RFID與WSN技術(shù)融合理論研究

摘要：RFID與WSN在技術(shù)起源上相對獨(dú)立，兩者的混合使用問題很少被考慮。文章首先對RFID與WSN的三種融合方式進(jìn)行了闡述，并給出了各種融合方式下的典型結(jié)構(gòu)；其次論述了融合過程中所要應(yīng)用的路由、中間件以及數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，給出了RFID與WSN兩者融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)；最后對WSID網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)，以期為進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：RFID；WSN；技術(shù)融合；WSID

0 引言
近年來，物聯(lián)網(wǎng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)RFID與WSN都獲得了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)領(lǐng)域。RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，涉及到多門學(xué)科、多種技術(shù)的應(yīng)用。RFID作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)，被公認(rèn)為21世紀(jì)10大重要技術(shù)之一。WSN是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的新興研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，它能夠通過集成化的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境信息。目前，兩種技術(shù)均沿著各自的技術(shù)路線探索前進(jìn)，兩者的混合使用問題很少被考慮。如何將RFID技術(shù)與WSN技術(shù)相融合，開發(fā)新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。WSN對節(jié)點(diǎn)一般都不采用全局標(biāo)識(shí)，而RFID技術(shù)對節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合共同組成WSID(Wireless Sensor Identification，無線傳感器識(shí)別)網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補(bǔ)對方的缺陷，既可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當(dāng)需要具體考慮到某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，也可以利用RFID的標(biāo)識(shí)功能輕松地找到節(jié)點(diǎn)的位置。

1 RFID與WSN融合
1．1 RFID技術(shù)
RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過無線射頻方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)對象加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它綜合了多種技術(shù)的應(yīng)用，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括無線通信、芯片設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)集成、信息安全以及數(shù)據(jù)變換與編碼等。
1．1．1 RFID系統(tǒng)組成
RFID應(yīng)用系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，包括電子標(biāo)簽、讀寫器和天線，三部分協(xié)同工作，共同完成RFID系統(tǒng)的工作。讀寫器和天線也可集成到一起，以節(jié)省成本和減小體積。

讀寫器的主要功能是讀寫電子標(biāo)簽的物體信息，它主要包括射頻模塊和讀寫模塊以及其他一些基本單元。讀寫器通過射頻模塊發(fā)送射頻信號，讀寫模塊連接射頻模塊，把射頻模塊中得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取或改寫。讀寫器還有其他的硬件設(shè)備，包括電源和時(shí)鐘等。電源用來給RFID讀寫器供電，并且通過電磁感應(yīng)可以給無源標(biāo)簽進(jìn)行供電；時(shí)鐘在進(jìn)行射頻通信時(shí)用于確定同步信息。電子標(biāo)簽由射頻模塊和控制模塊兩部分組成，射頻模塊通過內(nèi)置的天線來完成與讀寫器之間的射頻通信，控制模塊內(nèi)有一個(gè)存儲(chǔ)器，它存儲(chǔ)著標(biāo)簽內(nèi)的所有信息，并且部分信息可以通過與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換來進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改。
1．1．2 RFID的特點(diǎn)
RFID技術(shù)無須直接接觸、無須光學(xué)可視、無須人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理，操作方便快捷。RFID的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
(1)體積小型化、形狀多樣化。RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。此外，RFID標(biāo)簽更可向小型化與多樣化形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品。
(2)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。防水，防磁，耐高溫，不受環(huán)境影響，無機(jī)械磨損，壽命長，不需要以目視可見為前提，可以在那些條碼技術(shù)無法適應(yīng)的惡劣環(huán)境下使用，如高粉塵污染、野外等。
(3)可反復(fù)使用。RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)可反復(fù)修改，既可以用來傳遞一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也使得RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛟谄髽I(yè)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)重復(fù)使用，將一次性成本轉(zhuǎn)化為長期分?jǐn)偟某杀尽?br /> (4)讀寫方便。RFID標(biāo)簽無須瞄準(zhǔn)讀取，只要被置于讀取設(shè)備形成的電磁場內(nèi)就可以準(zhǔn)確讀到；RFID標(biāo)簽?zāi)艽┩讣垙?、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)，并能進(jìn)行穿透性通信；RFID每秒鐘可進(jìn)行上千次的讀取，能同時(shí)處理許多標(biāo)簽，高效且準(zhǔn)確。
1．2 WSN枝術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
1．2．1 WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
WSN系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)和管理節(jié)點(diǎn)，典型的WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)被任意部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并通過多條路由方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最終借助互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)信號送至管理節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)用戶可以通過管理節(jié)點(diǎn)查看、查詢、搜索相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。

1．2．2 WSN協(xié)議棧
隨著WSN研究的不斷深入，研究人員提出了多個(gè)WSN協(xié)議棧并且不斷地對其進(jìn)行改進(jìn)。圖3所示為早期提出的一個(gè)協(xié)議棧，該協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。另外，該協(xié)議棧還包括能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)和任務(wù)管理平臺(tái)。這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。