RFID與WSN技術(shù)融合理論研究

2 WSID關(guān)鍵技術(shù)分析
RFID與WSN的三種融合方式解決的是兩者融合結(jié)構(gòu)的問題，但是兩者融合技術(shù)層面的問題也是關(guān)鍵。在融合過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有路由技術(shù)、中間件技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合等。
2．1 路由技術(shù)
路由協(xié)議的作用是尋找從源節(jié)點到目的節(jié)點的最佳路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著最佳路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議的功能主要有兩個方面：一是搜索滿足條件的從源節(jié)點到目的節(jié)點的優(yōu)化路徑：二是轉(zhuǎn)發(fā)資料分組。目前，研究人員根據(jù)路由協(xié)議自身的特點以及應(yīng)用類型等，將路由協(xié)議分為以下幾個類型。
2．1．1 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
該協(xié)議設(shè)計主要考慮用戶是否能夠方便決捷地查詢數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，終端用戶往往只關(guān)心所采集的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心這些數(shù)據(jù)具體是從哪一個節(jié)電傳送的，用戶(查詢節(jié)點)只需向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一條查詢命令，網(wǎng)絡(luò)就將所查詢的數(shù)據(jù)反饋給用戶。
2．1．2 基于層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議
該協(xié)議將整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點劃分為多個級別，同級節(jié)點間可以相互交換數(shù)據(jù)。在路由選擇中，低一級節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至簇頭節(jié)點(高一級節(jié)點)，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，減少冗余數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。
2．1．3 基于地理信息的路由協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點利用GPS設(shè)備、三角定位系統(tǒng)等獲知自身所在的地理坐標。在進行路由選擇時，節(jié)點合理利用這些地理信息，從而將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給一個特定區(qū)域而不是整個網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)能耗。
2．1．4 基于多路徑的路由協(xié)議
在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過增加傳輸?shù)穆窂綌?shù)，可以增加網(wǎng)絡(luò)的等效帶寬，縮短傳輸時延。對于WSID網(wǎng)絡(luò)，多路徑路由協(xié)議可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且可以將傳輸能耗分攤在更多的節(jié)點上。
在WSID網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點計算能力有限，對能耗和QoS有一定的要求，因此WSID的路由協(xié)議優(yōu)化尤為重要。李陶深等在選播通信被規(guī)定為IPv6中的一種標準通信模型的背景下，提出了一種選播通信服務(wù)模型，設(shè)計實現(xiàn)了一種新的基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)選播路由算法。該算法能以較短的時延達到局部最優(yōu)，較好地平衡網(wǎng)絡(luò)負載，提高了網(wǎng)絡(luò)搜索速度和網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，改善了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。凌啟東等則認為上述算法較為復(fù)雜，需要較高的計算能力，在WSID網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中也存在缺陷。他們在此基礎(chǔ)上建立了基于WSID網(wǎng)絡(luò)路由算法的問題模型，提出了兩種基于遺傳算法的不同編碼的路由算法，分析了各自的特點。經(jīng)過仿真實驗表明，基于實數(shù)編碼的路由優(yōu)化方法更適合在WSID網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
2．2 中間件技術(shù)
WSID網(wǎng)絡(luò)中間件的作用主要是按照一定的規(guī)則篩選過濾數(shù)據(jù)(刪除冗余數(shù)據(jù))，將真正有效的數(shù)據(jù)發(fā)送到上層的應(yīng)用程序，以供用戶查詢使用?；诖耍琖SID網(wǎng)絡(luò)中間件的功能要求主要包括三點：第一是能夠?qū)⒌讓拥拇罅吭紨?shù)據(jù)經(jīng)過層層過濾最終得到對上層應(yīng)用有意義的數(shù)據(jù)；第二是采用分層的過濾方式并能夠得到不同層次的有意義數(shù)據(jù)；第三是用戶可以針對具體的應(yīng)用需求，在不同層次設(shè)置數(shù)據(jù)的過濾條件。
中間件技術(shù)的核心是如何獲得有意義的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理以數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜事件處理等理論為基礎(chǔ)，針對原始數(shù)據(jù)規(guī)模大和原始數(shù)據(jù)包含的語義信息少兩個問題，有效地減少數(shù)據(jù)冗余，從而為上層應(yīng)用提供適合的語義信息。圖8給出了典型的數(shù)據(jù)處理的過程。

RFID與WSN技術(shù)融合形成WSID網(wǎng)絡(luò)是推動構(gòu)建泛在計算世界的重要一步，而中間件技術(shù)為交互雙方動態(tài)的感知上下文信息提供了便利。中間件技術(shù)能將數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)分離，使應(yīng)用系統(tǒng)專注于交互業(yè)務(wù)的流程和處理，而不再局限于修改以適應(yīng)各種不同的數(shù)據(jù)采集方式。
2．3 數(shù)據(jù)融合
WSN的基本功能是收集并返回傳感器節(jié)點所在監(jiān)測區(qū)域的各種各樣的信息，RFID數(shù)據(jù)則總是和時問、空間相聯(lián)系，兩種技術(shù)融合構(gòu)建的新網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)規(guī)模很大且精度不高。
數(shù)據(jù)融合技術(shù)利用節(jié)點的本地計算和存儲能力去除冗余信息，對多份相關(guān)數(shù)據(jù)進行綜合，為上層應(yīng)用提供更有效、更符合用戶需求的信息。
數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與WSN的多個協(xié)議層進行結(jié)合：減少MAC層的發(fā)送沖突和頭部開銷可以達到節(jié)省能量的目的；路由層結(jié)合數(shù)據(jù)融合機制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量；應(yīng)用層利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行逐步篩選，可以達到融合的效果。
數(shù)據(jù)融合的功效可以用以下幾個指標來衡量：
(1)準確性。在匯聚節(jié)點得到的值和真實值之差，準確度可以表示為差、比值、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，或其他根據(jù)特定的情況所得到的值。
(2)等待時間。因為中間節(jié)點可能會等待數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)融合會延長報告的等待時間。
(3)信息開銷。數(shù)據(jù)融合最重要的優(yōu)點就是能減小信息開銷，從而提高能量效率和延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。
目前，數(shù)據(jù)融合的方法有很多，大概包括統(tǒng)計和估計類融合方法、采用信息論的融合方法以及其他融合方法。但是，物聯(lián)網(wǎng)感知層在感知多源信息時，尚沒有一種很好的融合方法。針對這一問題，李杰等通過引入數(shù)據(jù)融合器，提出了一種將電子產(chǎn)品編碼和環(huán)境參數(shù)建立映射關(guān)系的方法。將該方法應(yīng)用于超市倉儲管理系統(tǒng)，對其編碼并且構(gòu)建原型系統(tǒng)，該方法能夠明顯提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行省?br />
3 WSID存在問題及展望
毫無疑問，RFID與WSN融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)將推動更多的技術(shù)改進，促進新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用的產(chǎn)生。WSID網(wǎng)絡(luò)不僅能夠揭示監(jiān)測對象的位置和身份，而且能夠顯示對象當前所處的環(huán)境狀態(tài)。然而，要將WSID應(yīng)用于環(huán)境控制和工業(yè)生產(chǎn)中，我們必須要付出更多的努力。綜合起來講，RFID與WSN融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)目前還存在以下幾方面的問題：
(1)RFID系統(tǒng)中的通信接口遵循EPCGlobal定制的C1G2協(xié)議或者ISO18000；標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼遵循EPC編碼標準；而WSN通信接口和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)格式遵循802．15．4或者Zigbee等協(xié)議。RFID與WSN采用了兩種不同的協(xié)議，會引發(fā)數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議的不兼容等問題。IntelliSense RFID方案在這一方向具有首創(chuàng)精神，它的目標是發(fā)展RFID設(shè)備的多重協(xié)議，使得設(shè)備能夠與不同的通信協(xié)議工作在不同的頻率帶寬下。
(2)WSID要想獲得廣泛應(yīng)用，對于解決一些公開的問題和挑戰(zhàn)是非常重要的。例如，在閱讀器與WSN節(jié)點的融合方式中，當發(fā)生閱讀器讀寫碰撞時，RFID系統(tǒng)會根據(jù)防碰撞協(xié)議向閱讀器發(fā)出控制命令。但是，閱讀器會因為節(jié)點之間的端到端時延而無法及時做出響應(yīng)，從而使閱讀器的碰撞問題更加嚴重。另外，WSID網(wǎng)絡(luò)中的無線設(shè)備數(shù)量越多，潛在的安全性等隱患就越大，如何解決這些問題對于WSID的推廣應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。
(3)WSID能夠廣泛使用的一個重要步驟是部署工具、方法和方式，它們必須能夠普遍使用在大部分應(yīng)用中。同時，當配置這些工具方法和標準時還要重點考慮有限資源的限制問題。此外，由于市場受到成本的驅(qū)使，WSID網(wǎng)絡(luò)將很大程度上依靠最低的原料成本和簡單有效的制造過程。

4 結(jié)語
WSID繼承了RFID利用射頻信號自動識別目標的特性，同時實現(xiàn)了WSN主動感知與通信的功能。WSID能夠主動對環(huán)境進行監(jiān)測并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，必要的時候能夠主動發(fā)出警報?？梢姡瑢SN與RFID技術(shù)融合來構(gòu)建WSID網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景不可限量。