融合无线传感网络的长距离射频识别系统

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。

3 融合WSN的RFID系统
当前对RFID技术的深入研究主要集中在标签、阅读器和RFID中间件3个方面。前两个方向主要涉及硬件开发，而RFID中间件是目前的一个研究热点。RFlD中间件技术扮演了阅读器和应用层面中介的角色，提供对原始信息的分析、过滤与传输；还提供安全管理、资源定位、错误处理和冲突解除等功能。由于RFID阅读器只是简单地将原始标签信息从射频标签中读出，并不进行处理和传送；如果要与应用层面进行交互，必须由其他设备和软件完成。如何将上层应用与阅读器连接是部署RFID应用的关键问题。在实际工作中，阅读器对标签进行读写，然后将采集到的识别数据传送给服务器，在各种RFID规范当中，绝大多数是对信息采集过程的定义，对信息如何传送给服务器的环节并没有很多限制，即RFID中间件如何实现，这个环节是无线传感器网络融合入RFID系统的研究重点，完全可以让WSN与RFID系统协同工作，使RFID阅读器充当WSN节点的角色，即构建“智能节点”，将识别到的标签信息通过WSN进行传输，这种应用既有RFID系统的功能，又具有WSN成本低、部署方便、传输距离远等特点，即WSN作为RFID中间件实现数据向RFID服务器或其他网络传送，以此来扩展RFID系统的应用范围。对于目前RFID系统中的阅读器来说，只能在本地控制系统的控制下工作，它庞大的体积，昂贵的价格限制了移动和大量布置。而且，RFID阅读器的天线必须仔细设计，以便可以覆盖到范围内所有的标签，还要防止不同阅读器天线之间的碰撞。这些不利因素都限制了RFID的进一步应用。如果能够削减RFID阅读器的部分功能，可以使得阅读器成本降低且容易布置。因此，一种分布式智能节点的构建如图2所示。

该方案将RFID阅读器融人到了WSN的节点中，建立了“智能节点”，可看作融合前WSN的路由器节点，智能节点很小，可以较密散布在待测区域，每个智能节点读取少量标签。由于标签数据的相似性，智能节点可以获得较高的数据压缩率。智能节点自动工作，最终识别数据以自组网多跳的方式传输到汇聚节点(Sink Node)，也称协调器节点。智能节点工作示意图，如图2所示。
每个智能节点包括传感部分、RFID读写部分、中央控制部分和通信部分。智能节点可以布置到一个自组织的无线传感器网络中，自主运行，通过网络传送数据给后台服务器。所有智能节点是同构的，因此可以使用简单高效的数据压缩方法。最后，一个灵活的传输协议是必须的，目前常用的是ZigBee协议。