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

國際電信聯(lián)盟提出的物聯(lián)網(wǎng)報(bào)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(shí)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(shì)。RFID 誕生較早，最初是為方便識(shí)別物品的編號(hào)信息，其標(biāo)簽結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，只存儲(chǔ)簡(jiǎn)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?cè)絹碓脚cWSN 中的節(jié)點(diǎn)接近，如果RFID 系統(tǒng)與WSN 相結(jié)合，則將會(huì)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(shí)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?jī)?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(shí)別

　　射頻識(shí)別技術(shù)（ Radio Frequency Identification,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)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(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)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(shí)別技術(shù)相比，RFID 的工作無需人工干預(yù)，可自動(dòng)工作于各種惡劣環(huán)境、對(duì)標(biāo)簽可進(jìn)行讀寫、數(shù)據(jù)加密等諸多優(yōu)越性，對(duì)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(dòng)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(chǔ)所標(biāo)識(shí)物品的身份和屬性信息，屬于被識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)設(shè)備，通常附著在被識(shí)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(shí)物品的信息通告給另一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)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(tái)、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(hào)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(shí)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(shí)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(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)洹⑿诺拉h(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)。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(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(jiǎn)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。

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(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(jiǎn)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。

　　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(jià)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)別）網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)長距離射頻識(shí)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(hào)碰撞問題。

　　該方案可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)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(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(duì)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(kuò)展，應(yīng)用于無人收費(fèi)站，智能化停車庫及珍稀動(dòng)物保護(hù)等領(lǐng)域。

　　4 結(jié)束語

　　RFID 側(cè)重識(shí)別，其標(biāo)簽具有全球惟一的標(biāo)志，利用RFID 的目標(biāo)識(shí)別功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的信息采集、標(biāo)識(shí)和管理，但同時(shí)RFID 系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾較差、實(shí)時(shí)感應(yīng)能力差，實(shí)現(xiàn)成本高等不足； WSN 可監(jiān)測(cè)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(hào)，缺乏對(duì)物品標(biāo)識(shí)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(shí)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。