RFID与WSN融合技术的研究

RFID与WSN融合技术的研究

秦贞华

秦贞华QINZhen-hua

（浙江机电职业技术学院计算机工程系，杭州310053）（DepartmentofComputerEngineering，ZhejiangInstituteofMechanical&ElectricalEngineering，Hangzhou310053，China）

摘要：本文探讨了RFID与WSN融合的技术，对其融合方案进行了比较，并分析了RFID与WSN相互融合的状况和发展趋势。

Abstract:ThispaperdiscussestheintegrationtechnologyofRFIDandWSN,comparestheintegrationschemes,andanalyzesthestatusanddevelopmenttrendofintegrationtechnologyofRFIDandWSN.

关键词：射频识别；无线传感器网络；融合

Keywords:RFID；wirelesssensornetwork；integration

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）20-0195-02

0引言

物联网技术是将各种信息传感设备如传感器装置、激光扫描、射频识别装置等结合互联网而形成的一个巨型网络。其目的是将万事万物都通过网络连接起来，从而可以实时实地的对物体进行识别、定位与追踪。在物联网技术提出之前，无线传感器网络技术与射频识别技术均是沿着各自的路线发展，并未探讨它们之间的兼容性，而在物联网的概念被提出之后，这两种技术不断进行融合，因此研究它们之间的协作工作方式具有重要意义。这些仪器联合地通过感知与处理的方式来收集周围环境的实时信息。射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）是普适计算中两个最为重要的组成部分，它们各自具有不同的优点和应用领域。RFID传感器网络，将RFID融入WSN中，利用无线传感器网络覆盖范围广等特点，能够实现远距离的信息识别和网络整体信息的综合管理，提高了管理效率。RFID技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和RFID国际跨国公司都在加速推动RFID技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生数千项关于RFID技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。RFID系统可以分为三部分：标签、阅读器和应用系统。按照能量供给方式的不同，RFID标签分为有源（Active）、无源（Passive）和半有源三种；按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）标签。目前国际上RFID应用以LF和HF标签产品为主；UHF标签开始规模生产，由于其具有可远距离识别和低成本的优势，有望在未来五年内成为主流；MW标签在部分国家已经得到应用。

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）通常包括传感器节点、Sink节点（汇聚节点）和管理节点。在传感器网络中，大量传感器节点随机部署在监测区域内或附近，通过自组织方式形成无线网络，以相互协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域内的有用信息，通过多跳中继方式将数据传回Sink节点，最后通过互联网或卫星链路到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务，获取监测数据[4]。

近年来，国内外已涌现了大批的无线传感器网络的应用系统和研究探索。如在自然环境监测领域方面，为了监测大堡礁海域的生态系统情况，澳大利亚墨尔本大学和詹姆斯库克大学合作展开了（GreatBarrierReef，GBR）项目研究，成功利用无线传感器网络实现了对海洋生态系统的监测和数据采集；中国海洋大学和香港科技大学合作开展的OceanSense项目，同样是面向海洋环境信息监测的无线传感器网络应用，并成功实现了对各种海洋环境信息数据的感知、实时采集及分析处理。在工业生产监测领域，美国北卡罗来纳大学在美国肯塔基州的魁北克变电所部署的大规模无线传感器网络实现了对变电所设备的健康监测。在医疗保健方面，美国CareNet项目，利用无线待感器网络对老年人的行动数据进行监测，从而实现了远程医疗保健的应用。

WSN和RFID有各自不同的特点。WSN可以感知周围环境的信息但却缺少识别物体的能力。而功能强大的RFID技术能够弥补这个不足。另一方面目前RFID的抗干扰性较差，容易发生阅读器冲撞而且有效距离较短，通常小于10m。采用主动RFID后，标签内部带电池，主动发射信号，阅读器可以不发射功率，可同时识别多个目标系统，能对100km/h的高速移动目标识别，识别范围1m~30m可调，但其距离仍然有限，这对RFID的应用是一个极大的限制。相对RFID，WSN的有效距离大得多，通常可以达到100m，考虑到RFID可以作为一种特殊的传感器，它能够融入到WSN中，形成一种混合的网络结构（RFID传感器网络），该网络结构可以兼备两种技术的优点，将有极其广阔的应用前景。由于WSN和RFID技术各自应用于不同的领域，它们几乎以并行的方式各自发展，所以要对它们两者进行融合存在着许多的难题。最大的两个问题就是阅读器冲撞和能量消耗问题。阅读器冲撞会导致系统进行不正确和无效的操作，浪费有限的能量。一个节点的电池通常不能更换，所以它的电池能量被视作为最关键的系统资源。

1RFID与WSN的协作方式

RFID与WSN有多种融合方式，而目前常见的RFID传感器网络，有四种网络结构形式。

1.1混杂式网络结构形式它将电子标签和传感器节点混杂的部署在监测区域当中。智能站收集来自标签和传感器节点的信息，然后将信息发射给当地的主机或者远端的LAN。基站整合了RFID阅读器和传统的WSN基站功能，所以RFID和WSN采集的信息能够在这里进行整合。智能站点不存在能量有限这个问题，使得部署传统的网络协议结构成为可能。由于基站结构复杂以及价格昂贵，这一点成为了整个系统的决定性因素。此网络结构可应用于在一个有限区域中，对实时性具有高要求的物体监测系统。

1.2智能节点和智能主动式标签混合网络在这种网络结构中，智能节点是智能主动式标签的能量源，它们能够互相通信。系统中最大的信息处理和网络管理功能集中在智能节点上。智能节点和智能标签都能够自动运行并且以多跳的方式发送数据信息到网关。智能节点可以固定也可以移动。但是系统的能量供给依靠这些智能节点，这就增加了对智能节点的需求。所以系统在这种结构下具有较小的可靠性，这就限制了它的应用。

1.3智能传感器标签网络结构系统的标签必须使用主动式标签。但是它们不是真正的传感器网络节点，因为它们无法通过自组织网络的形式相互合作。如果它们装入微型控制器芯片，将能够靠它们自己决定何时何地获取数据信息。所以我们用此类主动式标签替换Mica节点。该微型节点能够从一个节点到另一个节点传输数据直到最终的发射器，发射器和一个阅读器进行通信。这种由智能传感器标签组成的RFID传感器网络，相比前面的混杂式网络，不再需要复杂并且昂贵的基站。此系统提供了一个成本更低和更加灵活的管理方案。

1.4分布式智能节点网络结构智能节点包括三部分：感知部分，使用一些不同种类的传感器侦测各类物理信息；阅读部分，阅读一些电子标签；无线电发射部分，用来传输感知的数据。智能节点除了阅读一些标签，还能够部署成为一个自组织的无线传感器网络。它能够自动地运行和发送信息给汇集节点。收集的信息通过多跳的方式进行收发。由于在同一区域中，标签采集的信息是相同的，在每个传感器节点中通过一种压缩方法可以将数据压缩成为简单高效的数据。这种具有高集成度和廉价的智能节点组成的网络，相比前面两种网络，更加便宜和灵活。它能够应用于一些不需要严格实时性要求的领域，广泛应用与工业领域中，比如维护和库存清单安全。

2总结

文中给出了四种融合RFID和WSN技术的网络结构，对这四种网络结构形式进行了深入的分析和比较。在混杂式网络结构中，混合RFID阅读器和WSN的基站不受能量有限的问题，但是它结构复杂成本非常大，因此成为整个系统决定性因素。相比智能基站，分布式智能节点网络和智能主动式标签网络提供了一个更加便宜和灵活的管理方式，但是实时性的表现较差。智能节点和智能主动标签融合网络结构有别于以上三种网络。选择哪一种形式的网络必须依照成本和具体应用环境而定。

参考文献：

[1]孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]李凤保,李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报,2005,26(8):559-561.

[3]洪锋,褚红伟,金宗科,单体江,郭忠文.无线传感器网络应用系统最新进展综述[J].计算机研究与发展,2012,47(Z2):81-87.