融合無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的長(cháng)距離射頻識別系統設計

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)鍵性應用技術(shù)，射頻識別RFID、無(wú)線(xiàn)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)鍵性應用技術(shù)前列RFID 與WSN 有著(zhù)各自不同的起源、發(fā)展和應用側重點(diǎn)，然而隨著(zhù)兩種技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID 與WSN的融合越來(lái)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，其標簽結構也很簡(jiǎn)單，只存儲簡(jiǎn)單的ID 信息，由讀卡器通過(guò)無(wú)線(xiàn)電激活。隨著(zhù)技術(shù)不斷進(jìn)步，RFID 標簽的功能變得越來(lái)越完善，逐步加入了微處理器、電池和通信傳輸協(xié)議等，這種轉變越來(lái)越與WSN 中的節點(diǎn)接近，如果RFID 系統與WSN 相結合，則將會(huì )讓標簽信息的采集更加方便和智能化，且借助WSN 強大的組網(wǎng)功能可擴大RFID 系統識別信息的傳輸范圍； 從無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的角度講，它的研究?jì)热輦戎赜诰W(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 )應用找到新的突破口，因此，RFID 系統與傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有一定的互補性，將它們結合具有重要意義。

　　1 射頻識別

　　射頻識別技術(shù)（ Radio Frequency Identification,RFID） ,作為快速、實(shí)時(shí)、準確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標準化的基礎，已經(jīng)被世界公認為本世紀十大重要技術(shù)之一。近年來(lái)，隨著(zhù)大規模集成電路、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)展潛力與應用空間，由于具有高速移動(dòng)物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點(diǎn)，RFID 技術(shù)在物流、交通、電信、農牧、民航、票據、防偽、安全和醫療等領(lǐng)域的重大工程都得到了試點(diǎn)推廣及應用，并取得了良好的效果。與其他識別技術(shù)相比，RFID 的工作無(wú)需人工干預，可自動(dòng)工作于各種惡劣環(huán)境、對標簽可進(jìn)行讀寫(xiě)、數據加密等諸多優(yōu)越性，對改善人們生活質(zhì)量，提高企業(yè)效益，加強公共安全生產(chǎn)有著(zhù)重要意義。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)一步成熟和成本進(jìn)一步降低，RFID 正逐步應用到各行各業(yè)當中，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(dòng)支付等。典型的RFID 系統如圖1 所示。

圖1 RFID 系統組成框圖

　　典型的RFID 系統一般由閱讀器、電子標簽、RFID 中間件及應用軟件系統3 部分組成。閱讀器與標簽建立雙向通信，通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線(xiàn)3 部分組成； 標簽用于存儲所標識物品的身份和屬性信息，屬于被識別物品的標識設備，通常附著(zhù)在被識別物品表面或內部，是RFID 系統的電子數據載體，由MCU、耦合線(xiàn)圈、整流濾波電路和自耦變壓器構成； 閱讀器能夠在讀取信息后將現存的被標識物品的信息通告給另一個(gè)系統，這個(gè)系統通常運行一種軟件，該軟件在閱讀器和應用層面之間，通常被稱(chēng)為RFID 中間件。中間件是連接RFID設備和企業(yè)應用程序的紐帶，也是RFID 系統的核心，中間件將基于不同平臺、不同需求的應用環(huán)境與RFID 物理設備連接起來(lái)，并提供合適的接口使之能夠進(jìn)行數據交換。根據RFID 系統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。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(cháng)距離射頻識別系統，具體應用如表1 所示。

　　2 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（ Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點(diǎn)構成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，網(wǎng)絡(luò )中各傳感器節點(diǎn)具有數據收集和將數據路由到協(xié)調器的功能。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。傳感器、感知對象和觀(guān)察者構成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的3 個(gè)要素。傳感器節點(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(méi)有預定基礎設施支撐的可重構的多跳網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )拓撲、信道環(huán)境、業(yè)務(wù)模式隨節點(diǎn)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)改變。WSN 也是一項有著(zhù)廣闊應用前景的技術(shù)，它能夠實(shí)現數據采集，處理融合和傳輸。因此，該技術(shù)可以實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內各種環(huán)境或監測對象的信息，并且其商業(yè)化進(jìn)程還在不斷發(fā)展。無(wú)線(xiàn)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(lái)越多的相似性?？梢?jiàn)，將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)RFID 相結合具有實(shí)際應用意義，會(huì )為即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代提供更多的機會(huì )和空間，有著(zhù)巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )意義，如RFID 和溫度、濕度或加速度傳感器聯(lián)合使用，不僅可以監控物品的運輸，而且還可將運輸過(guò)程中貯存溫度不達標、食品過(guò)期等信息通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò )送至監控中心； 載送物品貨車(chē)行駛速度過(guò)快的相關(guān)信息也會(huì )被加速度傳感器捕捉到，監控中心在接收到信息后會(huì )對貨車(chē)司機發(fā)出警報，甚至通過(guò)控制信息自動(dòng)控制貨車(chē)速度達到正常水平。

　　3 融合WSN 的RFID 系統

　　當前對RFID 技術(shù)的深入研究主要集中在標簽、閱讀器和RFID 中間件3 個(gè)方面。前兩個(gè)方向主要涉及硬件開(kāi)發(fā)，而RFID 中間件是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。RFID 中間件技術(shù)扮演了閱讀器和應用層面中介的角色，提供對原始信息的分析、過(guò)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(jiǎn)單地將原始標簽信息從射頻標簽中讀出，并不進(jìn)行處理和傳送； 如果要與應用層面進(jìn)行交互，必須由其他設備和軟件完成。如何將上層應用與閱讀器連接是部署RFID 應用的關(guān)鍵問(wèn)題。在實(shí)際工作中，閱讀器對標簽進(jìn)行讀寫(xiě)，然后將采集到的識別數據傳送給服務(wù)器，在各種RFID 規范當中，絕大多數是對信息采集過(guò)程的定義，對信息如何傳送給服務(wù)器的環(huán)節并沒(méi)有很多限制，即RFID 中間件如何實(shí)現，這個(gè)環(huán)節是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )融合入RFID 系統的研究重點(diǎn)，完全可以讓W(xué)SN 與RFID 系統協(xié)同工作，使RFID 閱讀器充當WSN 節點(diǎn)的角色，即構建智能節點(diǎn),將識別到的標簽信息通過(guò)WSN進(jìn)行傳輸，這種應用既有RFID 系統的功能，又具有WSN 成本低、部署方便、傳輸距離遠等特點(diǎn)，即WSN 作為RFID 中間件實(shí)現數據向RFID 服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò )傳送，以此來(lái)擴展RFID 系統的應用范圍。對于目前RFID 系統中的閱讀器來(lái)說(shuō)，只能在本地控制系統的控制下工作，它龐大的體積，昂貴的價(jià)格限制了移動(dòng)和大量布置。而且，RFID 閱讀器的天線(xiàn)必須仔細設計，以便可以覆蓋到范圍內所有的標簽，還要防止不同閱讀器天線(xiàn)之間的碰撞。這些不利因素都限制了RFID 的進(jìn)一步應用。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，一種分布式智能節點(diǎn)的構建如圖2 所示。

圖2 分布式智能節點(diǎn)工作示意圖

　　該方案將RFID 閱讀器融入到了WSN 的節點(diǎn)中，建立了智能節點(diǎn),可看作融合前WSN 的路由器節點(diǎn)，智能節點(diǎn)很小，可以較密散布在待測區域，每個(gè)智能節點(diǎn)讀取少量標簽。由于標簽數據的相似性，智能節點(diǎn)可以獲得較高的數據壓縮率。智能節點(diǎn)自動(dòng)工作，最終識別數據以自組網(wǎng)多跳的方式傳輸到匯聚節點(diǎn)（ Sink Node） ,也稱(chēng)協(xié)調器節點(diǎn)。智能節點(diǎn)工作示意圖，如圖2 所示。

　　每個(gè)智能節點(diǎn)包括傳感部分、RFID 讀寫(xiě)部分、中央控制部分和通信部分。智能節點(diǎn)可以布置到一個(gè)自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，自主運行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送數據給后臺服務(wù)器。所有智能節點(diǎn)是同構的，因此可以使用簡(jiǎn)單高效的數據壓縮方法。最后，一個(gè)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)議層結構示意圖，顯示了兩者融合的可行性和價(jià)值所在，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與RFID 系統相結合，將RFID 的識別信息通過(guò)WSN 網(wǎng)絡(luò )，傳輸到RFID 服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò )。

圖3 融合了WSN 的RFID 系統示意圖

　　WSN 與RFID 技術(shù)結合后，利用WSN 的自組網(wǎng)、節點(diǎn)定位、數據傳輸功能，不僅確保數據的完整性，還能彌補RFID 高成本以及須依靠閱讀器方能識別數據，在一些惡劣或者敏感環(huán)境，傳感器的自主感應及傳送信息的能力可以解決讀寫(xiě)器無(wú)法工作的問(wèn)題，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )具有自組織性和自適應性。將WSN 和RFID結合起來(lái)，利用WSN 高達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)現長(cháng)距離射頻識別系統，其應用前景廣闊；二者融合還能有效解決RFID 系統的信號碰撞問(wèn)題。

　　該方案可快速實(shí)現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(dòng)擴展網(wǎng)絡(luò )； 在提高港口工作效率的前提下，節約運行成本，對于集裝箱管理、大型軍事倉庫管理的信息化和自動(dòng)化具有重大意義。此融合方案還可以方便地進(jìn)行擴展，應用于無(wú)人收費站，智能化停車(chē)庫及珍稀動(dòng)物保護等領(lǐng)域。

　　4 結束語(yǔ)

　　RFID 側重識別，其標簽具有全球惟一的標志，利用RFID 的目標識別功能，可實(shí)現對目標的信息采集、標識和管理，但同時(shí)RFID 系統具有讀寫(xiě)距離有限、抗干擾較差、實(shí)時(shí)感應能力差，實(shí)現成本高等不足； WSN 可監測感應到各種信息，側重組網(wǎng)和信息的傳遞，但傳感器節點(diǎn)不一定具有全球惟一的標志，它們往往只有域內標志號，缺乏對物品標識的能力，無(wú)法獲得目標詳細信息，二者的融合可實(shí)現長(cháng)距離的射頻識別系統。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)規劃已列入國家十二五的專(zhuān)題規劃，未來(lái)我國要發(fā)展寬帶、融合、安全的下一代國家信息網(wǎng)絡(luò )基礎設施，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的應用。目前正圍繞物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、標準、應用示范等工作做相關(guān)的推進(jìn)工作。