李慧貞

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安 710021)

國際電信聯(lián)盟提出的“物聯(lián)網(wǎng)”報告指出，物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展有4大關鍵性應用技術，射頻識別RFID、無線傳感網(wǎng)絡WSN、智能技術及納米技術。其中RFID和WSN位于4大關鍵性應用技術前列[1]。RFID與WSN有著各自不同的起源、發(fā)展和應用側重點，然而隨著兩種技術的不斷發(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，其標簽結構也很簡單，只存儲簡單的ID信息，由讀卡器通過無線電激活。隨著技術不斷進步，RFID標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，這種轉變越來越與WSN中的節(jié)點接近，如果RFID系統(tǒng)與WSN相結合，則將會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(tǒng)識別信息的傳輸范圍;從無線傳感器網(wǎng)絡的角度講，它的研究內(nèi)容側重于網(wǎng)絡連接和傳感信息的收集，RFID技術的加入，則使得傳感器網(wǎng)絡應用找到新的突破口，因此，RFID系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡技術具有一定的互補性，將它們結合具有重要意義。

1 射頻識別

射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)，作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術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之一[2-3]。近年來，隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡通信、信息安全等技術的發(fā)展，RFID技術顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應用空間，由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，RFID技術在物流、交通、電信、農(nóng)牧、民航、票據(jù)、防偽、安全和醫(yī)療等領域的重大工程都得到了試點推廣及應用，并取得了良好的效果。與其他識別技術相比，RFID的工作無需人工干預，可自動工作于各種惡劣環(huán)境、對標簽可進行讀寫、數(shù)據(jù)加密等諸多優(yōu)越性，對改善人們生活質量，提高企業(yè)效益，加強公共安全生產(chǎn)有著重要意義。隨著技術進一步成熟和成本進一步降低，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、電子標簽、RFID中間件及應用軟件系統(tǒng)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成;閱讀器能夠在讀取信息后將現(xiàn)存的被標識物品的信息通告給另一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)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(tǒng)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，并提供合適的接口使之能夠進行數(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)，具體應用如表1所示。

表1 RFID標簽的工作頻率及典型應用

2 無線傳感網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡(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)點構成，通過無線通信形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，網(wǎng)絡中各傳感器節(jié)點具有數(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成了無線傳感器網(wǎng)絡的3個要素。傳感器節(jié)點一般由采集信息、信號的傳感器單元、處理與存儲單元、收發(fā)單元、電源單元、相關支持軟件等功能模塊組成。自組織網(wǎng)絡是一種沒有預定基礎設施支撐的可重構的多跳網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲、信道環(huán)境、業(yè)務模式隨節(jié)點的移動而動態(tài)改變。WSN也是一項有著廣闊應用前景的技術，它能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，處理融合和傳輸。因此，該技術可以實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并且其商業(yè)化進程還在不斷發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡和RFID技術的不斷發(fā)展，在技術方面具有越來越多的相似性?？梢?，將無線傳感器網(wǎng)絡技術RFID相結合具有實際應用意義，會為即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代提供更多的機會和空間，有著巨大的經(jīng)濟效益和社會意義，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)控物品的運輸，而且還可將運輸過程中貯存溫度不達標、食品過期等信息通過信息網(wǎng)絡送至監(jiān)控中心;載送物品貨車行駛速度過快的相關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發(fā)出警報，甚至通過控制信息自動控制貨車速度達到正常水平。

3 融合WSN的RFID系統(tǒng)

當前對RFID技術的深入研究主要集中在標簽、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。RFID中間件技術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簽信息從射頻標簽中讀出，并不進行處理和傳送;如果要與應用層面進行交互，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應用的關鍵問題。在實際工作中，閱讀器對標簽進行讀寫，然后將采集到的識別數(shù)據(jù)傳送給服務器，在各種RFID規(guī)范當中，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器的環(huán)節(jié)并沒有很多限制，即RFID中間件如何實現(xiàn)，這個環(huán)節(jié)是無線傳感器網(wǎng)絡融合入RFID系統(tǒng)的研究重點，完全可以讓WSN與RFID系統(tǒng)協(xié)同工作，使RFID閱讀器充當WSN節(jié)點的角色，即構建“智能節(jié)點”，將識別到的標簽信息通過WSN進行傳輸，這種應用既有RFID系統(tǒng)的功能，又具有WSN成本低、部署方便、傳輸距離遠等特點，即WSN作為RFID中間件實現(xiàn)數(shù)據(jù)向RFID服務器或其他網(wǎng)絡傳送，以此來擴展RFID系統(tǒng)的應用范圍。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設計，以便可以覆蓋到范圍內(nèi)所有的標簽，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(jié)點的構建如圖2所示。

圖2 分布式智能節(jié)點工作示意圖

該方案將RFID閱讀器融入到了WSN的節(jié)點中，建立了“智能節(jié)點”，可看作融合前WSN的路由器節(jié)點，智能節(jié)點很小，可以較密散布在待測區(qū)域，每個智能節(jié)點讀取少量標簽。由于標簽數(shù)據(jù)的相似性，智能節(jié)點可以獲得較高的數(shù)據(jù)壓縮率。智能節(jié)點自動工作，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(Sink Node)，也稱協(xié)調(diào)器節(jié)點。智能節(jié)點工作示意圖，如圖2所示。

每個智能節(jié)點包括傳感部分、RFID讀寫部分、中央控制部分和通信部分。智能節(jié)點可以布置到一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡中，自主運行，通過網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)給后臺服務器。所有智能節(jié)點是同構的，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)議層結構示意圖，顯示了兩者融合的可行性和價值所在，無線傳感器網(wǎng)絡與RFID系統(tǒng)相結合，將RFID的識別信息通過WSN網(wǎng)絡，傳輸?shù)絉FID服務器或其他網(wǎng)絡。

圖3 融合了WSN的RFID系統(tǒng)示意圖

WSN與RFID技術結合后，利用WSN的自組網(wǎng)、節(jié)點定位、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)絡具有自組織性和自適應性。將WSN和RFID結合起來，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，實現(xiàn)長距離射頻識別系統(tǒng)，其應用前景廣闊;二者融合還能有效解決RFID系統(tǒng)的信號碰撞問題。該方案可快速實現(xiàn)對集裝箱的信息采集、定位、快速進出港、可在港口快速安裝和自動擴展網(wǎng)絡;在提高港口工作效率的前提下，節(jié)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化具有重大意義。此融合方案還可以方便地進行擴展，應用于無人收費站，智能化停車庫及珍稀動物保護等領域。

4 結束語

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，可實現(xiàn)對目標的信息采集、標識和管理，但同時RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾較差、實時感應能力差，實現(xiàn)成本高等不足;WSN可監(jiān)測感應到各種信息，側重組網(wǎng)和信息的傳遞，但傳感器節(jié)點不一定具有全球惟一的標志，它們往往只有域內(nèi)標志號，缺乏對物品標識的能力，無法獲得目標詳細信息，二者的融合可實現(xiàn)長距離的射頻識別系統(tǒng)。RFID和WSN具有不同的技術特點，它們都是物聯(lián)網(wǎng)技術的重要組部分，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)絡基礎設施，推進物聯(lián)網(wǎng)的應用。目前正圍繞物聯(lián)網(wǎng)的技術、標準、應用示范等工作做相關的推進工作。2011年4月，我國十大城市的“十二五”規(guī)劃綱要紛紛正式發(fā)布，對“新一代信息技術產(chǎn)業(yè)”發(fā)展進行了全面準確地定位，清晰地規(guī)劃了城市物聯(lián)網(wǎng)未來5年的發(fā)展。故RFID和WSN的相互融合和系統(tǒng)集成將極大地推動物聯(lián)網(wǎng)的應用，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供更多的機會和空間。

[1]寧煥生，王炳輝.RFID重大工程與國家物聯(lián)網(wǎng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[2]周柏春.論RFID技術在產(chǎn)品防偽上的應用[J].天津科技，2008(l):60-61.

[3]韓立毛，趙躍華，錢宇力.基于RFID技術的物品跟蹤識別方案研究[J].通信技術，2009，42(10):142-144.

[4]蕭榮興，蘇偉仁，許育嘉.RFID技術運作的神經(jīng)中樞——RFID中間件[J]. 信息與電腦，2005，(9):36-37.

[5]丁振華，羅海勇，馮波，等.RFID系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)處理綜述[J].計算機應用研究，2008，25(3):660-665，673.

[6]王志良.物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在與未來[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.