一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別融合技術(shù)的研究

摘 要：射頻識別技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)是普適計算中兩個最為重要的組成部分，它們各自具有不同的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。射頻識別傳感器網(wǎng)絡(luò)，將射頻識別融入WSN中，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息識別和網(wǎng)絡(luò)整體信息的綜合管理。本文探討射頻識別技術(shù)與WSN技術(shù)相融合，對其融合方案進(jìn)行了比較，并分析了射頻識別與WSN相互融合的狀況和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：射頻識別；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；混合網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP212.9；TN929.5

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將各種信息傳感設(shè)備如傳感器裝置、激光掃描、射頻識別裝置等結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)而形成的一個巨型網(wǎng)絡(luò)。其目的是將萬事萬物都通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而可以實時實地的對物體進(jìn)行識別、定位與追蹤。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出之前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與射頻識別技術(shù)均是沿著各自的路線發(fā)展，并未探討它們之間的兼容性，而在物聯(lián)網(wǎng)的概念被提出之后，這兩種技術(shù)不斷進(jìn)行融合，因此研究他們之間的協(xié)作工作方式具有重要意義。這些儀器聯(lián)合地通過感知與處理的方式來收集周圍環(huán)境的實時信息。

射頻識別（RFID）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對物體的自動識別。射頻識別系統(tǒng)由標(biāo)簽閱讀器和電子標(biāo)簽以及上位機(jī)軟件組成。電子標(biāo)簽是信息的載體，其內(nèi)部存儲一個64位或96位二進(jìn)制代碼串。射頻識別技術(shù)最早的應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中飛機(jī)的敵我目標(biāo)識別，但是由于技術(shù)和成本原因，一直沒有得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展，射頻識別技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。由于具有高速移動物體識別、多目標(biāo)識別和非接觸識別等特點(diǎn)，射頻識別技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，被認(rèn)為是2l世紀(jì)的最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。射頻識別技術(shù)涉及信息、制造、材料等諸多高技術(shù)領(lǐng)域，涵蓋無線通信、芯片設(shè)計與制造、天線設(shè)計與制造、標(biāo)簽封裝、系統(tǒng)集成、信息安全等技術(shù)。一些國家和射頻識別國際跨國公司都在加速推動射頻識別技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程。在過去十年間，共產(chǎn)生數(shù)千項關(guān)于射頻識別技術(shù)的專利，主要集中在美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）和管理節(jié)點(diǎn)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在待檢測區(qū)域，這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式組織形成無線網(wǎng)絡(luò)，相互協(xié)作的方式采集、感知和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的有用信息，通過多跳方式將數(shù)據(jù)傳回Sink節(jié)點(diǎn)，最后通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶發(fā)布監(jiān)測任務(wù)，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。

WSN和射頻識別有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。WSN可以感知和采集物體和周圍環(huán)境的信息，但卻不能實現(xiàn)對于物體身份的識別。而功能強(qiáng)大的射頻識別技術(shù)能夠彌補(bǔ)這個不足。射頻識別容易受周圍環(huán)境的影響，易受到信號干擾，從而產(chǎn)生閱讀器沖撞而且有效距離較短。相對射頻識別技術(shù)，WSN的有效作用距離大得多，通?？梢赃_(dá)到100m，而射頻識別技術(shù)最大達(dá)到10m。即使采用主動射頻識別標(biāo)簽其有效識別范圍1m-30m，但其距離仍然有限，這對射頻識別的應(yīng)用是一個極大的限制?？紤]到射頻識別可以作為一種特殊的傳感器，它能夠融入到WSN中，形成一種混合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（射頻識別傳感器網(wǎng)絡(luò)），該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以兼?zhèn)鋬煞N技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將有極其廣闊的應(yīng)用前景。

1 射頻識別技術(shù)與WSN的融合

1.1 WSN節(jié)點(diǎn)與射頻識別讀寫器的融合

普通的射頻識別讀寫器不具備無線通信的能力，而WSN與射頻識別融合后的讀寫器不僅可以遠(yuǎn)距離的獲取到標(biāo)簽信息，而且能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信能力，即可以隨時讀取標(biāo)簽信息，采集周圍物體或環(huán)境信息，并與環(huán)境中其他節(jié)點(diǎn)自組織成多跳網(wǎng)絡(luò)，將采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)有效的傳輸給上層應(yīng)用系統(tǒng)。

標(biāo)簽和傳感器將信息收集傳送給智能站，然后智能站將信息發(fā)射給遠(yuǎn)端的LAN或者當(dāng)?shù)氐闹鳈C(jī)。射頻識別閱讀器和WSN的功能被整合為一個基站的功能，所以射頻識別和WSN采集的信息能夠在這里進(jìn)行整合。

1.2 WSN節(jié)點(diǎn)與射頻識別標(biāo)簽的融合

傳統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)不具備識別能力，而融合了標(biāo)簽的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅具備了感知、采集信息的能力，而且增添了射頻識別的能力，使得標(biāo)簽具備自主獲取信息的能力，此種模式下，融合了傳感器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽可以感知周圍物品和環(huán)境的信息，并將感知信息存儲在標(biāo)簽內(nèi)存里。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，主動式標(biāo)簽的能量源主要來自智能節(jié)點(diǎn)，它們能夠互相通信。智能節(jié)點(diǎn)可以實現(xiàn)信息處理和網(wǎng)絡(luò)管理。智能標(biāo)簽或者智能節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)以多跳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)信息到網(wǎng)關(guān)。

智能節(jié)點(diǎn)給系統(tǒng)提供能量，它可以移動也可以固定，所有系統(tǒng)對這些智能節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生依懶性。因此系統(tǒng)在這種結(jié)構(gòu)下具有較小的可靠性，這就限制了它的應(yīng)用。

2 WSN與射頻識別融合存在的問題及展望

WSN與射頻識別融合技術(shù)是一項新的技術(shù)，融合后的WSN可以利用射頻標(biāo)簽提供的唯一標(biāo)識功能來追蹤感興趣的物體，同樣，融合后的射頻識別可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來采集物體或周圍環(huán)境信息。毫無疑問，WSN與射頻識別技術(shù)的融合能夠推動更多新技術(shù)的改進(jìn)。綜合來講，此項融合技術(shù)目前還存在以下幾方面問題：（1）傳統(tǒng)的射頻識別系統(tǒng)中并沒有嵌入?yún)f(xié)議到閱讀器中，因此，閱讀器只是被動的工作，系統(tǒng)控制閱讀器的所有工作。另一方面，閱讀器體積龐大，這也一定程度上限制了它的可移動性，而且閱讀器工作的天線也是要經(jīng)過精確計算出其位置，以上這些都無疑限制了射頻識別的應(yīng)用，如果降低對讀寫器功能的要求，那么其體積就會相應(yīng)增大，成本會降低，但使用就不會方便。因此，如何避免以上弊端，提出一種新的智能節(jié)點(diǎn)傳感器迫在眉睫；（2）由于射頻識別系統(tǒng)中的碰撞問題一直是此領(lǐng)域的難題，因此對于融合WSN與射頻識別技術(shù)后的系統(tǒng)也不可避免產(chǎn)生此類問題，如果當(dāng)閱讀器發(fā)生碰撞時，射頻識別系統(tǒng)會根據(jù)已有的防碰撞協(xié)議向閱讀器或讀寫器發(fā)出控制命令。但是，讀寫器之間存在端到端的時延而無法及時回應(yīng)，這樣會加重防碰撞問題的產(chǎn)生。另外，對于網(wǎng)絡(luò)安全方面的考慮，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，潛在的安全隱患就越大，如何解決這些問題對于WSN與射頻識別的融合技術(shù)的推廣具有至關(guān)重要的作用；（3）WSN與射頻識別技術(shù)得以廣泛使用的重要步驟就是如何部署節(jié)點(diǎn)，以及部署工具和方式，如何能夠在大多數(shù)應(yīng)用中得以推廣。當(dāng)然這些工具和方式的選擇要考慮的一個重要問題就是如何高效的利用有效的資源。此外，受到市場成本的限制，如何利用最低的原料成本和最簡單有效的制造過程也是一重要難題。

3 結(jié)束語

文中給出了兩種融合射頻識別和WSN技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式，對這兩種融合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了深入的分析和比較。將射頻識別與WSN融合，可以充分利用射頻識別中的讀寫器可以較強(qiáng)的處理數(shù)據(jù)的能力，閱讀器每隔一段時間對處于其射頻范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，不論是移動或靜止，都可以廣播相應(yīng)的信號，以便觀察者隨時了解區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)情況，相對于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的機(jī)制，這種方法具有魯棒性、擴(kuò)展性強(qiáng)和收斂性等優(yōu)點(diǎn)。射頻識別和WSN可以形成自然的結(jié)合，融合二者的技術(shù)具備一些傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，如何研制靈敏度更高的傳感器節(jié)點(diǎn)，更節(jié)能的信息處理以及更持久耐用的電源等問題是下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新方向，具有更廣的應(yīng)用前景。

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作者簡介：秦貞華（1986-），女，山東棗莊人，碩士，助教，主要從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究。

作者單位：浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310053

基金項目：校級課題：融合RFID和ZIGBEE技術(shù)的智能電子手銬系統(tǒng)（項目編號：A-0271-14-004）。