RFID與WSN融合模型的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

微電子技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，極大地促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和無線射頻識(shí)別（RFID）這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。RFID 技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，WSN 技術(shù)也在各種環(huán)境下發(fā)揮重要的作用，兩者在延續(xù)各自獨(dú)立的發(fā)展和研究路徑的同時(shí)，逐漸開始進(jìn)行融合技術(shù)的探索。

RFID 技術(shù)可以在短距離內(nèi)自動(dòng)快速確定對(duì)象的關(guān)鍵信息，主要用于對(duì)象的跟蹤與管理，但在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，管理對(duì)象對(duì)環(huán)境具有敏感性，需要通過遠(yuǎn)程觀察獲取周圍的物理環(huán)境信息[1]，傳統(tǒng)的RFID 技術(shù)無法解決這個(gè)問題。例如在一個(gè)使用RFID 的資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，僅采用射頻識(shí)別可以追蹤一個(gè)特定資產(chǎn)的當(dāng)前位置，卻不能獲取溫濕度等相關(guān)環(huán)境信息。WSN 由若干小型節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)具有感知、計(jì)算和無線通信的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以收集、聚合以及分析環(huán)境信息，用于火災(zāi)探測(cè)、污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，但它卻無法檢索具有物體關(guān)鍵信息的標(biāo)識(shí)以及位置。在這種情況下，通過對(duì)RFID 與WSN 的融合，我們可以構(gòu)建一個(gè)具備豐富環(huán)境信息的對(duì)象跟蹤和管理系統(tǒng) [2]，將兩種技術(shù)相輔相成，最大化提升兩者的效率，為更加廣泛的應(yīng)用提供新視角。

文中主要?dú)w納總結(jié)出了目前主流的四種融合模型，對(duì)模型進(jìn)行分析、優(yōu)化，并基于優(yōu)化的模型設(shè)計(jì)出一套新型RFID- WSN 融合系統(tǒng)。

1 四種融合模型

目前國內(nèi)外提出了諸多基于RFID 與WSN 融合的理論和應(yīng)用，Lei Zhang 等人較全面地總結(jié)了三種融合技術(shù)，即 RFID閱讀器與WSN基站的融合、分布式智能節(jié)點(diǎn)、智能傳感標(biāo)簽 [3]。AshwiniW. Nagpurkar等人首次將 RFID標(biāo)簽與傳感器的融合總結(jié)為有限通信能力（LimitedCommunicationCapability）和擴(kuò)展通信能力（ExtendedCommunicationCapability）[4]。通過對(duì)近年來相關(guān)研究的分析和總結(jié)，將目前主要的融合技術(shù)歸納為傳感器 - 標(biāo)簽融合模型、WSN- 標(biāo)簽融合模型、WSN- 閱讀器融合模型、WSN-RFID系統(tǒng)融合模型四種。四種 RFID與WSN融合模型如圖1所示。

1.1 傳感器 - 標(biāo)簽融合模型

傳感器 - 標(biāo)簽融合模型如圖 1（a）所示。將 RFID 標(biāo)簽與傳感器集成，使 RFID 標(biāo)簽配備環(huán)境感知能力，使標(biāo)簽可以通過傳感器采集環(huán)境信息，并直接作為識(shí)別信息被RFID 閱讀器快速讀取。Ferrer-Vidal 等人設(shè)計(jì)的搭載傳感器的超低功耗紙基 RFID 標(biāo)簽 [5] 與Cho 等人設(shè)計(jì)的搭載傳感器 5.1 W 功率的超高頻 RFID 標(biāo)簽[6] 即基于此種模型。

1.2 WSN- 標(biāo)簽融合模型

WSN- 標(biāo)簽融合模型如圖 1（b）所示。在 WSN 節(jié)點(diǎn)上集成 RFID 標(biāo)簽，集成方式分為兩種。一是在 WSN 節(jié)點(diǎn) Flash 上存儲(chǔ) RFID 標(biāo)準(zhǔn)格式的識(shí)別信息；另一種是直接在硬件上連接RFID 標(biāo)簽。這種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽不僅能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)簽信息的識(shí)別和追蹤，還能感知環(huán)境并互相傳遞信息。文獻(xiàn) [1] 和[7] 提出的SIWR 模型和RSN 模型便是在此模型基礎(chǔ)上將節(jié)點(diǎn)分為匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息管理，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息轉(zhuǎn)發(fā)，只有感知節(jié)點(diǎn)融合了 RFID 標(biāo)簽， 負(fù)責(zé)感知和識(shí)別。

1.3 WSN- 閱讀器融合模型

WSN- 閱讀器融合模型如圖 1（c）所示。通過 WSN 節(jié)點(diǎn)與 RFID 閱讀器的集成， 將 WSN 與 RFID 連接在一起。RFID 通過 WSN 遠(yuǎn)程交換數(shù)據(jù)， 擴(kuò)大了識(shí)別范圍。OmarM.Q. 等人設(shè)計(jì)的基于RFID 與WSN 的機(jī)器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) [8]、C.Salvatore 等人設(shè)計(jì)的工廠安全系統(tǒng) [9] 就是這種模型的應(yīng)用實(shí)例。該模型還可以與傳感器 - 標(biāo)簽融合模型共存，如Pablo GARCíA ANSOLA 等人設(shè)計(jì)的 ZigID 模型[10]。

1.4 WSN-RFID系統(tǒng)融合模型

WSN-RFID 系統(tǒng)融合模型如圖 1（d）所示。保持 WSN和RFID 的原有架構(gòu)，引入智能基站進(jìn)行系統(tǒng)集成。智能基站是搭載了融合框架的集成服務(wù)器，其主要任務(wù)是控制WSN 和RFID 進(jìn)行協(xié)同工作，采集WSN 與RFID 的信息，通過融合框架進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，呈現(xiàn)出更加綜合和智能的信息。Jaekyu Cho 等人提出的WSN 與RFID 融合框架SARIF[2] 正是該融合模型的實(shí)例。

2 融合模型的優(yōu)化

四種模型從不同的角度對(duì)RFID 與WSN 做了融合，相比融合之前都豐富了功能或提升了性能，但仍存在一些問題，因此需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 存在的問題

傳感器- 標(biāo)簽融合模型并沒有融合WSN的無線通信能力， 所以系統(tǒng)的覆蓋范圍過小是最顯著的問題。

WSN- 標(biāo)簽融合模型將 WSN- 標(biāo)簽作為WSN 節(jié)點(diǎn)，需要遵循入網(wǎng)、分配地址、握手通信、退網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，導(dǎo)致標(biāo)簽喪失了RFID 快速識(shí)別的特性，其數(shù)量和流動(dòng)性也受到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力的制約。

在WSN- 閱讀器融合模型中，WSN- 閱讀器是模型上層WSN 與下層RFID 連接的唯一樞紐，數(shù)據(jù)交換負(fù)載量大，一旦失效，便會(huì)導(dǎo)致融合系統(tǒng)癱瘓，所以模型存在負(fù)載均衡和魯棒性的問題。

在 WSN-RFID 系統(tǒng)融合模型中，WSN 與RFID 在硬件上相互獨(dú)立，部署成本是兩者之和，且單純依靠軟件層面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)協(xié)作來實(shí)現(xiàn)融合，也需要更高性能和成本的基站服務(wù)器。

2.2 優(yōu)化模型

針對(duì)上述四種模型存在的問題，結(jié)合WSN- 標(biāo)簽融合模型和WSN- 閱讀器融合模型，提出了圖 2 所示的優(yōu)化融合模型。

該優(yōu)化模型保留 WSN 節(jié)點(diǎn)的同時(shí)引入了 WSN- 標(biāo)簽和WSN- 閱讀器兩種融合節(jié)點(diǎn)，這是一種復(fù)合型融合架構(gòu)。模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都基于WSN 節(jié)點(diǎn)，具有環(huán)境感知和無線通信能力；WSN- 閱讀器節(jié)點(diǎn)和WSN- 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行無線射頻識(shí)別，即節(jié)點(diǎn)之間既可以按照WSN 架構(gòu)構(gòu)建，進(jìn)行遠(yuǎn)程采集傳輸， 也可以按照RFID 架構(gòu)構(gòu)建，進(jìn)行對(duì)象信息快速識(shí)別，抑或同時(shí)進(jìn)行。此舉解決了 WSN- 標(biāo)簽融合模型無法支持大量標(biāo)簽快速識(shí)別的問題，相比WSN- 閱讀器融合模型提升了負(fù)載均衡和魯棒性。

3 新型融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

優(yōu)化的融合模型能否發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)出高效的融合節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間如何構(gòu)建來滿足應(yīng)用需求。

3.1 新型融合節(jié)點(diǎn)

針對(duì)優(yōu)化模型中定義的三種節(jié)點(diǎn)， 文中將設(shè)計(jì)一種集WSN 節(jié)點(diǎn)、RFID 閱讀器、RFID 標(biāo)簽于一體的新型融合節(jié)點(diǎn)， 該新型節(jié)點(diǎn)既可以按WSN 節(jié)點(diǎn)工作，又可以按WSN- 閱讀器工作，也可以切換成WSN- 標(biāo)簽工作，既節(jié)約了硬件成本，又提高了系統(tǒng)的靈活性，能夠充分發(fā)揮優(yōu)化模型的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。新型融合節(jié)點(diǎn)架構(gòu)如圖 3 所示。

該架構(gòu)在 WSN 五層網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上集成了 RFID 角色層（ 包括 RFID 閱讀器和 RFID 標(biāo)簽） 和 RFID 應(yīng)用層。

WSN與RFID共用物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，這樣使得融合節(jié)點(diǎn)的硬件成本得到控制。原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層被分發(fā)，WSN 數(shù)據(jù)繼續(xù)向上層傳遞，RFID數(shù)據(jù)直接發(fā)送至 RFID 角色層， 實(shí)現(xiàn) RFID的快速識(shí)別。由于RFID角色層支持RFID閱讀器和RFID標(biāo)簽兩種角色，所以融合節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)RFID應(yīng)用層的設(shè)置，來進(jìn)行WSN 節(jié)點(diǎn)、WSN- 閱讀器與WSN- 標(biāo)簽三種角色的動(dòng)態(tài)切換。RFID應(yīng)用層與WSN應(yīng)用層既可以相互獨(dú)立運(yùn)行應(yīng)用，也可以配合執(zhí)行任務(wù)。

3.2 動(dòng)態(tài)構(gòu)建機(jī)制

由于這種新型融合節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)切換角色的能力，相應(yīng)的，融合系統(tǒng)也可以動(dòng)態(tài)變換其架構(gòu)，所以需要建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建機(jī)制，才能使系統(tǒng)體現(xiàn)出對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性，提高工作效率。

3.2.1 初始化構(gòu)建

首先要在基站建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)角色表， 按照 RFID 標(biāo)識(shí)信息將節(jié)點(diǎn)角色分別定義為WSN 節(jié)點(diǎn)、WSN- 閱讀器或WSN- 標(biāo)簽。系統(tǒng)啟動(dòng)后，所有節(jié)點(diǎn)先以WSN 節(jié)點(diǎn)角色組網(wǎng)， 并上傳自己的RFID 標(biāo)識(shí)信息。然后系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)角色表向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的角色配置命令，使節(jié)點(diǎn)切換為特定角色。

3.2.2 將WSN切換為RFID

當(dāng)需要把某個(gè)區(qū)域的WSN 切換為RFID 時(shí)，向該區(qū)域的匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送 WSN- 閱讀器啟動(dòng) 命令，此節(jié)點(diǎn)通過 RFID 應(yīng)用層啟動(dòng)RFID 閱讀器功能，向其所有子節(jié)點(diǎn)廣播 WSN- 標(biāo)簽啟動(dòng) 命令，使子節(jié)點(diǎn)啟動(dòng) RFID 標(biāo)簽功能。最后刪除所有子節(jié)點(diǎn)，并禁止WSN 接收入網(wǎng)，此時(shí)所有子節(jié)點(diǎn)離開 WSN 網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行RFID 快速識(shí)別。

3.2.3 將RFID切換為WSN

當(dāng)需要把某個(gè) RFID 系統(tǒng)切換為WSN 時(shí)， 向該 RFID 的閱讀器發(fā)送 WSN- 閱讀器停止 命令，此節(jié)點(diǎn)關(guān)閉 RFID 閱讀器功能，并啟用WSN 的接收入網(wǎng)功能，此時(shí)附近所有WSN- 標(biāo)簽將連為它的子節(jié)點(diǎn)。最后向子節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送 WSN- 標(biāo)簽停止 命令，關(guān)閉其 RFID 標(biāo)簽功能。

3.2.4 自適應(yīng)構(gòu)建

當(dāng)某個(gè)WSN 節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重，其子節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過系統(tǒng)閾值設(shè)定時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行 WSN 切換 RFID 操作來減輕該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載 ；當(dāng)某個(gè) WSN- 閱讀器在連續(xù)時(shí)間內(nèi)識(shí)別到某個(gè)WSN- 標(biāo)簽的次數(shù)高于系統(tǒng)閾值設(shè)定值時(shí)，將對(duì)此 WSN- 標(biāo)簽發(fā)送 WSN- 標(biāo)簽停止 命令，并將其連為 WSN- 閱讀器的子節(jié)點(diǎn)，以減輕WSN- 閱讀器的負(fù)載并避免與其他標(biāo)簽碰撞。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

首先，新型融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了RFID 與WSN 融合的基本目的，即遠(yuǎn)程環(huán)境信息采集和對(duì)象識(shí)別管理。其次，對(duì)比優(yōu)化前的四種融合模型，新型融合系統(tǒng)同時(shí)解決了它們的問題。最后，新型融合系統(tǒng)擴(kuò)大了識(shí)別范圍、支持大量標(biāo)簽的快速識(shí)別、提高了負(fù)載均衡性和魯棒性，很好的控制了成本。

但系統(tǒng)不支持被動(dòng)式 RFID 標(biāo)簽，因?yàn)橄到y(tǒng)使用的新型融合節(jié)點(diǎn)工作在WSN 的物理層上，無法支持被動(dòng)式RFID 標(biāo)簽的讀寫。因此系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域受到了一定限制。

4 結(jié) 語

本研究總結(jié)了四種典型的RFID 與WSN 融合模型，并針對(duì)這些模型存在的問題，提出了針對(duì)融合模型的優(yōu)化，并基于優(yōu)化模型設(shè)計(jì)了一套新型 RFID-WSN 融合系統(tǒng)。

本研究提出的融合系統(tǒng)由一種新型融合節(jié)點(diǎn)組成，該節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)設(shè)計(jì)基于WSN 網(wǎng)絡(luò)模型與RFID 協(xié)議的集成，在不增加硬件成本的情況下，通過軟件將 WSN 節(jié)點(diǎn)、RFID 標(biāo)簽和 RFID 閱讀器三種角色融于一體。通過設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)構(gòu)建機(jī)制來組織管理這些節(jié)點(diǎn)，融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 WSN 與RFID 的動(dòng)態(tài)切換和自適應(yīng)構(gòu)建。

最后根據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，本研究提出的新型融合模型及系統(tǒng)在主動(dòng)式RFID 的使用領(lǐng)域中具有更優(yōu)的特性和更靈活的應(yīng)用。