RFID与WSN技术融合理论研究

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；最后对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。
关键词：RFID；WSN；技术融合；WSID

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，不需为了读取精确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，将一次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枝术
    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，最终借助互联网、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 R FID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。

2 WSID关键技术分析
    RFID与WSN的三种融合方式解决的是两者融合结构的问题，但是两者融合技术层面的问题也是关键。在融合过程中所涉及的关键技术有路由技术、中间件技术以及数据融合等。
2．1 路由技术
    路由协议的作用是寻找从源节点到目的节点的最佳路径，将数据分组沿着最佳路径进行转发。路由协议的功能主要有两个方面：一是搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径：二是转发资料分组。目前，研究人员根据路由协议自身的特点以及应用类型等，将路由协议分为以下几个类型。
2．1．1 以数据为中心的路由协议
    该协议设计主要考虑用户是否能够方便决捷地查询数据。在实际应用中，终端用户往往只关心所采集的数据，而不关心这些数据具体是从哪一个节电传送的，用户(查询节点)只需向网络发出一条查询命令，网络就将所查询的数据反馈给用户。
2．1．2 基于层次结构的路由协议
    该协议将整个网络中的节点划分为多个级别，同级节点间可以相互交换数据。在路由选择中，低一级节点将数据传输至簇头节点(高一级节点)，簇头节点进行数据融合，减少冗余数据在网络中的传输。
2．1．3 基于地理信息的路由协议
    网络中的节点利用GPS设备、三角定位系统等获知自身所在的地理坐标。在进行路由选择时，节点合理利用这些地理信息，从而将数据分组转发给一个特定区域而不是整个网络，减少网络能耗。
2．1．4 基于多路径的路由协议
    在数据传输过程中，通过增加传输的路径数，可以增加网络的等效带宽，缩短传输时延。对于WSID网络，多路径路由协议可以提高网络的可靠性，并且可以将传输能耗分摊在更多的节点上。
    在WSID网络中，节点计算能力有限，对能耗和QoS有一定的要求，因此WSID的路由协议优化尤为重要。李陶深等在选播通信被规定为IPv6中的一种标准通信模型的背景下，提出了一种选播通信服务模型，设计实现了一种新的基于遗传算法的网络选播路由算法。该算法能以较短的时延达到局部最优，较好地平衡网络负载，提高了网络搜索速度和网络资源的利用率，改善了网络服务质量。凌启东等则认为上述算法较为复杂，需要较高的计算能力，在WSID网络的环境中也存在缺陷。他们在此基础上建立了基于WSID网络路由算法的问题模型，提出了两种基于遗传算法的不同编码的路由算法，分析了各自的特点。经过仿真实验表明，基于实数编码的路由优化方法更适合在WSID网络中应用。
2．2 中间件技术
    WSID网络中间件的作用主要是按照一定的规则筛选过滤数据(删除冗余数据)，将真正有效的数据发送到上层的应用程序，以供用户查询使用。基于此，WSID网络中间件的功能要求主要包括三点：第一是能够将底层的大量原始数据经过层层过滤最终得到对上层应用有意义的数据；第二是采用分层的过滤方式并能够得到不同层次的有意义数据；第三是用户可以针对具体的应用需求，在不同层次设置数据的过滤条件。
    中间件技术的核心是如何获得有意义的数据，即数据处理。数据处理以数据挖掘、神经网络、复杂事件处理等理论为基础，针对原始数据规模大和原始数据包含的语义信息少两个问题，有效地减少数据冗余，从而为上层应用提供适合的语义信息。图8给出了典型的数据处理的过程。

    RFID与WSN技术融合形成WSID网络是推动构建泛在计算世界的重要一步，而中间件技术为交互双方动态的感知上下文信息提供了便利。中间件技术能将数据采集与业务处理系统分离，使应用系统专注于交互业务的流程和处理，而不再局限于修改以适应各种不同的数据采集方式。
2．3 数据融合
    WSN的基本功能是收集并返回传感器节点所在监测区域的各种各样的信息，RFID数据则总是和时问、空间相联系，两种技术融合构建的新网络的原始数据规模很大且精度不高。
    数据融合技术利用节点的本地计算和存储能力去除冗余信息，对多份相关数据进行综合，为上层应用提供更有效、更符合用户需求的信息。
    数据融合技术可以与WSN的多个协议层进行结合：减少MAC层的发送冲突和头部开销可以达到节省能量的目的；路由层结合数据融合机制，以期减少数据传输量；应用层利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，可以达到融合的效果。
    数据融合的功效可以用以下几个指标来衡量：
    (1)准确性。在汇聚节点得到的值和真实值之差，准确度可以表示为差、比值、统计数据，或其他根据特定的情况所得到的值。
    (2)等待时间。因为中间节点可能会等待数据，所以数据融合会延长报告的等待时间。
    (3)信息开销。数据融合最重要的优点就是能减小信息开销，从而提高能量效率和延长网络的生存期。
    目前，数据融合的方法有很多，大概包括统计和估计类融合方法、采用信息论的融合方法以及其他融合方法。但是，物联网感知层在感知多源信息时，尚没有一种很好的融合方法。针对这一问题，李杰等通过引入数据融合器，提出了一种将电子产品编码和环境参数建立映射关系的方法。将该方法应用于超市仓储管理系统，对其编码并且构建原型系统，该方法能够明显提高数据传输的有效率。

3 WSID存在问题及展望
    毫无疑问，RFID与WSN融合形成的WSID网络将推动更多的技术改进，促进新的业务和应用的产生。WSID网络不仅能够揭示监测对象的位置和身份，而且能够显示对象当前所处的环境状态。然而，要将WSID应用于环境控制和工业生产中，我们必须要付出更多的努力。综合起来讲，RFID与WSN融合形成的WSID网络目前还存在以下几方面的问题：
    (1)RFID系统中的通信接口遵循EPCGlobal定制的C1G2协议或者ISO18000；标签内的数据编码遵循EPC编码标准；而WSN通信接口和网内数据格式遵循802．15．4或者Zigbee等协议。RFID与WSN采用了两种不同的协议，会引发数据格式、通信协议的不兼容等问题。IntelliSense RFID方案在这一方向具有首创精神，它的目标是发展RFID设备的多重协议，使得设备能够与不同的通信协议工作在不同的频率带宽下。
    (2)WSID要想获得广泛应用，对于解决一些公开的问题和挑战是非常重要的。例如，在阅读器与WSN节点的融合方式中，当发生阅读器读写碰撞时，RFID系统会根据防碰撞协议向阅读器发出控制命令。但是，阅读器会因为节点之间的端到端时延而无法及时做出响应，从而使阅读器的碰撞问题更加严重。另外，WSID网络中的无线设备数量越多，潜在的安全性等隐患就越大，如何解决这些问题对于WSID的推广应用具有至关重要的作用。
    (3)WSID能够广泛使用的一个重要步骤是部署工具、方法和方式，它们必须能够普遍使用在大部分应用中。同时，当配置这些工具方法和标准时还要重点考虑有限资源的限制问题。此外，由于市场受到成本的驱使，WSID网络将很大程度上依靠最低的原料成本和简单有效的制造过程。

4 结语
    WSID继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，同时实现了WSN主动感知与通信的功能。WSID能够主动对环境进行监测并记录相关数据，必要的时候能够主动发出警报。可见，将WSN与RFID技术融合来构建WSID网络的应用前景不可限量。