物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID怎樣做到數(shù)融合

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

近年來(lái)，全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛拋出與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的信息化戰(zhàn)略。2002年4月，韓國(guó)提出“e-Korea”戰(zhàn)略；2004年，日本提出“U-Japan”計(jì)劃；2006年6月，新加坡公布了“智慧國(guó)2015”大藍(lán)圖；2008年底IBM向美國(guó)政府提出的“智慧地球”戰(zhàn)略，2009年6月歐盟啟動(dòng)“物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃”等，都是利用各種信息技術(shù)來(lái)突破互聯(lián)網(wǎng)的物理限制，以實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。目前世界各國(guó)正處于技術(shù)研發(fā)階段，美國(guó)、歐盟等都在投入巨資深入探索研究物聯(lián)網(wǎng)。我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的布局較早，中科院10年前就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)研究，目前國(guó)內(nèi)多家科研單位正加緊研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2009年8月，中國(guó)提出了“感知中國(guó)”。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如智能交通、智能電網(wǎng)、智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、公共安全和物品管理等等，涉及到生活的方方面面。

超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)是物品管理中的典型實(shí)例，在這個(gè)系統(tǒng)中經(jīng)常需要同時(shí)獲得物品的基本信息和環(huán)境參數(shù)，對(duì)于食品存儲(chǔ)要求更嚴(yán)格，不但要獲取食品的生產(chǎn)商、生產(chǎn)日期等基本信息，還要獲取食品所處的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度等。這些信息都要由物聯(lián)網(wǎng)的感知層獲取，在感知層中主要有2種網(wǎng)絡(luò)：RFID網(wǎng)絡(luò)和WSN，RFID網(wǎng)絡(luò)獲取食品的生產(chǎn)商、生產(chǎn)日期等基本信息：WSN獲取食品所處環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)。存在的問(wèn)題是如何將兩種數(shù)據(jù)很好地融合，保證兩種數(shù)據(jù)融合正確性的同時(shí)要盡可能地減少數(shù)據(jù)量，這樣更能適應(yīng)WSN要求低能耗特性。

通過(guò)分析，兩者是有共同點(diǎn)的，即都是將物理世界的信息轉(zhuǎn)換成信息世界的數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSNd）和RFID最終將融合為一體。文獻(xiàn)提出了融合方法，但是也存在以下不足：1）不支持被動(dòng)式標(biāo)簽，較高的產(chǎn)品生產(chǎn)成本；2）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，增加了傳感器節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。從物聯(lián)網(wǎng)感知層的角度出發(fā)，本文提出的融合方法將很好地解決這些問(wèn)題。

1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)具有3個(gè)特性：1）全面感知，即利用RFID、傳感器等隨時(shí)隨地獲取物品的信息；2）可靠傳遞，是通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)融合，將物品的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去；3）智能處理，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種計(jì)算方式對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，對(duì)物品實(shí)施智能化控制。這就構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的三層模式：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

其中，感知層包括RFID、傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于目前關(guān)注較多的RHD網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，用來(lái)感知RFID信息的感應(yīng)器、掃描儀和貼在物品上的RFID標(biāo)簽屬于物聯(lián)網(wǎng)感知層的一種網(wǎng)絡(luò)。這種檢測(cè)信息是RFID標(biāo)簽的內(nèi)容，如高速公路不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)、超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)都是基于這類(lèi)結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)。用于環(huán)境信息收集的WSN由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)關(guān)組成，無(wú)線節(jié)點(diǎn)感知信息（如溫度、濕度等），并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)將收集到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層提交到后臺(tái)處理。環(huán)境監(jiān)控、污染監(jiān)控都是這類(lèi)結(jié)構(gòu)的感知層網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)層是建立在現(xiàn)有的移動(dòng)通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理。應(yīng)用層利用經(jīng)過(guò)分析處理的感知數(shù)據(jù)為用戶(hù)提供豐富的特定服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型、查詢(xún)型、控制型和掃描型等。

2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSNd）和RFID數(shù)據(jù)融合

本節(jié)以無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，提出將兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)融合的方法（該方法同樣適用于濕度傳感器或光照傳感器），并和已提出的方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2．1 WSNd的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

WSN是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)形成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因?yàn)閃SN由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這也形成了自身的限制和特點(diǎn)，如傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶能量少、通信能力有限、計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限等問(wèn)題。以無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

溫度傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包有20個(gè)字節(jié)，但其中15個(gè)暫時(shí)未被使用。第1個(gè)字節(jié)存放節(jié)點(diǎn)ID；第2個(gè)字節(jié)存放不同應(yīng)用程序的類(lèi)型；第3個(gè)字節(jié)標(biāo)記從某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出包的次序號(hào)；第4～5字節(jié)存放環(huán)境的溫度；第6～20個(gè)暫時(shí)未被使用。

2．2 RFID的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物品的自動(dòng)識(shí)別。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽（tag）和閱讀器（reader）2個(gè)部分組成。基于RHD系統(tǒng)能夠識(shí)別物體這一特性，RHD在物聯(lián)網(wǎng)的研究中得到了足夠的重視，在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，電子標(biāo)簽由生產(chǎn)商生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)附著在被識(shí)別產(chǎn)品的表面或者嵌入到產(chǎn)品內(nèi)部，電子標(biāo)簽內(nèi)的識(shí)別信息通過(guò)某種編碼結(jié)構(gòu)編碼成電子產(chǎn)品編碼（EPC）。目前最常見(jiàn)的EPC有64位、96位2種，表1列出了編碼方式，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識(shí)別物品處于閱讀器可識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器自動(dòng)以無(wú)接觸的方式將電子標(biāo)簽中的EPC讀取出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品的功能。

表1為EPC-64和EPC-96兩種編碼結(jié)構(gòu)列表，表中分別列出了兩種編碼結(jié)構(gòu)將EPC編碼分成四段的名稱(chēng)、所占位數(shù)和取值范圍。

2．3 WSNd和RFID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)融合方法

將WSN和RHD技術(shù)融合的目的就是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)能同時(shí)準(zhǔn)確地獲取物品的基本信息和所處的環(huán)境狀態(tài)的需求，顯然，怎么建立物品所處的環(huán)境狀態(tài)和EPC編碼的映射關(guān)系成了關(guān)鍵，文獻(xiàn)提出了緊密耦合方式和松散耦合方式，但是這兩種方式都會(huì)增加WSN傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，增加WSN的傳輸負(fù)擔(dān)，本文提出的融合方法實(shí)現(xiàn)了融合之后減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

將WSN和RHD技術(shù)融合，本文的思路是建立一種屏蔽底層差異的機(jī)制結(jié)構(gòu)——數(shù)據(jù)融合器，如圖3所示，WSN負(fù)責(zé)采集RHD的EPC編碼，然后將EPC編碼寫(xiě)到WSNd數(shù)據(jù)包中進(jìn)行融合。

傳感器節(jié)點(diǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4，它通過(guò)RHD天線發(fā)射射頻信號(hào)，當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的貨物存儲(chǔ)到倉(cāng)庫(kù)并且在WSNd作用范圍內(nèi)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，并將自身編碼信息通過(guò)卡內(nèi)置天線傳輸出去，RFID天線接收到載波信號(hào)并傳輸?shù)絉FID閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信息按照相應(yīng)的編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼（本文以EPC-96標(biāo)準(zhǔn)為例），然后通過(guò)RS-232接口將EPC編碼傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中，和傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

將WSNd數(shù)據(jù)包和EPC編碼融合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過(guò)主控制器發(fā)出指令，將EPC-96編碼寫(xiě)到WSNd數(shù)據(jù)包的第6～17個(gè)字節(jié)中，即將EPC-96編碼寫(xiě)到WSNd第6～17這12個(gè)未使用的字節(jié)中，這樣即達(dá)到了將兩種數(shù)據(jù)融合的目的，又可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行省Ｈ诤虾蟮臄?shù)據(jù)可以在WSN中通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳輸，最終到達(dá)基站，就達(dá)到了同時(shí)獲取物品的基本信息和環(huán)境參數(shù)。 3 性能評(píng)價(jià)和實(shí)例應(yīng)用

3．1 性能評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)提出的將WSNd和RFID融合的方法，包括兩種方式：緊密耦合方式和松散耦合方式，緊密耦合方式是針對(duì)價(jià)格較高的主動(dòng)式標(biāo)簽，而且在融合之后也增加了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；松散耦合方法是針對(duì)被動(dòng)式標(biāo)簽，但該方式使數(shù)據(jù)的冗余量更大。本文提出的WSNd和RFID融合的方法，以1個(gè)WSNd的數(shù)據(jù)包和1個(gè)EPC-96編碼為例計(jì)算，表2列出了它們的比較。

在對(duì)食品的存儲(chǔ)中要獲取的最重要的數(shù)據(jù)是食品上標(biāo)簽的EPC編碼和所處環(huán)境溫度，因此，本文定義傳輸數(shù)據(jù)的有效率=（EPC編碼的字節(jié)數(shù)+所處環(huán)境溫度字節(jié)數(shù)）／融合后的總字節(jié)數(shù)，從上表可以明顯地發(fā)現(xiàn)，本文提出的WSNd和RFID融合的方法在以下兩點(diǎn)作出的改進(jìn)：1）該方法減少了數(shù)據(jù)冗余量，融合后的字節(jié)數(shù)減少，使傳輸數(shù)據(jù)的有效率有了明顯的提高，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量；2）該方法支持被動(dòng)式標(biāo)簽，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

3．2 實(shí)例應(yīng)用

在感知層融合RFID網(wǎng)絡(luò)和WSN采集數(shù)據(jù)的方法是使物品的EPC和所在環(huán)境參數(shù)建立映射，并將其應(yīng)用于超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)研究物聯(lián)網(wǎng)感知層數(shù)據(jù)融合，所以在設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)時(shí)主要關(guān)注數(shù)據(jù)融合的效果，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的中間件、ONS和EPCIS不做重點(diǎn)討論。

在實(shí)驗(yàn)中為每個(gè)物品貼上一張電子標(biāo)簽（本實(shí)驗(yàn)采用的是96位的無(wú)源ISO-18000-6B型標(biāo)簽），使每個(gè)物品獲得一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的EPC，本實(shí)驗(yàn)的流程如下：

1）將EPC所對(duì)應(yīng)物品的詳細(xì)信息和屬性存儲(chǔ)在EPCISRepository中；

2）在物品的存儲(chǔ)過(guò)程中，讀寫(xiě)器獲取多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)和大量的EPC編碼信息，通過(guò)融合器處理之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EPCIS Repository中；

3）當(dāng)用戶(hù)要查詢(xún)某個(gè)物品某個(gè)時(shí)刻的基本信息和環(huán)境狀態(tài)時(shí)，就可以把物品的EPC或者名稱(chēng)作為關(guān)鍵字，經(jīng)過(guò)EPCIS的映射便可在EPCIS Repository中找到相關(guān)記錄和詳細(xì)信息；

4）如果用戶(hù)要求獲取即時(shí)環(huán)境狀態(tài)，也可以通過(guò)發(fā)出請(qǐng)求，由讀寫(xiě)管理器發(fā)出命令，要求讀寫(xiě)器讀取最新環(huán)境狀態(tài)，再進(jìn)行一些融合處理，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EPCIS Repository之后，轉(zhuǎn)到3）。圖6畫(huà)出了本實(shí)驗(yàn)的流程圖。

本實(shí)驗(yàn)采用Microsoft Access2003作為存儲(chǔ)融合EPC和物品所處環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)庫(kù)，在體系結(jié)構(gòu)中起EPCISRepository的作用。當(dāng)用戶(hù)要獲取物品所處的環(huán)境信息或者即時(shí)信息時(shí)，可以通過(guò)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)查詢(xún)，如圖7所示。

4 結(jié)論

本文首先介紹物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景和基本原理，再結(jié)合感知層的WSN和RFID網(wǎng)絡(luò)與超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的實(shí)際需要發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題。本文提出的將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和RFID數(shù)據(jù)融合的方法將物品所處的環(huán)境參數(shù)和EPC建立映射關(guān)系，和已提出的融合方法相比明顯地減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，并且適用于被動(dòng)式標(biāo)簽。一方面更適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶能量少、通信能力有限、計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限等問(wèn)題，另一方面也降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。在超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的應(yīng)用中表明該方法是可行的。