融合无线传感器网络的RFID系统

本文探讨了无线传感网络与射频识别技术融合的意义,研究了有实际应用价值的融合方案,即由融合方案中的"智能节点"完成信息采集、识别及传输,充分发挥了射频识别技术的信息标识功能和无线传感网络自组网的成本低、传输距离远等优点,以此来扩展传统射频识别系统的覆盖范围和传输距离。研究结果表明,射频识别系统与无线传感器网络具有一定的互补性,将它们结合具有一定意义。

国际电信联盟提出的"物联网"报告指出,物联网技术的发展有4 大关键性应用技术,射频识别RFID、无线传感器网络WSN、智能技术及纳米技术。其中RFID 和WSN 位于4 大关键性应用技术前列RFID 与WSN 有着各自不同的起源、发展和应用侧重点,然而随着两种技术的不断发展,RFID 与WSN的融合越来越成为一种趋势。RFID 诞生较早,最初是为方便识别物品的编号信息,其标签结构也很简单,只存储简单的ID 信息,由读卡器通过无线电激活。随着技术不断进步,RFID 标签的功能变得越来越完善,逐步加入了微处理器、电池和通信传输协议等,这种转变越来越与WSN 中的节点接近,如果RFID 系统与WSN 相结合,则将会让标签信息的采集更加方便和智能化,且借助WSN 强大的组网功能可扩大RFID 系统识别信息的传输范围; 从无线传感器网络的角度讲,它的研究内容侧重于网络连接和传感信息的收集,RFID 技术的加入,则使得传感器网络应用找到新的突破口,因此,RFID 系统与传感器网络技术具有一定的互补性,将它们结合具有重要意义。

1 射频识别

射频识别技术( Radio Frequency IdentificatiON,RFID) ,作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础,已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一。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,RFID 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间,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,RFID 技术在物流、交通、电信、农牧、民航、票据、防伪、安全和医疗等领域的重大工程都得到了试点推广及应用,并取得了良好的效果。与其他识别技术相比,RFID 的工作无需人工干预,可自动工作于各种恶劣环境、对标签可进行读写、数据加密等诸多优越性,对改善人们生活质量,提高企业效益,加强公共安全生产有着重要意义。随着技术进一步成熟和成本进一步降低,RFID 正逐步应用到各行各业当中,尤其是政府推行的公共事业管理等众多领域,如金融IC 卡、交通一卡通和移动支付等。典型的RFID 系统如图1 所示。


图1 RFID 系统组成框图

典型的RFID 系统一般由阅读器、电子标签、RFID 中间件及应用软件系统3 部分组成。阅读器与标签建立双向通信,通常由射频接口、逻辑控制单元和天线3 部分组成; 标签用于存储所标识物品的身份和属性信息,属于被识别物品的标识设备,通常附着在被识别物品表面或内部,是RFID 系统的电子数据载体,由MCU、耦合线圈、整流滤波电路和自耦变压器构成; 阅读器能够在读取信息后将现存的被标识物品的信息通告给另一个系统,这个系统通常运行一种软件,该软件在阅读器和应用层面之间,通常被称为RFID 中间件。中间件是连接RFID设备和企业应用程序的纽带,也是RFID 系统的核心,中间件将基于不同平台、不同需求的应用环境与RFID 物理设备连接起来,并提供合适的接口使之能够进行数据交换。根据RFID 系统中射频信号耦合方式的不同可分为电感耦合和电磁反向散射耦合方式,电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。电磁反向散射耦合方式一般适合于特高频、超高频工作的长距离射频识别系统,具体应用如表1 所示。


表1 RFID 标签的工作频率及典型应用

2 无线传感网络

无线传感器网络( Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点构成,通过无线通信形成一个多跳的自组织网络系统,网络中各传感器节点具有数据收集和将数据路由到协调器的功能。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的3 个要素。传感器节点一般由采集信息、信号的传感器单元、处理与存储单元、收发单元、电源单元、相关支持软件等功能模块组成。自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的可重构的多跳网络,网络拓扑、信道环境、业务模式随节点的移动而动态改变。WSN 也是一项有着广阔应用前景的技术,它能够实现数据采集,处理融合和传输。因此,该技术可以实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象的信息,并且其商业化进程还在不断发展。无线传感器网络和RFID 技术的不断发展,在技术方面具有越来越多的相似性。可见,将无线传感器网络技术RFID 相结合具有实际应用意义,会为即将到来的物联网时代提供更多的机会和空间,有着巨大的经济效益和社会意义,如RFID 和温度、湿度或加速度传感器联合使用,不仅可以监控物品的运输,而且还可将运输过程中贮存温度不达标、食品过期等信息通过信息网络送至监控中心; 载送物品货车行驶速度过快的相关信息也会被加速度传感器捕捉到,监控中心在接收到信息后会对货车司机发出警报,甚至通过控制信息自动控制货车速度达到正常水平。

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