RFID與WSN技術(shù)融合理論研究

2 WSID關(guān)鍵技術(shù)分析
RFID與WSN的三種融合方式解決的是兩者融合結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，但是兩者融合技術(shù)層面的問(wèn)題也是關(guān)鍵。在融合過(guò)程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有路由技術(shù)、中間件技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合等。
2．1 路由技術(shù)
路由協(xié)議的作用是尋找從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著最佳路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議的功能主要有兩個(gè)方面：一是搜索滿足條件的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑：二是轉(zhuǎn)發(fā)資料分組。目前，研究人員根據(jù)路由協(xié)議自身的特點(diǎn)以及應(yīng)用類型等，將路由協(xié)議分為以下幾個(gè)類型。
2．1．1 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
該協(xié)議設(shè)計(jì)主要考慮用戶是否能夠方便決捷地查詢數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，終端用戶往往只關(guān)心所采集的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心這些數(shù)據(jù)具體是從哪一個(gè)節(jié)電傳送的，用戶(查詢節(jié)點(diǎn))只需向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一條查詢命令，網(wǎng)絡(luò)就將所查詢的數(shù)據(jù)反饋給用戶。
2．1．2 基于層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議
該協(xié)議將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分為多個(gè)級(jí)別，同級(jí)節(jié)點(diǎn)間可以相互交換數(shù)據(jù)。在路由選擇中，低一級(jí)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至簇頭節(jié)點(diǎn)(高一級(jí)節(jié)點(diǎn))，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少冗余數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。
2．1．3 基于地理信息的路由協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)利用GPS設(shè)備、三角定位系統(tǒng)等獲知自身所在的地理坐標(biāo)。在進(jìn)行路由選擇時(shí)，節(jié)點(diǎn)合理利用這些地理信息，從而將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)特定區(qū)域而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)能耗。
2．1．4 基于多路徑的路由協(xié)議
在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通過(guò)增加傳輸?shù)穆窂綌?shù)，可以增加網(wǎng)絡(luò)的等效帶寬，縮短傳輸時(shí)延。對(duì)于WSID網(wǎng)絡(luò)，多路徑路由協(xié)議可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且可以將傳輸能耗分?jǐn)傇诟嗟墓?jié)點(diǎn)上。
在WSID網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力有限，對(duì)能耗和QoS有一定的要求，因此WSID的路由協(xié)議優(yōu)化尤為重要。李陶深等在選播通信被規(guī)定為IPv6中的一種標(biāo)準(zhǔn)通信模型的背景下，提出了一種選播通信服務(wù)模型，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新的基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)選播路由算法。該算法能以較短的時(shí)延達(dá)到局部最優(yōu)，較好地平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)搜索速度和網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，改善了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。凌啟東等則認(rèn)為上述算法較為復(fù)雜，需要較高的計(jì)算能力，在WSID網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中也存在缺陷。他們?cè)诖嘶A(chǔ)上建立了基于WSID網(wǎng)絡(luò)路由算法的問(wèn)題模型，提出了兩種基于遺傳算法的不同編碼的路由算法，分析了各自的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于實(shí)數(shù)編碼的路由優(yōu)化方法更適合在WSID網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
2．2 中間件技術(shù)
WSID網(wǎng)絡(luò)中間件的作用主要是按照一定的規(guī)則篩選過(guò)濾數(shù)據(jù)(刪除冗余數(shù)據(jù))，將真正有效的數(shù)據(jù)發(fā)送到上層的應(yīng)用程序，以供用戶查詢使用?；诖?，WSID網(wǎng)絡(luò)中間件的功能要求主要包括三點(diǎn)：第一是能夠?qū)⒌讓拥拇罅吭紨?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)層層過(guò)濾最終得到對(duì)上層應(yīng)用有意義的數(shù)據(jù)；第二是采用分層的過(guò)濾方式并能夠得到不同層次的有意義數(shù)據(jù)；第三是用戶可以針對(duì)具體的應(yīng)用需求，在不同層次設(shè)置數(shù)據(jù)的過(guò)濾條件。
中間件技術(shù)的核心是如何獲得有意義的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理以數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜事件處理等理論為基礎(chǔ)，針對(duì)原始數(shù)據(jù)規(guī)模大和原始數(shù)據(jù)包含的語(yǔ)義信息少兩個(gè)問(wèn)題，有效地減少數(shù)據(jù)冗余，從而為上層應(yīng)用提供適合的語(yǔ)義信息。圖8給出了典型的數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。

RFID與WSN技術(shù)融合形成WSID網(wǎng)絡(luò)是推動(dòng)構(gòu)建泛在計(jì)算世界的重要一步，而中間件技術(shù)為交互雙方動(dòng)態(tài)的感知上下文信息提供了便利。中間件技術(shù)能將數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)分離，使應(yīng)用系統(tǒng)專注于交互業(yè)務(wù)的流程和處理，而不再局限于修改以適應(yīng)各種不同的數(shù)據(jù)采集方式。
2．3 數(shù)據(jù)融合
WSN的基本功能是收集并返回傳感器節(jié)點(diǎn)所在監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種各樣的信息，RFID數(shù)據(jù)則總是和時(shí)問(wèn)、空間相聯(lián)系，兩種技術(shù)融合構(gòu)建的新網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)規(guī)模很大且精度不高。
數(shù)據(jù)融合技術(shù)利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力去除冗余信息，對(duì)多份相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，為上層應(yīng)用提供更有效、更符合用戶需求的信息。
數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與WSN的多個(gè)協(xié)議層進(jìn)行結(jié)合：減少M(fèi)AC層的發(fā)送沖突和頭部開(kāi)銷(xiāo)可以達(dá)到節(jié)省能量的目的；路由層結(jié)合數(shù)據(jù)融合機(jī)制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量；應(yīng)用層利用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步篩選，可以達(dá)到融合的效果。
數(shù)據(jù)融合的功效可以用以下幾個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量：
(1)準(zhǔn)確性。在匯聚節(jié)點(diǎn)得到的值和真實(shí)值之差，準(zhǔn)確度可以表示為差、比值、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，或其他根據(jù)特定的情況所得到的值。
(2)等待時(shí)間。因?yàn)橹虚g節(jié)點(diǎn)可能會(huì)等待數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)融合會(huì)延長(zhǎng)報(bào)告的等待時(shí)間。
(3)信息開(kāi)銷(xiāo)。數(shù)據(jù)融合最重要的優(yōu)點(diǎn)就是能減小信息開(kāi)銷(xiāo)，從而提高能量效率和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。
目前，數(shù)據(jù)融合的方法有很多，大概包括統(tǒng)計(jì)和估計(jì)類融合方法、采用信息論的融合方法以及其他融合方法。但是，物聯(lián)網(wǎng)感知層在感知多源信息時(shí)，尚沒(méi)有一種很好的融合方法。針對(duì)這一問(wèn)題，李杰等通過(guò)引入數(shù)據(jù)融合器，提出了一種將電子產(chǎn)品編碼和環(huán)境參數(shù)建立映射關(guān)系的方法。將該方法應(yīng)用于超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，對(duì)其編碼并且構(gòu)建原型系統(tǒng)，該方法能夠明顯提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行省?br />
3 WSID存在問(wèn)題及展望
毫無(wú)疑問(wèn)，RFID與WSN融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)將推動(dòng)更多的技術(shù)改進(jìn)，促進(jìn)新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用的產(chǎn)生。WSID網(wǎng)絡(luò)不僅能夠揭示監(jiān)測(cè)對(duì)象的位置和身份，而且能夠顯示對(duì)象當(dāng)前所處的環(huán)境狀態(tài)。然而，要將WSID應(yīng)用于環(huán)境控制和工業(yè)生產(chǎn)中，我們必須要付出更多的努力。綜合起來(lái)講，RFID與WSN融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)目前還存在以下幾方面的問(wèn)題：
(1)RFID系統(tǒng)中的通信接口遵循EPCGlobal定制的C1G2協(xié)議或者ISO18000；標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼遵循EPC編碼標(biāo)準(zhǔn)；而WSN通信接口和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)格式遵循802．15．4或者Zigbee等協(xié)議。RFID與WSN采用了兩種不同的協(xié)議，會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議的不兼容等問(wèn)題。IntelliSense RFID方案在這一方向具有首創(chuàng)精神，它的目標(biāo)是發(fā)展RFID設(shè)備的多重協(xié)議，使得設(shè)備能夠與不同的通信協(xié)議工作在不同的頻率帶寬下。
(2)WSID要想獲得廣泛應(yīng)用，對(duì)于解決一些公開(kāi)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)是非常重要的。例如，在閱讀器與WSN節(jié)點(diǎn)的融合方式中，當(dāng)發(fā)生閱讀器讀寫(xiě)碰撞時(shí)，RFID系統(tǒng)會(huì)根據(jù)防碰撞協(xié)議向閱讀器發(fā)出控制命令。但是，閱讀器會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間的端到端時(shí)延而無(wú)法及時(shí)做出響應(yīng)，從而使閱讀器的碰撞問(wèn)題更加嚴(yán)重。另外，WSID網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線設(shè)備數(shù)量越多，潛在的安全性等隱患就越大，如何解決這些問(wèn)題對(duì)于WSID的推廣應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。
(3)WSID能夠廣泛使用的一個(gè)重要步驟是部署工具、方法和方式，它們必須能夠普遍使用在大部分應(yīng)用中。同時(shí)，當(dāng)配置這些工具方法和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還要重點(diǎn)考慮有限資源的限制問(wèn)題。此外，由于市場(chǎng)受到成本的驅(qū)使，WSID網(wǎng)絡(luò)將很大程度上依靠最低的原料成本和簡(jiǎn)單有效的制造過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)
WSID繼承了RFID利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)的特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了WSN主動(dòng)感知與通信的功能。WSID能夠主動(dòng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，必要的時(shí)候能夠主動(dòng)發(fā)出警報(bào)?？梢?jiàn)，將WSN與RFID技術(shù)融合來(lái)構(gòu)建WSID網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景不可限量。