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

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(cè)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(gè)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(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)要素。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由采集信息、信號(hào)的傳感器單元、處理與存儲(chǔ)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(dòng)而動(dòng)態(tài)改變。WSN也是一項(xiàng)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(shí)監(jiān)測(cè)、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(cè)對(duì)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?？梢?，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(huì)為即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代提供更多的機(jī)會(huì)和空間，有著巨大的經(jīng)濟(jì)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(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(huì)被加速度傳感器捕捉到，監(jiān)控中心在接收到信息后會(huì)對(duì)貨車司機(jī)發(fā)出警報(bào)，甚至通過控制信息自動(dòng)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(duì)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(gè)方面。前兩個(gè)方向主要涉及硬件開發(fā)，而RFID中間件是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。RFlD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(duì)原始信息的分析、過濾與傳輸；還提供安全管理、資源定位、錯(cuò)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(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，然后將采集到的識(shí)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(duì)信息采集過程的定義，對(duì)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(gè)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(shí)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(duì)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(jià)格限制了移動(dòng)和大量布置。而且，RFID閱讀器的天線必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，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。

該方案將RFID閱讀器融人到了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(cè)區(qū)域，每個(gè)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(dòng)工作，最終識(shí)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(gè)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(gè)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(tái)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(gè)靈活的傳輸協(xié)議是必須的，目前常用的是ZigBee協(xié)議。