RFID与WSN技术融合理论研究（一）

　　摘 要：RFID与WSN在技术起源上相对独立，两者的混合使用问题很少被考虑.文章首先对RFID与WSN的三种融合方式进行了阐述，并给出了各种融合方式下的典型结构；其次论述了融合过程中所要应用的路由.中间件以及数据融合等关键技术，给出了RFID与WSN两者融合形成的WSID网络；对WSID网络的发展方向进行了总结，以期为进一步的研究奠定基础.

　　0 引言近年来，物联网的两大关键技术RFID 与WSN 都获得了飞速的发展，已经成功应用于生产.零售.物流.交通等各个领域.RFID 是一种非接触的自动识别技术，涉及到多门学科.多种技术的应用.RFID 作为快速.实时.准确采集与处理信息的高新技术，被公认为21 世纪10 大重要技术之一.WSN 是当前国际上备受关注的新兴研究热点领域，它能够通过集成化的传感器节点协作完成监测.感知和采集各种环境信息.目前，两种技术均沿着各自的技术路线探索前进，两者的混合使用问题很少被考虑.如何将RFID 技术与WSN 技术相融合，开发新的业务和应用，成为众多学者关注的焦点.WSN 对节点一般都不采用全局标识，而RFID 技术对节点的标识有着得天独厚的优势，将两者结合共同组成WSID（Wireless Sensor Identification, 无线传感器识别） 网络可以相互弥补对方的缺陷，既可以将网络的主要精力集中到数据上，当需要具体考虑到某个具体节点的信息时，也可以利用RFID 的标识功能轻松地找到节点的位置.

　　1 RFID 与WSN 融合1.1 RFID 技术RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术，它通过无线射频方式进行双向数据通信，对目标对象加以识别并获取相关数据.它综合了多种技术的应用，其涉及的关键技术包括无线通信.芯片设计制造.系统集成.信息安全以及数据变换与编码等.

　　1.1.1 RFID系统组成RFID 应用系统组成框图如图1 所示，包括电子标签.读写器和天线，三部分协同工作，共同完成RFID 系统的工作.

　　读写器和天线也可集成到一起，以节省成本和减小体积.

　　读写器的主要功能是读写电子标签的物体信息，它主要包括射频模块和读写模块以及其他一些基本单元.读写器通过射频模块发送射频信号，读写模块连接射频模块，把射频模块中得到的数据信息进行读取或改写.读写器还有其他的硬件设备，包括电源和时钟等.电源用来给RFID 读写器供电，并且通过电磁感应可以给无源标签进行供电；时钟在进行射频通信时用于确定同步信息.电子标签由射频模块和控制模块两部分组成，射频模块通过内置的天线来完成与读写器之间的射频通信，控制模块内有一个存储器，它存储着标签内的所有信息，并且部分信息可以通过与读写器之间的数据交换来进行实时的修改.

　　1.1.2 RFID 的特点RFID 技术无须直接接触.无须光学可视.无须人工干预即可完成信息输入和处理，操作方便快捷.RFID 的特点主要表现在：

　　（1）体积小型化.形状多样化.RFID 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质.此外，RFID 标签更可向小型化与多样化形态发展，以应用于不同产品.

　　（2）环境适应性强.防水，防磁，耐高温，不受环境影响，无机械磨损，寿命长，不需要以目视可见为前提，可以在那些条码技术无法适应的恶劣环境下使用，如高粉尘污染.野外等.

　　（3）可反复使用.RFID 标签上的数据可反复修改，既可以用来传递一些关键数据，也使得RFID 标签能够在企业内部进行循环重复使用，将性成本转化为长期分摊的成本.

　　（4）读写方便.RFID 标签无须瞄准读取，只要被置于读取设备形成的电磁场内就可以准确读到；RFID 标签能穿透纸张.木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信；RFID 每秒钟可进行上千次的读取，能同时处理许多标签，高效且准确.

　　1.2 WSN 技术无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）是由部署在监测区域内大量廉价微型的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知.采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者.

　　1.2.1 WSN 网络结构WSN 系统包括传感器节点（sensor node）.汇聚节点（sinknode）和管理节点，典型的WSN 网络结构如图2 所示.在传感器网络中，节点被任意部署在监测区域内，通过自组织形式构成网络，并通过多条路由方式将监测的数据传输到汇聚节点，终借助互联网.无线网络或卫星将数据信号送至管理节点.

　　系统用户可以通过管理节点查看.查询.搜索相关的监测数据，并对传感器网络进行配置和管理.

　　1.2.2 WSN 协议栈随着WSN 研究的不断深入，研究人员提出了多个WSN协议栈并且不断地对其进行改进.图3 所示为早期提出的一个协议栈，该协议栈包括物理层.数据链路层.网络层.传输层和应用层.另外，该协议栈还包括能量管理平台.移动管理平台和任务管理平台.这些管理平台使得传感器节点能够按照能量高效的方式协同工作，在节点移动的无线传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享.

　　WSN 网络协议栈有3 个管理平台：其中，能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在协议栈设计时都需要考虑节省能量；移动管理平台用于检测并注意传感器节点的移动，维护与汇聚节点之间的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台可在一个给定的区域内平衡和调度监测任务.

　　图4 所示的改进型协议栈细化并改进了原始模型.此协议栈可以划分为物理层.数据链路层.网络层.传送层.应用层以及倒L 形的定位和时间同步子层.定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊，通过倒L 形体现其既依赖于网络协议各层，同时又为网络协议各层提供信息支持.

　　1.3 RFID 与WSN 融合如何在现有研究的基础上实现RFID 与WSN 的相互融合，已经成为众多学者的关注课题.Urban 等对RFID 与WSN 两种技术进行了对比分析；Zhang Beiwei等则对两种技术融合的网络架构以及能量约束进行了说明；刘国梅.孙新德设计了融合WSN 和RFID 技术的一种农产品冷链物流监控追踪系统.总结目前RFID 与WSN 技术的融合方式，可以将RFID 和WSN 的融合类型分为三类 :一是RFID 阅读器与WSN 节点的融合；二是RFID标签和WSN 节点的融合；三是RFID 与WSN 在系统层次上的融合.

　　1.3.1 RFID 阅读器与WSN 节点的融合RFID 与WSN 融合后的阅读器不仅可以远距离地获取RFID 标签信息，而且阅读器节点具有无线通信能力，能够读取标签内部代码，感知周边的环境数据，与区域内的其他无线通信节点形成多跳的通信网络，将节点采集的数据和物体的标志等信息高效地传输到上层应用.Zhang Lei 等提出了一个结合RFID 阅读器与WSN 节点的系统结构，节点内部拥有一个传感单元，其采用的是Zigbee 协议，形成了一个具有RFID 标签读取能力的无线传感器网络，其节点内部构成如图5 所示.

　　1.3.2 RFID 标签与WSN 节点的融合RFID 标签携带无线传感器节点，可以与阅读器.其他节点或者无线通信设备通信.这种类型的融合不仅给无线传感器节点添加了RFID 识别能力，而且使RFID 标签能够主动获取数据信息.在这种模式下，标签上的传感器节点用于监测物品的状态及环境信息，并将感知数据存于标签内存中，由读写器读取并转交RFID 应用层处理.Deng Hai 等提出了一个RFID 标签与传感器的结合模型，即嵌入了传感器的RFID 系统（SE-RFID） 结构.其结构如图6 所示.

　　1.3.3 RFID 与WSN 在系统层次上的融合在这种模式下，RFID 标签.阅读器和传感器物理上是分开的，无须设计并部署融合.RFID 设备与传感器的节点，所有RFID 与WSN 的协作在软件层次上完成.RFID 系统可以通过WSN 获得物体的信息或环境变量，WSN 通过RFID提供的追踪与标志功能找到自己感兴趣的物体.J.Cho 等设计了一个采用SARIF 框架的系统，由RFID 系统.无线传感器网络和一个综合服务模块组成，其结构如图7 所示.