WSN節(jié)點定位算法與RFID在食品安全監(jiān)測中的應用

薛麗瑩，王 健

(東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院，150040)

現(xiàn)階段，食品安全問題已成為全社會廣泛關注的熱點話題，食品安全關乎每個人的身體健康和社會的穩(wěn)定發(fā)展。要提高食品安全最直接、最有效的方法就是建立食品溯源系統(tǒng)。保證消費者餐桌上的食品都能明確農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地、生產(chǎn)過程等相關信息，不但使消費者能吃到放心的食品，而且做到有源可查。一旦食品質(zhì)量在消費者端出現(xiàn)問題，可以通過食品標簽上的溯源碼進行聯(lián)網(wǎng)查詢，查出該食品的生產(chǎn)企業(yè)、食品的產(chǎn)地、具體農(nóng)戶等全部流通信息，明確事故方相應的法律責任，該系統(tǒng)對食品安全與食品行業(yè)自我約束具有相當重要的意義。

本文主要介紹RFID和WSN融合的技術，通過標簽、閱讀器、中間件的設計，構建一個能夠?qū)?jié)點進行定位，以及節(jié)點及周圍環(huán)境監(jiān)測的保證食品安全的完整系統(tǒng)［1］。進而實現(xiàn)對食品的追蹤和溯源，保證食品安全。

1 RFID和WSN融合技術

射頻識別即RFID(Radio Frequency IDentification)技術，又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID技術是能夠讓物品“開口說話”的一種技術，RFID標簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。［2］隨著科技的不斷發(fā)展，自動化不斷為人們的生活提供方便，對目標的定位不斷成為人們的普遍需求，比如對個體的定位和對周圍環(huán)境的實時監(jiān)測都要借助WSN技術和傳感器技術。

RFID技術和WSN技術是兩種不同的技術，RFID技術主要用于存儲物品的詳細位置和信息，并且保證能夠與RFID閱讀器進行信息交互，傳感器節(jié)點具有對周圍溫度、氣壓等得感知，并且實時上傳感知信息，WSN節(jié)點可以通過多跳自組織網(wǎng)絡對目標進行定位。當前的WSN都是分布式的無中心節(jié)點的網(wǎng)絡系統(tǒng)，大部分的研究都集中于網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)信息處理機制，形成了一系列比較完善和成熟的傳感器網(wǎng)絡技術。但是目前并沒有出現(xiàn)一個成熟的標準體制來支持多樣化的傳感器網(wǎng)絡以滿足不同的用戶需求，相較而言RFID的標準體系成熟得多。無線傳感器網(wǎng)絡的單跳傳輸距離可以達到100～200 m，Zigbee和WLAN可以很好的支持WSN的多跳通信，多跳通信的方式也可以用于RFID中。RFID具有WSN所缺乏的物品標志能力，但是RFID不能對物品狀態(tài)以及周圍環(huán)境進行監(jiān)測。如何使得RFID標簽或者閱讀器也具有多跳通信的能力以擴展RFID的工作范圍，如何使得WSN網(wǎng)絡具有RFID的標志能力，并將WSN對物體狀態(tài)與環(huán)境信息的監(jiān)測能力賦予RFID系統(tǒng)，是RFID與WSN技術在物聯(lián)網(wǎng)下協(xié)作方式的研究重點［3］。本文討論的就是將RFID技術和無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的結(jié)合，主要研究適合應用于牲畜飼養(yǎng)場的技術，以提高飼養(yǎng)的科學性，保證食品安全，另外為飼養(yǎng)員提供方便。

1 節(jié)點設計

從RFID技術與WSN技術相融合的應用上來看，在平時通過傳感器監(jiān)測個體的體溫、周圍環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、光線強度等數(shù)據(jù)，以及RFID閱讀器獲知生豬個體的詳細信息，WSN技術對個體位置進行定位。節(jié)點設計上需要將RFID標簽和傳感器相融合，RFID標簽作為每個個體的唯一標識，里面儲有很多個體的相關信息，而傳感器是固定在個體上用來監(jiān)測個體體溫以及周圍環(huán)境的溫度、濕度以及光線強度等，使帶有傳感器的RFID標簽具有監(jiān)測能力;RFID標簽與WSN節(jié)點相融合應用于定位和監(jiān)測過程中，主要是將RFID標簽和WSN節(jié)點融合起來，所有節(jié)點形成一個典型的多跳自組織網(wǎng)絡，通信采用多級跳的形式，傳輸范圍和傳輸能力大大增強，在此網(wǎng)絡中應用最適合的定位算法，隨時對節(jié)點進行定位;RFID閱讀器與WSN節(jié)點相融合，融合后形成智能節(jié)點兼具RFID閱讀器和WSN節(jié)點的功能，RFID閱讀器可以閱讀網(wǎng)絡中的RFID標簽，而WSN節(jié)點又形成了多跳自組織網(wǎng)絡，使智能節(jié)點能夠在監(jiān)測周圍環(huán)境的時候，對自身進行定位，將數(shù)據(jù)傳回WSN基站［4］。

2 實現(xiàn)對節(jié)點的定位

根據(jù)定位算法是否需要通過物理測量來獲得節(jié)點之間的距離 (角度)信息，可以把定位算法分為基于測距的 (Range-Based)定位算法和非基于測距的 (Range-Free)定位算法兩類。前者是利用測量得到的距離或角度信息來進行位置計算，而后者一般是利用節(jié)點的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計節(jié)點間的距離或角度，并完成位置估計。基于測距的定位算法總體上能取得較好的定位精度，但在硬件成本和功耗上受到一些限制。為節(jié)省功耗，本文選擇后者與此設計相結(jié)合。

本設計中，RFID閱讀器相當于錨節(jié)點，其位置已知;其他RFID標簽相當于未知節(jié)點，需要通過錨節(jié)點的位置信息來對其進行定位。本算法采用非測距算法，基于蜂窩網(wǎng)絡區(qū)域劃分的節(jié)點定位算法，該算法采用單元形狀為正六邊形的網(wǎng)絡布局，即蜂窩網(wǎng)絡的形狀，由于單元的幾何特征比較特殊，故每個正六邊形單元既可以進行內(nèi)部劃分，且劃分區(qū)域仍然可以保證為正三角形，同時也可以向外部各向同性地拓展網(wǎng)絡。未知節(jié)點隨機地分布在整個網(wǎng)絡的邊界以內(nèi)。

單元蜂窩網(wǎng)絡中未知節(jié)點的定位可以分為兩個步驟。

步驟一:未知節(jié)點接收來自錨節(jié)點的跳數(shù)信息。對于任意一個未知節(jié)點Pn，其會接收到來自單元中7個錨節(jié)點M1、M2、…、M7距其的跳數(shù)信息，這些跳數(shù)中的前6個元素構成節(jié)點Pn的跳數(shù)矩陣Hn。其中

第7個錨節(jié)點位于單元中心，位置比較特殊，故不在跳數(shù)矩陣中討論。由于通信半徑R在未調(diào)節(jié)參數(shù)之前，其值等于任意相鄰錨節(jié)點之間的距離。即

R=dij(其中i，j為相鄰錨節(jié)點序號)

且兩個節(jié)點之間的距離若在通信半徑范圍內(nèi)，則跳數(shù)h=1。

步驟二:通過循環(huán)查找n個未知節(jié)點的跳數(shù)矩陣中跳數(shù)值為1的元素個數(shù)，來確定未知節(jié)點所在的區(qū)域，用nsum(i)來統(tǒng)計第i個未知節(jié)點的跳數(shù)矩陣中跳數(shù)值為1的元素個數(shù)，則一共會有以下4種情況。

圖1 nsum(i)的取值情況在單元中的分布圖Fig.1 Distribution of nsum(i)value in the unit

(1)nsum(i)=0，對應于圖1中的0區(qū)(位于單元中心錨節(jié)點附近的灰色填充區(qū)域)。

(2)nsum(i)=1，對應于圖1中的1區(qū)(位于單元頂點處錨節(jié)點附近的斜剖面線區(qū)域)。

(3)nsum(i)=2，對應于圖1中的2區(qū)(圖中沒有做標記的空白區(qū)域)下面對未知節(jié)點所在的具體區(qū)域進行定位分析。根據(jù)平均跳數(shù)值AVEhik與設定的臨界跳數(shù)值q的關系，判斷平均跳數(shù)值AVEhik與設定的臨界跳數(shù)值q的關系，確定未知節(jié)點i所在的具體區(qū)域。如圖2所示，與q的關系如下:

若AVEhi4〈q且AVEhi5〈q且AVEhi6〈q，則將未知節(jié)點i定位在2a區(qū)域中點A點;

若AVEhi4〉q且AVEhi5〉q且AVEhi6〈q，則將未知節(jié)點i定位在2b區(qū)域中點B點;

若AVEhi4〉q且AVEhi5〉q且AVEhi6〉q，則將未知節(jié)點i定位在2c區(qū)域中點C點;

若AVEhi4〈q且AVEhi5〉q且AVEhi6〉q，則將未知節(jié)點i定位在2d區(qū)域中點D點;

對于其他可能出現(xiàn)的情況，由于出現(xiàn)幾率較小，故將其他情況下未知節(jié)點i都定位在第2號正三角形區(qū)域的中點E處。

利用上述方法，位于第2號正三角形區(qū)域中的未知節(jié)點i即可完成定位。當未知節(jié)點位于其他單元區(qū)域時，同理可以實現(xiàn)未知節(jié)點在各自區(qū)域內(nèi)的定位。

(4)nsum(i)=3，對應于圖1中的3區(qū)(位于單元頂點處錨節(jié)點到中心錨節(jié)點連線上的垂直剖面線區(qū)域)。

(5)誤差區(qū)，位于0區(qū)的周圍 (圖1中散點表示的區(qū)域)。

圖2 nsum(i)=2時節(jié)點定位算法示例圖Fig.2 Node location algorithm when nsum(i)=2

3 在實踐中應用

生產(chǎn)過程透明化對于食品安全來說無疑是一個基礎，所以我們將此應用于常見的牲畜飼養(yǎng)場中。在飼養(yǎng)場中，由于受到距離的限制，對電子標簽的遠距離識別要提供相應的解決方法。

無源RFID的電子標簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的讀寫器發(fā)送的電磁波而獲得，所以其讀寫器的發(fā)射功率一般較大［5］。與之相反，有源RFID的電子標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而相應讀寫器的發(fā)射功率要求不高，而且有效閱讀距離也較前者有所增加。根據(jù)實際情況，由于飼養(yǎng)場內(nèi)標簽與讀寫器的直線距離有時達到100 m左右，為達到標簽讀卡器等覆蓋無盲區(qū)的效果，要選用有源RFID電子標簽，能夠提供遠距離通信。

為方便飼養(yǎng)場自動化，提高在生豬飼養(yǎng)場中養(yǎng)殖方法的科學性，由于生豬外形基本相似，無法準確區(qū)分，所以無法獲知個體的詳細信息，如出生地點、飼養(yǎng)時間、身體狀況等，也不能對生豬的生活環(huán)境進行準確把握。因而，若將RFID技術和無線傳感器網(wǎng)絡技術應用于生豬養(yǎng)殖，在生豬身上貼好RFID標簽即相當于定位算法中所有未知節(jié)點，在飼養(yǎng)場周圍布置RFID閱讀器即充當定位算法六邊形各個頂點上得節(jié)點。飼養(yǎng)人員就可以通過遠程控制的方式，實時了解個體的準確位置以及身體狀況等個體信息，并通過傳感器對牲畜生活的溫度、適度、光線等進行調(diào)節(jié)，以達到最適合生豬生長的標準環(huán)境。

本文通過在具有代表性的標準飼養(yǎng)場實施本實驗，在生豬的耳朵上固定電子標簽，在豬舍的四個角落安裝讀寫器，并在豬舍前后設置兩個監(jiān)測地點，安裝讀寫器。通過對豬舍內(nèi)的溫度監(jiān)測和豬的身體狀況監(jiān)測，每1 h傳回一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理，讓飼養(yǎng)員實時了解豬舍內(nèi)的各種狀況，保證了連續(xù)的信息采集。數(shù)據(jù)傳回基站，并對數(shù)據(jù)進行處理和存儲，以便當產(chǎn)品溯源時提供相應完整的數(shù)據(jù)信息。在飼養(yǎng)場中使用本技術，不僅為飼養(yǎng)員的管理提供實時準確的參考數(shù)據(jù)，也為消費者提供飼養(yǎng)過程中的詳細信息，從根本上保證了食品安全。

4 結(jié)束語

本文所提出的將RFID技術和WSN技術相結(jié)合，技術上主要側(cè)重于對個體的位置定位和對周圍環(huán)境的監(jiān)測控制。通過新技術的引入，能夠提高飼養(yǎng)場飼養(yǎng)技術的科學性，也能通過對牲畜的實時監(jiān)測，提高周圍環(huán)境質(zhì)量，從而達到為食品安全把關，為食品溯源提供實時有效數(shù)據(jù)的目的。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速的今天，提高人機交互能力，實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)自動化已經(jīng)成為我們進入新時代的強烈要求。雖然現(xiàn)在RFID技術與WSN技術相融合并沒有達到很成熟的階段，正是這種情況促使我們要加快對兩種技術融合的開發(fā)、改善、應用的腳步。

［1］王 芳，君成國.WSN與RFID技術在產(chǎn)品監(jiān)測中的應用［J］.軟件，2011，32(8):24-26.

［2］游戰(zhàn)清.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［3］聶 濤，陸 陽.RFID與WSN在物聯(lián)網(wǎng)下協(xié)同機制的分析［J］.計算機應用究，2011，26(6):2006-2010.

［4］劉國梅，王 艷.基于RFID和WSN的養(yǎng)殖場管理系統(tǒng)網(wǎng)絡架構［J］.農(nóng)機化研究，2010，(6):193-196.

［5］林宇洪，林 森，邱榮祖.基于RFID的林產(chǎn)品原料追溯導流的設計［J］.森林工程，2011，27(4):34-37.