融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)的長距離射頻識別系統(tǒng)設(shè)計

國際電信聯(lián)盟提出的物聯(lián)網(wǎng)報告指出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有4 大關(guān)鍵性應(yīng)用技術(shù)，射頻識別RFID、無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN、智能技術(shù)及納米技術(shù)。其中RFID 和WSN 位于4 大關(guān)鍵性應(yīng)用技術(shù)前列RFID 與WSN 有著各自不同的起源、發(fā)展和應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)，然而隨著兩種技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID 與WSN的融合越來越成為一種趨勢。RFID 誕生較早，最初是為方便識別物品的編號信息，其標(biāo)簽結(jié)構(gòu)也很簡單，只存儲簡單的ID 信息，由讀卡器通過無線電激活。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，RFID 標(biāo)簽的功能變得越來越完善，逐步加入了微處理器、電池和通信傳輸協(xié)議等，這種轉(zhuǎn)變越來越與WSN 中的節(jié)點(diǎn)接近，如果RFID 系統(tǒng)與WSN 相結(jié)合，則將會讓標(biāo)簽信息的采集更加方便和智能化，且借助WSN 強(qiáng)大的組網(wǎng)功能可擴(kuò)大RFID 系統(tǒng)識別信息的傳輸范圍； 從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的角度講，它的研究內(nèi)容側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)連接和傳感信息的收集，RFID 技術(shù)的加入，則使得傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用找到新的突破口，因此，RFID 系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有一定的互補(bǔ)性，將它們結(jié)合具有重要意義。

　　1 射頻識別

　　射頻識別技術(shù)（ Radio Frequency Identification,RFID） ,作為快速、實(shí)時、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。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，RFID 技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，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)，RFID 技術(shù)在物流、交通、電信、農(nóng)牧、民航、票據(jù)、防偽、安全和醫(yī)療等領(lǐng)域的重大工程都得到了試點(diǎn)推廣及應(yīng)用，并取得了良好的效果。與其他識別技術(shù)相比，RFID 的工作無需人工干預(yù)，可自動工作于各種惡劣環(huán)境、對標(biāo)簽可進(jìn)行讀寫、數(shù)據(jù)加密等諸多優(yōu)越性，對改善人們生活質(zhì)量，提高企業(yè)效益，加強(qiáng)公共安全生產(chǎn)有著重要意義。隨著技術(shù)進(jìn)一步成熟和成本進(jìn)一步降低，RFID 正逐步應(yīng)用到各行各業(yè)當(dāng)中，尤其是政府推行的公共事業(yè)管理等眾多領(lǐng)域，如金融IC 卡、交通一卡通和移動支付等。典型的RFID 系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)組成框圖

　　典型的RFID 系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標(biāo)簽、RFID 中間件及應(yīng)用軟件系統(tǒng)3 部分組成。閱讀器與標(biāo)簽建立雙向通信，通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線3 部分組成； 標(biāo)簽用于存儲所標(biāo)識物品的身份和屬性信息，屬于被識別物品的標(biāo)識設(shè)備，通常附著在被識別物品表面或內(nèi)部，是RFID 系統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)載體，由MCU、耦合線圈、整流濾波電路和自耦變壓器構(gòu)成； 閱讀器能夠在讀取信息后將現(xiàn)存的被標(biāo)識物品的信息通告給另一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通常運(yùn)行一種軟件，該軟件在閱讀器和應(yīng)用層面之間，通常被稱為RFID 中間件。中間件是連接RFID設(shè)備和企業(yè)應(yīng)用程序的紐帶，也是RFID 系統(tǒng)的核心，中間件將基于不同平臺、不同需求的應(yīng)用環(huán)境與RFID 物理設(shè)備連接起來，并提供合適的接口使之能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)RFID 系統(tǒng)中射頻信號耦合方式的不同可分為電感耦合和電磁反向散射耦合方式，電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。電磁反向散射耦合方式一般適合于特高頻、超高頻工作的長距離射頻識別系統(tǒng)，具體應(yīng)用如表1 所示。

　　2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，通過無線通信形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)收集和將數(shù)據(jù)路由到協(xié)調(diào)器的功能。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3 個要素。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由采集信息、信號的傳感器單元、處理與存儲單元、收發(fā)單元、電源單元、相關(guān)支持軟件等功能模塊組成。自組織網(wǎng)絡(luò)是一種沒有預(yù)定基礎(chǔ)設(shè)施支撐的可重構(gòu)的多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信道環(huán)境、業(yè)務(wù)模式隨節(jié)點(diǎn)的移動而動態(tài)改變。WSN 也是一項有著廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集，處理融合和傳輸。因此，該技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并且其商業(yè)化進(jìn)程還在不斷發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID 技術(shù)的不斷發(fā)展，在技術(shù)方面具有越來越多的相似性。可見，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)RFID 相結(jié)合具有實(shí)際應(yīng)用意義，會為即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代提供更多的機(jī)會和空間，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義，如RFID 和溫度、濕度或加速度傳感器聯(lián)合使用，不僅可以監(jiān)控物品的運(yùn)輸，而且還可將運(yùn)輸過程中貯存溫度不達(dá)標(biāo)、食品過期等信息通過信息網(wǎng)絡(luò)送至監(jiān)控中心； 載送物品貨車行駛速度過快的相關(guān)信息也會被加速度傳感器捕捉到，監(jiān)控中心在接收到信息后會對貨車司機(jī)發(fā)出警報，甚至通過控制信息自動控制貨車速度達(dá)到正常水平。

　　3 融合WSN 的RFID 系統(tǒng)

　　當(dāng)前對RFID 技術(shù)的深入研究主要集中在標(biāo)簽、閱讀器和RFID 中間件3 個方面。前兩個方向主要涉及硬件開發(fā)，而RFID 中間件是目前的一個研究熱點(diǎn)。RFID 中間件技術(shù)扮演了閱讀器和應(yīng)用層面中介的角色，提供對原始信息的分析、過濾與傳輸； 還提供安全管理、資源定位、錯誤處理和沖突解除等功能。由于RFID 閱讀器只是簡單地將原始標(biāo)簽信息從射頻標(biāo)簽中讀出，并不進(jìn)行處理和傳送； 如果要與應(yīng)用層面進(jìn)行交互，必須由其他設(shè)備和軟件完成。如何將上層應(yīng)用與閱讀器連接是部署RFID 應(yīng)用的關(guān)鍵問題。在實(shí)際工作中，閱讀器對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，然后將采集到的識別數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，在各種RFID 規(guī)范當(dāng)中，絕大多數(shù)是對信息采集過程的定義，對信息如何傳送給服務(wù)器的環(huán)節(jié)并沒有很多限制，即RFID 中間件如何實(shí)現(xiàn)，這個環(huán)節(jié)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合入RFID 系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，完全可以讓W(xué)SN 與RFID 系統(tǒng)協(xié)同工作，使RFID 閱讀器充當(dāng)WSN 節(jié)點(diǎn)的角色，即構(gòu)建智能節(jié)點(diǎn),將識別到的標(biāo)簽信息通過WSN進(jìn)行傳輸，這種應(yīng)用既有RFID 系統(tǒng)的功能，又具有WSN 成本低、部署方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，即WSN 作為RFID 中間件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向RFID 服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)傳送，以此來擴(kuò)展RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。對于目前RFID 系統(tǒng)中的閱讀器來說，只能在本地控制系統(tǒng)的控制下工作，它龐大的體積，昂貴的價格限制了移動和大量布置。而且，RFID 閱讀器的天線必須仔細(xì)設(shè)計，以便可以覆蓋到范圍內(nèi)所有的標(biāo)簽，還要防止不同閱讀器天線之間的碰撞。這些不利因素都限制了RFID 的進(jìn)一步應(yīng)用。如果能夠削減RFID 閱讀器的部分功能，可以使得閱讀器成本降低且容易布置。因此，一種分布式智能節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建如圖2 所示。

圖2 分布式智能節(jié)點(diǎn)工作示意圖

　　該方案將RFID 閱讀器融入到了WSN 的節(jié)點(diǎn)中，建立了智能節(jié)點(diǎn),可看作融合前WSN 的路由器節(jié)點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)很小，可以較密散布在待測區(qū)域，每個智能節(jié)點(diǎn)讀取少量標(biāo)簽。由于標(biāo)簽數(shù)據(jù)的相似性，智能節(jié)點(diǎn)可以獲得較高的數(shù)據(jù)壓縮率。智能節(jié)點(diǎn)自動工作，最終識別數(shù)據(jù)以自組網(wǎng)多跳的方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)（ Sink Node） ,也稱協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。智能節(jié)點(diǎn)工作示意圖，如圖2 所示。

　　每個智能節(jié)點(diǎn)包括傳感部分、RFID 讀寫部分、中央控制部分和通信部分。智能節(jié)點(diǎn)可以布置到一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，自主運(yùn)行，通過網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)給后臺服務(wù)器。所有智能節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，因此可以使用簡單高效的數(shù)據(jù)壓縮方法。最后，一個靈活的傳輸協(xié)議是必須的，目前常用的是ZigBee 協(xié)議。

　　圖3 給出了WSN 與RFID 的融合方案協(xié)議層結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了兩者融合的可行性和價值所在，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID 系統(tǒng)相結(jié)合，將RFID 的識別信息通過WSN 網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)絉FID 服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)。

圖3 融合了WSN 的RFID 系統(tǒng)示意圖

　　WSN 與RFID 技術(shù)結(jié)合后，利用WSN 的自組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)定位、數(shù)據(jù)傳輸功能，不僅確保數(shù)據(jù)的完整性，還能彌補(bǔ)RFID 高成本以及須依靠閱讀器方能識別數(shù)據(jù)，在一些惡劣或者敏感環(huán)境，傳感器的自主感應(yīng)及傳送信息的能力可以解決讀寫器無法工作的問題，使整個網(wǎng)絡(luò)具有自組織性和自適應(yīng)性。將WSN 和RFID結(jié)合起來，利用WSN 高達(dá)100 m 的有效半徑，形成WSID（ Wireless Sensor Identification,傳感射頻識別）網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)長距離射頻識別系統(tǒng)，其應(yīng)用前景廣闊；二者融合還能有效解決RFID 系統(tǒng)的信號碰撞問題。

　　該方案可快速實(shí)現(xiàn)對集裝箱的信息采集、定位、快速進(jìn)出港、可在港口快速安裝和自動擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)； 在提高港口工作效率的前提下，節(jié)約運(yùn)行成本，對于集裝箱管理、大型軍事倉庫管理的信息化和自動化具有重大意義。此融合方案還可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展，應(yīng)用于無人收費(fèi)站，智能化停車庫及珍稀動物保護(hù)等領(lǐng)域。

　　4 結(jié)束語

　　RFID 側(cè)重識別，其標(biāo)簽具有全球惟一的標(biāo)志，利用RFID 的目標(biāo)識別功能，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的信息采集、標(biāo)識和管理，但同時RFID 系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾較差、實(shí)時感應(yīng)能力差，實(shí)現(xiàn)成本高等不足； WSN 可監(jiān)測感應(yīng)到各種信息，側(cè)重組網(wǎng)和信息的傳遞，但傳感器節(jié)點(diǎn)不一定具有全球惟一的標(biāo)志，它們往往只有域內(nèi)標(biāo)志號，缺乏對物品標(biāo)識的能力，無法獲得目標(biāo)詳細(xì)信息，二者的融合可實(shí)現(xiàn)長距離的射頻識別系統(tǒng)。RFID 和WSN 具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，它們都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組部分，2010 年10 月，物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃已列入國家十二五的專題規(guī)劃，未來我國要發(fā)展寬帶、融合、安全的下一代國家信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。目前正圍繞物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用示范等工作做相關(guān)的推進(jìn)工作。