基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的RFID系統(tǒng)節(jié)能研究*

謝 昕，吳 穎，張 磊，劉覺夫

（華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330013）

0 引言

射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)［1］是利用射頻信號(hào)通過交變磁場或電磁場的空間耦合來實(shí)現(xiàn)無接觸式的信息傳遞以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽和讀寫器兩部分組成，在無源電子標(biāo)簽應(yīng)用中，RFID讀寫器通常采用電池供電，通過連續(xù)不斷地發(fā)出射頻磁場，以保證到達(dá)標(biāo)簽隨時(shí)可獲得能量發(fā)送信息，這將導(dǎo)致RFID讀寫器能量的大量消耗。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域的大量微小節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)部的傳感器感知周圍環(huán)境信息，并以自組網(wǎng)多跳的方式進(jìn)行無線通信的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)雖然也采用電池供電，但具有高效的節(jié)能管理機(jī)制。為了高效利用RFID系統(tǒng)的有限電能，本文提出一種集成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的RFID系統(tǒng)節(jié)能方案，在傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用一種類似于傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能控制機(jī)制，通過節(jié)點(diǎn)對能量的高效利用延長整個(gè)系統(tǒng)的電池壽命。

1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

RFID系統(tǒng)組成如圖1所示。電子標(biāo)簽由耦合元件、芯片及微型天線組成。標(biāo)簽存儲(chǔ)有唯一的RFID編碼，用來標(biāo)識(shí)目標(biāo)對象;讀寫器用來讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息。當(dāng)無源電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的讀寫區(qū)域后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流獲得的能量，反饋給讀寫器標(biāo)簽信息;有源電子標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，讀寫器接收標(biāo)簽信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)至后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能管理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由傳感器單元、處理器單元、無線收發(fā)單元和能量供應(yīng)單元四部分組成。傳感器單元內(nèi)部包含傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器單元控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù);無線收發(fā)單元通過無線方式與其他傳感器節(jié)點(diǎn)通信，交換控制信息和數(shù)據(jù);能量供應(yīng)單元為傳感器節(jié)點(diǎn)的其他單元提供所需能量，通常傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電。

圖1 RFID系統(tǒng)Fig 1 RFID System

因此，采用一種特殊的節(jié)點(diǎn)能量控制機(jī)制［2，3］:當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)既沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送也沒有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，通過自身處理器將其配置為睡眠模式，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的某些模塊，降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗;當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送或接收時(shí)，再恢復(fù)工作模式繼續(xù)工作。

3 基于傳感器節(jié)點(diǎn)的RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本方案將RFID讀寫器集成到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，取代原有的傳感器單元，形成讀寫器智能節(jié)點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。讀寫器智能節(jié)點(diǎn)以類似傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方式與RFID電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)無線通信。

圖2 讀寫器智能節(jié)點(diǎn)Fig 2 Intelligent reader node

在上述組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，讀寫器智能節(jié)點(diǎn)能夠像傳感器節(jié)點(diǎn)一樣以自組織多跳的方式部署在網(wǎng)絡(luò)中。根據(jù)處理器發(fā)出的指令，RFID讀寫器通過射頻方式讀取標(biāo)簽信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至處理器進(jìn)行處理，然后根據(jù)需要通過存儲(chǔ)器進(jìn)行緩存處理;電源的管理方案同樣受處理器的控制，采用一種類似無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能方式，根據(jù)需要將讀寫器智能節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)分為4種:

1）當(dāng)讀寫器模塊讀取到標(biāo)簽信息或者無線收發(fā)模塊有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入讀狀態(tài);

2）當(dāng)讀寫器模塊需要對標(biāo)簽寫入信息或者無線收發(fā)模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入寫狀態(tài);

3）當(dāng)讀寫器模塊和無線收發(fā)模塊沒有讀（寫）數(shù)據(jù)請求時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入等待狀態(tài);

4）當(dāng)智能節(jié)點(diǎn)處在等待狀態(tài)一定時(shí)間后仍然沒有數(shù)據(jù)請求時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

經(jīng)過處理器的協(xié)調(diào)工作，讀寫器智能節(jié)點(diǎn)在讀狀態(tài)和寫狀態(tài)下與傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗基本保持一致，而引入的等待狀態(tài)與睡眠狀態(tài)則避免了電能的無謂浪費(fèi)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

4 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)方案采用SK—WSN—I無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊和SK—RFID—TRF796X—II讀寫器模塊作為平臺(tái)。根據(jù)測量得到的系統(tǒng)參數(shù)［4，5］來計(jì)算RFID讀寫器電池的使用壽命?？紤]到一些參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的波動(dòng)性，所以，在實(shí)驗(yàn)中對這些參數(shù)加入了適當(dāng)?shù)母咚乖肼曋?，以保證參數(shù)的穩(wěn)定。另外，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)驗(yàn)中對每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行100次的Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，最后根據(jù)平均值確定結(jié)果［6，7］。

4．1 普通RFID讀寫器的電池使用壽命

讀寫器的電源采用兩節(jié)干電池，提供的總電壓V=3．3 V，并加入均值為0．2 V的高斯噪聲α，以保證工作電壓不超過3．6 V的供電上限;讀寫器的輸出功率P=250 mW。另外，電池的生命周期也取決于電池的類型。實(shí)驗(yàn)選用高質(zhì)量的AA電池，總?cè)萘看蠹s為W=2200 mAh。如果RFID讀寫器持續(xù)不斷地工作，電池的使用壽命只能維持

Matlab仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 普通RFID讀寫器電池壽命Fig 3 Battery life of common RFID reader

單個(gè)普通RFID讀寫器在連續(xù)工作的情況下，根據(jù)圖3，可以計(jì)算出電池的平均壽命僅僅能維持H=30．0237 h。

結(jié)果表明:普通RFID讀寫器應(yīng)用大約30h后會(huì)因?yàn)殡姵啬芰康暮谋M而無法正常工作，若頻繁更換電池，則代價(jià)太高，無法滿足低成本應(yīng)用的要求。

4．2 讀寫器智能節(jié)點(diǎn)的電池使用壽命

根據(jù)實(shí)際情況，讀寫器智能節(jié)點(diǎn)中的處理器單元和無線收發(fā)單元屬于一個(gè)整體，本文將其命名為“中心模塊”。讀寫器模塊從睡眠模式被喚醒需要花費(fèi)大約10 ms，期間由于沒有發(fā)出射頻磁場，所以，只有很低的電流消耗。基于以上考慮，實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

實(shí)驗(yàn)采取只讀取標(biāo)簽（暫不考慮標(biāo)簽寫入），工作時(shí)間即為讀狀態(tài)時(shí)間與等待狀態(tài)時(shí)間之和。假定讀寫器智能節(jié)點(diǎn)的工作占空比為X=1%（占空比即工作時(shí)間與總時(shí)間之比），中心模塊處于讀狀態(tài)的占空比為X/10，讀寫器模塊處于讀狀態(tài)的占空比也為X/10，則整個(gè)讀寫器智能節(jié)點(diǎn)處于等待模式的占空比為8X/10。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab 1 Setting of simulation parameter values

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求得讀寫器智能節(jié)點(diǎn)中讀寫器模塊的平均工作電流為

中心模塊的平均工作電流為

則整個(gè)讀寫器智能節(jié)點(diǎn)的電池壽命為

通過Matlab仿真得到讀寫器智能節(jié)點(diǎn)電池壽命如圖4。

圖4 讀寫器智能節(jié)點(diǎn)的電池壽命Fig 4 Battery life of intelligent reader node

經(jīng)計(jì)算得到，讀寫器智能節(jié)點(diǎn)的電池平均壽命為N=10367 h，約 1．1834 a。

通過對比，普通RFID讀寫器由于沒有任何節(jié)能控制機(jī)制，使它幾乎一直處于工作狀態(tài)，所以，電池供電只能維持大約30h。將RFID讀寫器集成到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，網(wǎng)絡(luò)的使用占空比為1%，在沒有標(biāo)簽信息的情況下，讀寫器智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)，避免了無謂的能量損耗。

5 結(jié)論

通過研究將RFID系統(tǒng)的讀寫器集成到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，取代原有的傳感器模塊，使傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能控制機(jī)制應(yīng)用到RFID系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果證明:本文提出的改進(jìn)方案有效地提高了RFID讀寫器電池的使用效率，平均使用時(shí)間從約為30h提高到1．2 a左右，大大延長了電池的使用壽命，改善了RFID系統(tǒng)的節(jié)能性能。

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