают коммуникацию между частями системы);
♦ конечные устройства (реализуют прикладные функции, общаясь с координаторами или маршрутизаторами) [6].
Высокая отказоустойчивость в сети ZigBee достигается за счет того, что при выходе из строя одного или нескольких устройств маршруты между любыми взаимодействующими элементами автоматически перестраиваются «в обход» возникшей проблемы. Рассмотрим типичное ZigBee устройство (рис. 1).
Оно состоит из микроконтроллера, небольшого объема встроенной памяти (около 128 кбит), приемопередатчика с антенной, а также цифровых и цифро-аналоговых портов для расширения функциональных возможностей [7]. Таким образом, если подключить, к примеру, термодатчик к одному из портов, получается фактически готовое устройство для контроля температуры. Однако само по себе устройство ZigBee не имеет достаточного запаса памяти для хранения всей необходимой информации, например, данных о транспортируемом объекте и подробной истории изменения температурного режима. К тому же, хотя дешевизна технологии является одним из основных принци-
Напряжение питания
Устройства сопряжения цифровых и аналоговых сигналов Рис. 1. Структурная схема модуля ZigBee
Контейнер © Контейнер ©
Контейнер © Контейнер ©
Контейнер © Контейнер ©
Литература
Рис. 2. Схема расположения системы контроля внутри транспортного средства: 1 - Метка Memory Spot; 2 - ZigBee маршрутизатор; 3 - датчик; 4 - ZigBee координатор
пов в развитии ZigBee, цена устройств не позволила бы встраивать их в каждую упаковку в случае транспортировки массовых и недорогих изделий (например, медицинских препаратов). Решением этих проблем может стать объединение технологии ZigBee с Memory Spot. Последние применяются в качестве конечных устройств ZigBee. На физическом уровне метки Memory Spot совместимы с международным стандартом ZigBee (рабочая частота 2,4 ГГц [4]). Встроенной памяти маршрутизатора ZigBee достаточно для размещения микропрограммы, формирующей необходимую последовательность сигналов для аутентификации метки Memoty Spot и записи в нее данных по протоколу MSIP-1.
Таким образом, общая структура системы контроля транспортировок выглядит следующим образом (рис.2). Метки Memory Spot встраиваются непосредственно в упаковки перевози-
мых объектов. Контейнер, содержащий несколько упаковок, обслуживается одним ZigBee-маршрутизатором, снабженным датчиком. Маршрутизатор, используя протокол MSIP-1, сохраняет данные с датчика в метках через заданные интервалы времени. Согласно международному стандарту ZigBee приемопередатчик устройства имеет 16 каналов [4], благодаря чему возможна параллельная работа с несколькими метками. Координатор сети ZigBee (один на транспортное средство) обеспечивает управление сетью в целом. При выходе из строя одного из маршрутизаторов его метки «подхватываются» соседними, а в сами теги записывается предупреждение о возможном сбое. Координатор также получает уведомление и сведения об опасных повышениях температуры, зафиксированных на одном или группе маршрутизаторов, для принятия соответствующих действий. Если возникает необходимость отправлять сигнал во внешнюю (по отношению к транспортному средству) среду, координатор может быть снабжен модулем GSM.
Таким образом, предложенные решения могут помочь оптимизировать построение WSN сети при помощи чипов Memory Spot для более эффективной работы в составе систем контроля надежности транспортировок нестабильных грузов
1. Д.М. Михайлов. Архитектура построения, систем, распределенного хранения, данных на основе RFID технологий. 64-я научная сессия РНТОРЭС, посвященная Дню радио, 2009.
2. Iddo Genuth. HP's Memory Spot Chip is Spot On. TFOT, October 09, 2006. URL: http://thefutureofthings.com/articIes/27/hp-s-memory-spot-chip-is-spot-on.html.
3. Standard ECMA 391, Memory Spot Interface and Protocol, 2009. URL: http://www. ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST/ECMA-391.pdf.
4. IEEE standard 802.15.4. IEEE, 2006. URL: http://standards.ieee.org/getieee802/ download/802.15.4-2006.pdf.
5. Understanding 802.15.4™ and ZigBee™ Networking. ZigBee Resource Center, Daintree Networks, Feb., 2005. URL: http://www.daintree.net/downloads/ whitepapers/understanding_sensor_networking_whitepaper.pdf.
6. М. Соколов. Программно-аппаратное обеспечение беспроводных сетей на основе технологии ZigBee/802.15.4. /Электронные компоненты., 2004 — № 12. — С. 80 — 87. URL: http://www.freescale.com/files/abstract/global/s50214.pdf.
7. В. Алексеев. Полностью законченные ZigBee модули производства фирмы. Radiocrafts./ Компоненты и технологии, 2006. URL: http://www.kit-e.ru/articles/ wireless/2006_3_138.php.
