论文部分内容阅读
摘 要：射频识别技术和无线传感器网络（WSN）技术是普适计算中两个最为重要的组成部分，它们各自具有不同的优点和应用领域。射频识别传感器网络，将射频识别融入WSN中，利用无线传感器网络覆盖范围广等特点，能够实现远距离的信息识别和网络整体信息的综合管理。本文探讨射频识别技术与WSN技术相融合，对其融合方案进行了比较，并分析了射频识别与WSN相互融合的状况和发展趋势。
关键词：射频识别；无线传感器网络；混合网络
中图分类号：TP212.9；TN929.5
物联网技术是将各种信息传感设备如传感器装置、激光扫描、射频识别装置等结合互联网而形成的一个巨型网络。其目的是将万事万物都通过网络连接起来，从而可以实时实地的对物体进行识别、定位与追踪。在物联网技术提出之前，无线传感器网络技术与射频识别技术均是沿着各自的路线发展，并未探讨它们之间的兼容性，而在物联网的概念被提出之后，这两种技术不断进行融合，因此研究他们之间的协作工作方式具有重要意义。这些仪器联合地通过感知与处理的方式来收集周围环境的实时信息。
射频识别（RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对物体的自动识别。射频识别系统由标签阅读器和电子标签以及上位机软件组成。电子标签是信息的载体，其内部存储一个64位或96位二进制代码串。射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。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，射频识别技术进入商业化应用阶段。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，射频识别技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是2l世纪的最有发展前途的信息技术之一。射频识别技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和射频识别国际跨国公司都在加速推动射频识别技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生数千项关于射频识别技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。
无线传感器网络（WSN）通常包括传感器节点、Sink节点（汇聚节点）和管理节点。在传感器网络中，传感器节点随机部署在待检测区域，这些节点通过自组织方式组织形成无线网络，相互协作的方式采集、感知和处理网络覆盖区域内的有用信息，通过多跳方式将数据传回Sink节点，最后通过GPRS或互联网到达管理节点。用户发布监测任务，获取监测数据，还可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理。
WSN和射频识别有各自的优缺点。WSN可以感知和采集物体和周围环境的信息，但却不能实现对于物体身份的识别。而功能强大的射频识别技术能够弥补这个不足。射频识别容易受周围环境的影响，易受到信号干扰，从而产生阅读器冲撞而且有效距离较短。相对射频识别技术，WSN的有效作用距离大得多，通常可以达到100m，而射频识别技术最大达到10m。即使采用主动射频识别标签其有效识别范围1m-30m，但其距离仍然有限，这对射频识别的应用是一个极大的限制。考虑到射频识别可以作为一种特殊的传感器，它能够融入到WSN中，形成一种混合的网络结构（射频识别传感器网络），该网络结构可以兼备两种技术的优点，将有极其广阔的应用前景。
1 射频识别技术与WSN的融合
1.1 WSN节点与射频识别读写器的融合
普通的射频识别读写器不具备无线通信的能力，而WSN与射频识别融合后的读写器不仅可以远距离的获取到标签信息，而且能够实现无线通信能力，即可以随时读取标签信息，采集周围物体或环境信息，并与环境中其他节点自组织成多跳网络，将采集的节点数据有效的传输给上层应用系统。
标签和传感器将信息收集传送给智能站，然后智能站将信息发射给远端的LAN或者当地的主机。射频识别阅读器和WSN的功能被整合为一个基站的功能，所以射频识别和WSN采集的信息能够在这里进行整合。
1.2 WSN节点与射频识别标签的融合
传统的无线传感器节点不具备识别能力，而融合了标签的无线传感器网络节点不仅具备了感知、采集信息的能力，而且增添了射频识别的能力，使得标签具备自主获取信息的能力，此种模式下，融合了传感器节点的标签可以感知周围物品和环境的信息，并将感知信息存储在标签内存里。在这种网络结构中，主动式标签的能量源主要来自智能节点，它们能够互相通信。智能节点可以实现信息处理和网络管理。智能标签或者智能节点都能够实现以多跳的方式发送数据信息到网关。
智能节点给系统提供能量，它可以移动也可以固定，所有系统对这些智能节点产生依懒性。因此系统在这种结构下具有较小的可靠性，这就限制了它的应用。
2 WSN与射频识别融合存在的问题及展望
WSN与射频识别融合技术是一项新的技术，融合后的WSN可以利用射频标签提供的唯一标识功能来追踪感兴趣的物体，同样，融合后的射频识别可以通过无线传感器网络来采集物体或周围环境信息。毫无疑问，WSN与射频识别技术的融合能够推动更多新技术的改进。综合来讲，此项融合技术目前还存在以下几方面问题：（1）传统的射频识别系统中并没有嵌入协议到阅读器中，因此，阅读器只是被动的工作，系统控制阅读器的所有工作。另一方面，阅读器体积庞大，这也一定程度上限制了它的可移动性，而且阅读器工作的天线也是要经过精确计算出其位置，以上这些都无疑限制了射频识别的应用，如果降低对读写器功能的要求，那么其体积就会相应增大，成本会降低，但使用就不会方便。因此，如何避免以上弊端，提出一种新的智能节点传感器迫在眉睫；（2）由于射频识别系统中的碰撞问题一直是此领域的难题，因此对于融合WSN与射频识别技术后的系统也不可避免产生此类问题，如果当阅读器发生碰撞时，射频识别系统会根据已有的防碰撞协议向阅读器或读写器发出控制命令。但是，读写器之间存在端到端的时延而无法及时回应，这样会加重防碰撞问题的产生。另外，对于网络安全方面的考虑，网络中的节点数目越多，潜在的安全隐患就越大，如何解决这些问题对于WSN与射频识别的融合技术的推广具有至关重要的作用；（3）WSN与射频识别技术得以广泛使用的重要步骤就是如何部署节点，以及部署工具和方式，如何能够在大多数应用中得以推广。当然这些工具和方式的选择要考虑的一个重要问题就是如何高效的利用有效的资源。此外，受到市场成本的限制，如何利用最低的原料成本和最简单有效的制造过程也是一重要难题。
3 结束语
文中给出了两种融合射频识别和WSN技术的结构形式，对这两种融合结构形式进行了深入的分析和比较。将射频识别与WSN融合，可以充分利用射频识别中的读写器可以较强的处理数据的能力，阅读器每隔一段时间对处于其射频范围内的节点，不论是移动或静止，都可以广播相应的信号，以便观察者随时了解区域内节点情况，相对于传统的传感器网络组网的机制，这种方法具有鲁棒性、扩展性强和收敛性等优点。射频识别和WSN可以形成自然的结合，融合二者的技术具备一些传统的无线通信网络技术无法比拟的优势，如何研制灵敏度更高的传感器节点，更节能的信息处理以及更持久耐用的电源等问题是下一代无线传感器网络发展的新方向，具有更广的应用前景。
参考文献：
[1]徐东理.清思路才能用好射频识别[J].信息系统工程.2006（08）：45.
[2]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3]李凤保，李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报，2005（08）：559-561.
作者简介：秦贞华（1986-），女，山东枣庄人，硕士，助教，主要从事物联网应用研究。
作者单位：浙江机电职业技术学院，杭州 310053
基金项目：校级课题：融合RFID和ZIGBEE技术的智能电子手铐系统（项目编号：A-0271-14-004）。
关键词：射频识别；无线传感器网络；混合网络
中图分类号：TP212.9；TN929.5
物联网技术是将各种信息传感设备如传感器装置、激光扫描、射频识别装置等结合互联网而形成的一个巨型网络。其目的是将万事万物都通过网络连接起来，从而可以实时实地的对物体进行识别、定位与追踪。在物联网技术提出之前，无线传感器网络技术与射频识别技术均是沿着各自的路线发展，并未探讨它们之间的兼容性，而在物联网的概念被提出之后，这两种技术不断进行融合，因此研究他们之间的协作工作方式具有重要意义。这些仪器联合地通过感知与处理的方式来收集周围环境的实时信息。
射频识别（RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对物体的自动识别。射频识别系统由标签阅读器和电子标签以及上位机软件组成。电子标签是信息的载体，其内部存储一个64位或96位二进制代码串。射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。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，射频识别技术进入商业化应用阶段。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，射频识别技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是2l世纪的最有发展前途的信息技术之一。射频识别技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和射频识别国际跨国公司都在加速推动射频识别技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生数千项关于射频识别技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。
无线传感器网络（WSN）通常包括传感器节点、Sink节点（汇聚节点）和管理节点。在传感器网络中，传感器节点随机部署在待检测区域，这些节点通过自组织方式组织形成无线网络，相互协作的方式采集、感知和处理网络覆盖区域内的有用信息，通过多跳方式将数据传回Sink节点，最后通过GPRS或互联网到达管理节点。用户发布监测任务，获取监测数据，还可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理。
WSN和射频识别有各自的优缺点。WSN可以感知和采集物体和周围环境的信息，但却不能实现对于物体身份的识别。而功能强大的射频识别技术能够弥补这个不足。射频识别容易受周围环境的影响，易受到信号干扰，从而产生阅读器冲撞而且有效距离较短。相对射频识别技术，WSN的有效作用距离大得多，通常可以达到100m，而射频识别技术最大达到10m。即使采用主动射频识别标签其有效识别范围1m-30m，但其距离仍然有限，这对射频识别的应用是一个极大的限制。考虑到射频识别可以作为一种特殊的传感器，它能够融入到WSN中，形成一种混合的网络结构（射频识别传感器网络），该网络结构可以兼备两种技术的优点，将有极其广阔的应用前景。
1 射频识别技术与WSN的融合
1.1 WSN节点与射频识别读写器的融合
普通的射频识别读写器不具备无线通信的能力，而WSN与射频识别融合后的读写器不仅可以远距离的获取到标签信息，而且能够实现无线通信能力，即可以随时读取标签信息，采集周围物体或环境信息，并与环境中其他节点自组织成多跳网络，将采集的节点数据有效的传输给上层应用系统。
标签和传感器将信息收集传送给智能站，然后智能站将信息发射给远端的LAN或者当地的主机。射频识别阅读器和WSN的功能被整合为一个基站的功能，所以射频识别和WSN采集的信息能够在这里进行整合。
1.2 WSN节点与射频识别标签的融合
传统的无线传感器节点不具备识别能力，而融合了标签的无线传感器网络节点不仅具备了感知、采集信息的能力，而且增添了射频识别的能力，使得标签具备自主获取信息的能力，此种模式下，融合了传感器节点的标签可以感知周围物品和环境的信息，并将感知信息存储在标签内存里。在这种网络结构中，主动式标签的能量源主要来自智能节点，它们能够互相通信。智能节点可以实现信息处理和网络管理。智能标签或者智能节点都能够实现以多跳的方式发送数据信息到网关。
智能节点给系统提供能量，它可以移动也可以固定，所有系统对这些智能节点产生依懒性。因此系统在这种结构下具有较小的可靠性，这就限制了它的应用。
2 WSN与射频识别融合存在的问题及展望
WSN与射频识别融合技术是一项新的技术，融合后的WSN可以利用射频标签提供的唯一标识功能来追踪感兴趣的物体，同样，融合后的射频识别可以通过无线传感器网络来采集物体或周围环境信息。毫无疑问，WSN与射频识别技术的融合能够推动更多新技术的改进。综合来讲，此项融合技术目前还存在以下几方面问题：（1）传统的射频识别系统中并没有嵌入协议到阅读器中，因此，阅读器只是被动的工作，系统控制阅读器的所有工作。另一方面，阅读器体积庞大，这也一定程度上限制了它的可移动性，而且阅读器工作的天线也是要经过精确计算出其位置，以上这些都无疑限制了射频识别的应用，如果降低对读写器功能的要求，那么其体积就会相应增大，成本会降低，但使用就不会方便。因此，如何避免以上弊端，提出一种新的智能节点传感器迫在眉睫；（2）由于射频识别系统中的碰撞问题一直是此领域的难题，因此对于融合WSN与射频识别技术后的系统也不可避免产生此类问题，如果当阅读器发生碰撞时，射频识别系统会根据已有的防碰撞协议向阅读器或读写器发出控制命令。但是，读写器之间存在端到端的时延而无法及时回应，这样会加重防碰撞问题的产生。另外，对于网络安全方面的考虑，网络中的节点数目越多，潜在的安全隐患就越大，如何解决这些问题对于WSN与射频识别的融合技术的推广具有至关重要的作用；（3）WSN与射频识别技术得以广泛使用的重要步骤就是如何部署节点，以及部署工具和方式，如何能够在大多数应用中得以推广。当然这些工具和方式的选择要考虑的一个重要问题就是如何高效的利用有效的资源。此外，受到市场成本的限制，如何利用最低的原料成本和最简单有效的制造过程也是一重要难题。
3 结束语
文中给出了两种融合射频识别和WSN技术的结构形式，对这两种融合结构形式进行了深入的分析和比较。将射频识别与WSN融合，可以充分利用射频识别中的读写器可以较强的处理数据的能力，阅读器每隔一段时间对处于其射频范围内的节点，不论是移动或静止，都可以广播相应的信号，以便观察者随时了解区域内节点情况，相对于传统的传感器网络组网的机制，这种方法具有鲁棒性、扩展性强和收敛性等优点。射频识别和WSN可以形成自然的结合，融合二者的技术具备一些传统的无线通信网络技术无法比拟的优势，如何研制灵敏度更高的传感器节点，更节能的信息处理以及更持久耐用的电源等问题是下一代无线传感器网络发展的新方向，具有更广的应用前景。
参考文献：
[1]徐东理.清思路才能用好射频识别[J].信息系统工程.2006（08）：45.
[2]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3]李凤保，李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报，2005（08）：559-561.
作者简介：秦贞华（1986-），女，山东枣庄人，硕士，助教，主要从事物联网应用研究。
作者单位：浙江机电职业技术学院，杭州 310053
基金项目：校级课题：融合RFID和ZIGBEE技术的智能电子手铐系统（项目编号：A-0271-14-004）。