RFID與WSN技術(shù)融合理論研究

摘要：RFID與WSN在技術(shù)起源上相對獨立，兩者的混合使用問題很少被考慮。文章首先對RFID與WSN的三種融合方式進行了闡述，并給出了各種融合方式下的典型結(jié)構(gòu)；其次論述了融合過程中所要應用的路由、中間件以及數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，給出了RFID與WSN兩者融合形成的WSID網(wǎng)絡；最后對WSID網(wǎng)絡的發(fā)展方向進行了總結(jié)，以期為進一步的研究奠定基礎。
關(guān)鍵詞：RFID；WSN；技術(shù)融合；WSID

0 引言
近年來，物聯(lián)網(wǎng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)RFID與WSN都獲得了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成功應用于生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個領(lǐng)域。RFID是一種非接觸的自動識別技術(shù)，涉及到多門學科、多種技術(shù)的應用。RFID作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術(shù)，被公認為21世紀10大重要技術(shù)之一。WSN是當前國際上備受關(guān)注的新興研究熱點領(lǐng)域，它能夠通過集成化的傳感器節(jié)點協(xié)作完成監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境信息。目前，兩種技術(shù)均沿著各自的技術(shù)路線探索前進，兩者的混合使用問題很少被考慮。如何將RFID技術(shù)與WSN技術(shù)相融合，開發(fā)新的業(yè)務和應用，成為眾多學者關(guān)注的焦點。WSN對節(jié)點一般都不采用全局標識，而RFID技術(shù)對節(jié)點的標識有著得天獨厚的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合共同組成WSID(Wireless Sensor Identification，無線傳感器識別)網(wǎng)絡可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網(wǎng)絡的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當需要具體考慮到某個具體節(jié)點的信息時，也可以利用RFID的標識功能輕松地找到節(jié)點的位置。

1 RFID與WSN融合
1．1 RFID技術(shù)
RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，它通過無線射頻方式進行雙向數(shù)據(jù)通信，對目標對象加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它綜合了多種技術(shù)的應用，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括無線通信、芯片設計制造、系統(tǒng)集成、信息安全以及數(shù)據(jù)變換與編碼等。
1．1．1 RFID系統(tǒng)組成
RFID應用系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，包括電子標簽、讀寫器和天線，三部分協(xié)同工作，共同完成RFID系統(tǒng)的工作。讀寫器和天線也可集成到一起，以節(jié)省成本和減小體積。

讀寫器的主要功能是讀寫電子標簽的物體信息，它主要包括射頻模塊和讀寫模塊以及其他一些基本單元。讀寫器通過射頻模塊發(fā)送射頻信號，讀寫模塊連接射頻模塊，把射頻模塊中得到的數(shù)據(jù)信息進行讀取或改寫。讀寫器還有其他的硬件設備，包括電源和時鐘等。電源用來給RFID讀寫器供電，并且通過電磁感應可以給無源標簽進行供電；時鐘在進行射頻通信時用于確定同步信息。電子標簽由射頻模塊和控制模塊兩部分組成，射頻模塊通過內(nèi)置的天線來完成與讀寫器之間的射頻通信，控制模塊內(nèi)有一個存儲器，它存儲著標簽內(nèi)的所有信息，并且部分信息可以通過與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換來進行實時的修改。
1．1．2 RFID的特點
RFID技術(shù)無須直接接觸、無須光學可視、無須人工干預即可完成信息輸入和處理，操作方便快捷。RFID的特點主要表現(xiàn)在：
(1)體積小型化、形狀多樣化。RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。此外，RFID標簽更可向小型化與多樣化形態(tài)發(fā)展，以應用于不同產(chǎn)品。
(2)環(huán)境適應性強。防水，防磁，耐高溫，不受環(huán)境影響，無機械磨損，壽命長，不需要以目視可見為前提，可以在那些條碼技術(shù)無法適應的惡劣環(huán)境下使用，如高粉塵污染、野外等。
(3)可反復使用。RFID標簽上的數(shù)據(jù)可反復修改，既可以用來傳遞一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也使得RFID標簽能夠在企業(yè)內(nèi)部進行循環(huán)重復使用，將一次性成本轉(zhuǎn)化為長期分攤的成本。
(4)讀寫方便。RFID標簽無須瞄準讀取，只要被置于讀取設備形成的電磁場內(nèi)就可以準確讀到；RFID標簽能穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)，并能進行穿透性通信；RFID每秒鐘可進行上千次的讀取，能同時處理許多標簽，高效且準確。
1．2 WSN枝術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
1．2．1 WSN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
WSN系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sinknode)和管理節(jié)點，典型的WSN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點被任意部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡，并通過多條路由方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，最終借助互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)信號送至管理節(jié)點。系統(tǒng)用戶可以通過管理節(jié)點查看、查詢、搜索相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理。

1．2．2 WSN協(xié)議棧
隨著WSN研究的不斷深入，研究人員提出了多個WSN協(xié)議棧并且不斷地對其進行改進。圖3所示為早期提出的一個協(xié)議棧，該協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。另外，該協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的無線傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。