融合无线传感网络的长距离射频识别系统设计

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国际电信联盟提出的"物联网"报告指出，物联网技术的发展有4 大关键性应用技术，射频识别RFID、无线传感网络WSN、智能技术及纳米技术。其中RFID 和WSN 位于4 大关键性应用技术前列RFID 与WSN 有着各自不同的起源、发展和应用侧重点，然而随着两种技术的不断发展，RFID 与WSN的融合越来越成为一种趋势。RFID 诞生较早，最初是为方便识别物品的编号信息，其标签结构也很简单，只存储简单的ID 信息，由读卡器通过无线电激活。随着技术不断进步，RFID 标签的功能变得越来越完善，逐步加入了微处理器、电池和通信传输协议等，这种转变越来越与WSN 中的节点接近，如果RFID 系统与WSN 相结合，则将会让标签信息的采集更加方便和智能化，且借助WSN 强大的组网功能可扩大RFID 系统识别信息的传输范围； 从无线传感器网络的角度讲，它的研究内容侧重于网络连接和传感信息的收集，RFID 技术的加入，则使得传感器网络应用找到新的突破口，因此，RFID 系统与传感器网络技术具有一定的互补性，将它们结合具有重要意义。
　　1 射频识别
　　射频识别技术（ Radio Frequency Identification,RFID） ,作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一。近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RFID 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，RFID 技术在物流、交通、电信、农牧、民航、票据、防伪、安全和医疗等领域的重大工程都得到了试点推广及应用，并取得了良好的效果。与其他识别技术相比，RFID 的工作无需人工干预，可自动工作于各种恶劣环境、对标签可进行读写、数据加密等诸多优越性，对改善人们生活质量，提高企业效益，加强公共安全生产有着重要意义。随着技术进一步成熟和成本进一步降低，RFID 正逐步应用到各行各业当中，尤其是政府推行的公共事业管理等众多领域，如金融IC 卡、交通一卡通和移动支付等。典型的RFID 系统如图1 所示。

  
图1 RFID 系统组成框图

　　典型的RFID 系统一般由阅读器、电子标签、RFID 中间件及应用软件系统3 部分组成。阅读器与标签建立双向通信，通常由射频接口、逻辑控制单元和天线3 部分组成； 标签用于存储所标识物品的身份和属性信息，属于被识别物品的标识设备，通常附着在被识别物品表面或内部，是RFID 系统的电子数据载体，由MCU、耦合线圈、整流滤波电路和自耦变压器构成； 阅读器能够在读取信息后将现存的被标识物品的信息通告给另一个系统，这个系统通常运行一种软件，该软件在阅读器和应用层面之间，通常被称为RFID 中间件。中间件是连接RFID设备和企业应用程序的纽带，也是RFID 系统的核心，中间件将基于不同平台、不同需求的应用环境与RFID 物理设备连接起来，并提供合适的接口使之能够进行数据交换。根据RFID 系统中射频信号耦合方式的不同可分为电感耦合和电磁反向散射耦合方式，电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。电磁反向散射耦合方式一般适合于特高频、超高频工作的长距离射频识别系统，具体应用如表1 所示。

  
　　2 无线传感网络
　　无线传感器网络（ Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点构成，通过无线通信形成一个多跳的自组织网络系统，网络中各传感器节点具有数据收集和将数据路由到协调器的功能。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的3 个要素。传感器节点一般由采集信息、信号的传感器单元、处理与存储单元、收发单元、电源单元、相关支持软件等功能模块组成。自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的可重构的多跳网络，网络拓扑、信道环境、业务模式随节点的移动而动态改变。WSN 也是一项有着广阔应用前景的技术，它能够实现数据采集，处理融合和传输。因此，该技术可以实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象的信息，并且其商业化进程还在不断发展。无线传感器网络和RFID 技术的不断发展，在技术方面具有越来越多的相似性。可见，将无线传感器网络技术RFID 相结合具有实际应用意义，会为即将到来的物联网时代提供更多的机会和空间，有着巨大的经济效益和社会意义，如RFID 和温度、湿度或加速度传感器联合使用，不仅可以监控物品的运输，而且还可将运输过程中贮存温度不达标、食品过期等信息通过信息网络送至监控中心； 载送物品货车行驶速度过快的相关信息也会被加速度传感器捕捉到，监控中心在接收到信息后会对货车司机发出警报，甚至通过控制信息自动控制货车速度达到正常水平。
　　3 融合WSN 的RFID 系统
　　当前对RFID 技术的深入研究主要集中在标签、阅读器和RFID 中间件3 个方面。前两个方向主要涉及硬件开发，而RFID 中间件是目前的一个研究热点。RFID 中间件技术扮演了阅读器和应用层面中介的角色，提供对原始信息的分析、过滤与传输； 还提供安全管理、资源定位、错误处理和冲突解除等功能。由于RFID 阅读器只是简单地将原始标签信息从射频标签中读出，并不进行处理和传送； 如果要与应用层面进行交互，必须由其他设备和软件完成。如何将上层应用与阅读器连接是部署RFID 应用的关键问题。在实际工作中，阅读器对标签进行读写，然后将采集到的识别数据传送给服务器，在各种RFID 规范当中，绝大多数是对信息采集过程的定义，对信息如何传送给服务器的环节并没有很多限制，即RFID 中间件如何实现，这个环节是无线传感器网络融合入RFID 系统的研究重点，完全可以让WSN 与RFID 系统协同工作，使RFID 阅读器充当WSN 节点的角色，即构建"智能节点",将识别到的标签信息通过WSN进行传输，这种应用既有RFID 系统的功能，又具有WSN 成本低、部署方便、传输距离远等特点，即WSN 作为RFID 中间件实现数据向RFID 服务器或其他网络传送，以此来扩展RFID 系统的应用范围。对于目前RFID 系统中的阅读器来说，只能在本地控制系统的控制下工作，它庞大的体积，昂贵的价格限制了移动和大量布置。而且，RFID 阅读器的天线必须仔细设计，以便可以覆盖到范围内所有的标签，还要防止不同阅读器天线之间的碰撞。这些不利因素都限制了RFID 的进一步应用。如果能够削减RFID 阅读器的部分功能，可以使得阅读器成本降低且容易布置。因此，一种分布式智能节点的构建如图2 所示。

  
图2 分布式智能节点工作示意图

　　该方案将RFID 阅读器融入到了WSN 的节点中，建立了"智能节点",可看作融合前WSN 的路由器节点，智能节点很小，可以较密散布在待测区域，每个智能节点读取少量标签。由于标签数据的相似性，智能节点可以获得较高的数据压缩率。智能节点自动工作，最终识别数据以自组网多跳的方式传输到汇聚节点（ Sink Node） ,也称协调器节点。智能节点工作示意图，如图2 所示。
　　每个智能节点包括传感部分、RFID 读写部分、中央控制部分和通信部分。智能节点可以布置到一个自组织的无线传感器网络中，自主运行，通过网络传送数据给后台服务器。所有智能节点是同构的，因此可以使用简单高效的数据压缩方法。最后，一个灵活的传输协议是必须的，目前常用的是ZigBee 协议。
　　图3 给出了WSN 与RFID 的融合方案协议层结构示意图，显示了两者融合的可行性和价值所在，无线传感器网络与RFID 系统相结合，将RFID 的识别信息通过WSN 网络，传输到RFID 服务器或其他网络。
  

图3 融合了WSN 的RFID 系统示意图
　　WSN 与RFID 技术结合后，利用WSN 的自组网、节点定位、数据传输功能，不仅确保数据的完整性，还能弥补RFID 高成本以及须依靠阅读器方能识别数据，在一些恶劣或者敏感环境，传感器的自主感应及传送信息的能力可以解决读写器无法工作的问题，使整个网络具有自组织性和自适应性。将WSN 和RFID结合起来，利用WSN 高达100 m 的有效半径，形成WSID（ Wireless Sensor Identification,传感射频识别）网络，实现长距离射频识别系统，其应用前景广阔；二者融合还能有效解决RFID 系统的信号碰撞问题。
　　该方案可快速实现对集装箱的信息采集、定位、快速进出港、可在港口快速安装和自动扩展网络； 在提高港口工作效率的前提下，节约运行成本，对于集装箱管理、大型军事仓库管理的信息化和自动化具有重大意义。此融合方案还可以方便地进行扩展，应用于无人收费站，智能化停车库及珍稀动物保护等领域。
　　4 结束语
　　RFID 侧重识别，其标签具有全球惟一的标志，利用RFID 的目标识别功能，可实现对目标的信息采集、标识和管理，但同时RFID 系统具有读写距离有限、抗干扰较差、实时感应能力差，实现成本高等不足； WSN 可监测感应到各种信息，侧重组网和信息的传递，但传感器节点不一定具有全球惟一的标志，它们往往只有域内标志号，缺乏对物品标识的能力，无法获得目标详细信息，二者的融合可实现长距离的射频识别系统。RFID 和WSN 具有不同的技术特点，它们都是物联网技术的重要组部分，2010 年10 月，物联网规划已列入国家"十二五"的专题规划，未来我国要发展宽带、融合、安全的下一代国家信息网络基础设施，推进物联网的应用。目前正围绕物联网的技术、标准、应用示范等工作做相关的推进工作。