RFID技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合_RFSN

1、科技信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN 1是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形 成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 。 它具有感測 、 運算與網(wǎng)絡(luò)能力, 通過 傳感器協(xié)同地實時監(jiān)測 、 感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測 對象的信息, 如溫度 、 濕度 、 光照 、 氣體濃度 、 震動幅度等, 并對其進行處 理, 然后由無線網(wǎng)絡(luò)將搜集到的信息傳送給監(jiān)控者; 監(jiān)控者解讀報表信 息后, 便可掌握現(xiàn)場狀態(tài), 進而管理 、 控制相關(guān)系統(tǒng) 。 由于 WSN 在軍事 、 工業(yè) 、 交通 、 安全 、 醫(yī)療以及家庭和辦公環(huán)境等很多方面都有著廣泛的 用途, 近年來在國際上引起了廣泛的重視和投入 。RFID 射頻識別技術(shù)

2、 2是 20世紀 90年代開始興起的一種自動識別 技術(shù), 射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合 (交變磁場或電 磁場 傳播來實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到自動識別目 標的一種技術(shù) 。 最基本的 RFID 系統(tǒng)組成是由電子標簽 (Tag 和電子標 簽讀寫器 (Reader 組成 。 讀寫器通過射頻信號同電子標簽進行通信, 即 系統(tǒng)通過讀寫器給電子標簽發(fā)射指令,并通過讀寫器分析電子標簽返 回的信息 。 所以, 電子標簽是個應(yīng)答器, 用來響應(yīng)讀寫器的指令, 并報告 處理結(jié)果 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當前國際上備受關(guān)注的由多學科交叉的新興研 究熱點, 在發(fā)展過程中借鑒了許多新的技術(shù), 而 R

3、FID 技術(shù)被業(yè)界公認 為是本世紀最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用技術(shù)之一,因此, RFID 和 WSN 兩者的融合是一個受人關(guān)注的發(fā)展方向 。 由于 RFID 標簽具有對物體的 唯一標識能力, 可以通過與傳感器技術(shù)相結(jié)合, 感知周圍物品和環(huán)境的 溫度 、 濕度和光照等狀態(tài)信息, 并利用無線通信技術(shù)方便地把這些狀態(tài) 信息及其變化傳遞到計算單元, 提高環(huán)境對計算模塊的可見度, 能為人 們提供更多的服務(wù) 。 WSN 和 RFID 技術(shù)融合形成 RFSN 網(wǎng)絡(luò)有較大的 應(yīng)用前景 。1、 WSN 和 RFID 的結(jié)合契機從通信技術(shù)發(fā)展的角度來看,由 RFID 和 WSN 構(gòu)成的通信信息系 統(tǒng)均存在一些不足之處

4、, 削弱了各自的應(yīng)用范圍, 使得技術(shù)發(fā)展的最終 結(jié)果是出現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和功能更加強大的通信系統(tǒng) 。 因此, 從根 本上看, RFID 和 WSN 兩個系統(tǒng)和技術(shù)的互補成為了必然 。WSN 網(wǎng)絡(luò)是傳感器節(jié)點通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)組網(wǎng), 節(jié)點的加 入或退出, 都要重新組網(wǎng), 且節(jié)點之間存在數(shù)據(jù)冗余, 流量不均衡, 因 此, WSN 網(wǎng)絡(luò) 1要求能夠自動調(diào)整以適應(yīng)節(jié)點的移動 、 休眠 、 剩余電量 和無線傳輸范圍的變化等, 這使得 WSN 的網(wǎng)絡(luò)體系復(fù)雜, 需要較高的 能耗來維持其網(wǎng)絡(luò)的存在, 覆蓋范圍也有限 。在 RFID 的實際應(yīng)用中, 附著在被識別的物體上 (表面或內(nèi)部 的電 子標簽, 只

5、存儲有關(guān)于物體的自身的一些基本信息, 系統(tǒng)無法通過標簽 了解物體的狀態(tài)及其與環(huán)境之間的變化信息, 且 RFID 抗干擾性較差而 且傳輸距離 2有限 (有效距離一般小于 10m 。 RFID 自身存在的這些不足 之處對它的應(yīng)用構(gòu)成一定的限制,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)及自主感知 外界信息的優(yōu)勢剛好可以彌補 RFID 的這些缺點,這無疑會使得 RFID 功能增強, 應(yīng)用范圍擴大 。首先, 因為 WSN 可以監(jiān)測四面八方感應(yīng)到的資料, 其與 RFID 技術(shù) 結(jié)合后, 使之具有環(huán)境的感知能力, 可增強信息的獲取能力, 這將能彌 補 RFID 高成本以及須依靠讀取器方能搜集信息的缺點 。 其次,利用 WSN

6、網(wǎng)絡(luò)高達 100m 的有效傳輸半徑,將 RFID 與 WSN 整合就可以形 成一個覆蓋全部范圍的網(wǎng)絡(luò) 。 最后, 將傳感器依附于 RFID 形成的網(wǎng)絡(luò) 較為簡單, 不需要太復(fù)雜的協(xié)議和較高的能耗來維持其網(wǎng)絡(luò)的存在 。 這 樣相互融合后形成的 RFSN 網(wǎng)絡(luò), 一方面可以替代 WSN 對有限范圍內(nèi) 的信息進行監(jiān)測,另一方面則可以作為物體的標簽標志對象并主動獲 取對象的信息 。2、 WSN 和 RFID 的有機融合要將 WSN 和 RFID 的技術(shù)優(yōu)勢互補,形成一個功能更強的無線網(wǎng) 絡(luò), 就要設(shè)計和選擇一種合適的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 。 該網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可由分 層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 、 網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)

7、 3部分組成 。 由于與傳 統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有較大的不同,因此研究 RFSN 時從網(wǎng)絡(luò)分層模型的角 度分析, 各層都需要結(jié)合 RFSN 網(wǎng)絡(luò)的特點進行研究 。 RFSN 網(wǎng)絡(luò)分層 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 4由物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 傳輸層和應(yīng)用層組 成 。 物理層的功能包括信道的選擇 、 信號的監(jiān)測 、 發(fā)送與接收等, 要以盡 可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量 。 數(shù)據(jù)鏈路層主要任務(wù)是保證 物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)盡量正確, 同時提高系統(tǒng)頻譜效率 。 網(wǎng)絡(luò)層的功能包 括分組路由 、 擁塞控制等, 而傳輸層主要用于提供可靠的 、 額外開銷合 理的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) 。 應(yīng)用層提供了各種具體的增值業(yè)務(wù)應(yīng)用

8、, 同時也提 供時間同步和節(jié)點定位功能 。 下面就其中需要解決的熱點問題和已有 的方案進行探討 。2.1基于 ZigBee 技術(shù)的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)由 WSN 和 RFID 融合形成的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)有其自身的特點:(1 與傳 統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò) (如移動通信網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計目標不同, 前者以數(shù)據(jù)為中心, 后 者以傳輸數(shù)據(jù)為目的 。 (2 低數(shù)據(jù)量傳輸, 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)主要由標簽內(nèi) 含的信息和傳感器搜集的外部信息組成 。 (3 由于組網(wǎng)的低成本 、 低能 耗 、 體積小 、 野外部署等要求, 標簽節(jié)點在供電 、 計算 、 存儲 、 通信等方面 的能力比較受限 。 因此需要設(shè)計有效的極低功耗傳感收發(fā)技術(shù), 要省

9、能 省電, 能自適應(yīng)休眠和喚醒, 能突發(fā)工作, 以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為 RFSN 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)關(guān)鍵 。為了滿足這類小型 、 低成本設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)要求, 2000年 IEEE 成 立了 IEEE 802.15.4工作組, 致力于定義一種供廉價的 、 固定 、 便攜或移 動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度 、 低成本及低功耗的低速率無線連接技術(shù), 這 就是 ZigBee 技術(shù) 3。ZigBee 是一組基于 IEEE 批準通過的 802.15.4無線標準研制開發(fā) 的有關(guān)組網(wǎng) 、 安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標準 。 完整的 Zigbee 協(xié)議套件 由高層應(yīng)用規(guī)范 、 應(yīng)用會聚層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組

10、成 。 Zigbee 的基礎(chǔ)是 IEEE 802.15.4, IEEE 為低能耗簡單設(shè)備提供有效覆蓋 范圍在 10100m 左右低速連接的無線互聯(lián)標準 。 該標準定義了 Zig-bee 協(xié)議套件中的物理層 (PHY和數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC 子層 。 IEEE 僅處 理低級 MAC 層和 PHY 協(xié)議, 網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟 5制定并對 其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 進行了標準化 。2.2基于 ZigBee 技術(shù)的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以 ZigBee 協(xié)議 4為紐帶, 將 WSN 同 RFID 有機地結(jié)合構(gòu)成 RFSN 網(wǎng)絡(luò), 通過無線通信把一個個獨立的含有傳感器標簽組成星狀 、 樹狀和

11、 網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 。 在 RFSN 網(wǎng)絡(luò)中, 由 ZigBee 規(guī)范定義了三種類型的 設(shè)備:ZigBee 協(xié)調(diào)器 、 路由器和終端設(shè)備 。 其中讀寫器承擔了協(xié)調(diào)器和 路由器的功能, 它負責與所控制的標簽節(jié)點通信 、 匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制 和通信路由的作用 。 傳感器標簽作為終端設(shè)備執(zhí)行相關(guān)的功能 。 帶有傳 感器的標簽通過各種方式, 部署在監(jiān)視對象內(nèi)部或者附近, 由讀寫器構(gòu) 成的中心節(jié)點通過廣播方式組織無線網(wǎng)絡(luò), 以詢問 、 應(yīng)答的方式感知 、 采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息,可以實現(xiàn)對任意地點信息在 任意時間的采集 、 處理和分析 。 這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò), 通過中 心節(jié)點多跳中繼

12、方式將數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)節(jié)點 (接收發(fā)送器 , 除了向各節(jié)RFID 技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合 RFSN 宜賓學院應(yīng)用技術(shù)學院 鄒永祥 成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院 吳建平摘 要 本文在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線射頻識別技術(shù)的優(yōu)勢和不足的基礎(chǔ)上, 通過 IEEE802.15.4標準將兩者結(jié)合, 形成一種在各方面均有較大的改善和提高的新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) R FSN 。 根據(jù)此類系統(tǒng)的應(yīng)用特點, 提出兩類網(wǎng)絡(luò)融合的體系結(jié)構(gòu), 給出了物理層通信鏈路技術(shù) 、 介質(zhì)訪問控制方法 、 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議以及天線等關(guān)鍵技術(shù)的研究思路 。 該體系具有良好的開放性, 提高了系統(tǒng)的利用率和可重復(fù)使用性 。關(guān)鍵詞 無線傳

13、感器網(wǎng)絡(luò) RFID 融合 RFSN作者簡介:鄒永祥 (1973.12- , 男, 碩士, 講師, 研究方向:信號采集與處理; 智能信息處理 。 吳建平 (1954.2- , 女, 教授, 成都理工大學核技術(shù)與自動化 學院測控系, 研究領(lǐng)域:測控技術(shù)與智能儀器 。博士 ·專家論壇367 科技信息點傳輸數(shù)據(jù)和命令外,還可借助 CERNET 鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通 過 Internet 或通信衛(wèi)星傳送到遠程控制中心進行集中處理 。 一個典型的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示, 它包括分布式傳感器節(jié)點 (群 、 sink 節(jié)點 (讀寫器 、 互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控中心等, 在網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)的節(jié)

14、點只有很 小的發(fā)射范圍, 而讀寫器節(jié)點的發(fā)射能力較強, 具有較高的電能, 可以 把數(shù)據(jù)發(fā)回遠程控制節(jié)點 。圖 1RFSN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖2.3基于 IEEE802.15.4標準的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層RFSN 網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計目標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量 。 IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM 頻段, 它定義了 兩個物理層, 即全球的 2.4GHz ISM 頻段 、 歐洲的 868MHz 頻段 /美國的 915MHz 頻段 。 而 RFID 本身根據(jù)不同的應(yīng)用場合使用了多種不同的頻 段, 其中 802.15.4定義的三個頻段均在 RFID 工作頻

15、段之中, 這就為 WSN 和 RFID 在物理層的通信融合奠定了基礎(chǔ) 。 在 802.15.4中, 總共分配了 27個具有三種速率的信道:在 2.4GHz 頻段有 16個速率為 250kbit/s的信 道,在 915MHz 頻段有 10個 40kbit/s的信道,在 868M Hz 頻段有 1個 20kbit/s的信道 。 因此 RFSN 網(wǎng)可以根據(jù)可用性 、 擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在 27個信道中選擇一個工作信道 。 從能量和成本效率來看,不同的數(shù) 據(jù)速率能為不同應(yīng)用的 RFSN 組網(wǎng)通信提供較好的選擇 。鏈路層提供設(shè)備之間單跳通信 、 可靠傳輸和通信安全 。 IEEE802系 列標準把數(shù)據(jù)鏈路

16、層分成 LLC 和 MAC 兩個子層 。 其中 LLC 子層的主 要功能是傳輸可靠性的保障和控制 。 M AC 子層為高層訪問物理信道提 供點到點通信的服務(wù)接口, 802.15.4的 M AC 層基于 802.11無線 LAN 標準, 采用 CSMA/CA接入, 為降低功耗, 標準采用了緩存機制 。 在 RFSN 網(wǎng)絡(luò)中,為了防止由于多個傳感器標簽的數(shù)據(jù)在讀寫器的接收機中相 互碰撞而不能準確讀出, 保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃? 必須采用反碰撞方法 來加以克服 。 解決防碰撞問題有以下幾種方法:空分多路法, 頻分多路法,時分多路法 。 根據(jù)傳感器標簽工作頻段之不同,人們也提出了不同的防 沖突算法 。如

17、在高頻 (HF 頻段采用經(jīng)典 ALOHA 協(xié)議, 超高頻 (UHF 頻段 主要采用樹分叉算法來避免沖突 。2.4網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層功能包括拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護 、尋址 、 路由和安全, 具有 自組織 、自維護功能 , 最大程度減少消費者的開支和維護成本 。 由于 RFSN 網(wǎng)絡(luò)資源受限, 因此路由協(xié)議的設(shè)計原則是算法簡單, 不能在節(jié)點保存太多的狀態(tài)信息, 節(jié)點間不能交換太多的路由信息, 因此其路由算法在設(shè)計時需要特別考慮能耗的問題 。 ZigBee 協(xié)議 4的網(wǎng)絡(luò)層采用基于 Ad hoc 技術(shù)的路由協(xié)議,除了包含通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外, 還 與底層的 IEEE802.15.4標準同樣省電 。 另外, 還

18、同時實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護, 降低網(wǎng)絡(luò)的維護成本 。整個協(xié)議的設(shè)計具有數(shù)據(jù)傳輸速率 低 、 功耗低 、 成本低等特點, 使得具體的實現(xiàn)要求很低 。在 RFSN 網(wǎng)絡(luò)中, 存在兩個層次的網(wǎng)絡(luò)通信, 一個是由感知標簽節(jié) 點與中心節(jié)點 (讀寫器 組成通信網(wǎng)絡(luò), 標簽節(jié)點之間不進行數(shù)據(jù)交換, 傳感器標簽節(jié)點只與中心節(jié)點 (讀寫器 通信, 屬于共享廣播信道, 因此 只需簡單的協(xié)議支持即可 。 而在大型的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)中, 在監(jiān)視區(qū)域分成 了許多簇, 每個簇有固定的中心節(jié)點 (讀寫器 和大量成員節(jié)點, 中心節(jié) 點起中心管理或控制節(jié)點集合的作用 。 它們之間互相通信組成上一層 網(wǎng)絡(luò), 以自組織形式構(gòu)成

19、無線網(wǎng)絡(luò), 并通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點 (接收發(fā)送器。 因此對于由中心節(jié)點構(gòu)成的這一級網(wǎng)絡(luò), 可 以使用 IEEE802.15.4標準組建 。將 RFID 與 WSN 進行融合,可以充分利用讀寫器較一般節(jié)點強大 得多的處理能力, 讀寫器每隔一段時間對其范圍內(nèi)的節(jié)點 (移動或靜止 廣播相應(yīng)的信號, 以了解其區(qū)域內(nèi)的節(jié)點工作和分布, 相對于以往傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)機制, 這種方法在擴展性 、 穩(wěn)定性 、 魯棒性 、 收斂性和能量感知等方面均有不可比擬的優(yōu)勢 。2.5RFSN 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層應(yīng)用層主要功能是保障數(shù)據(jù)傳輸安全和提供高層應(yīng)用規(guī)范 。 RFSN 網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議包括高層應(yīng)用規(guī)范 、

20、應(yīng)用會聚層, 由 ZigBee 技術(shù)確定 。 在高層應(yīng)用規(guī)范中, ZigBee 定義了一個抽象接口, 而平臺供應(yīng)商提供了應(yīng)用編程接口 (API,該 API 定義了應(yīng)用如何被集成到 ZigBee 協(xié)議棧的 規(guī)則 。 應(yīng)用會聚層將主要負責把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上 。傳感器標簽要在對信息有保密要求的領(lǐng)域展開應(yīng)用,還面臨著信 息安全方面的障礙, 因為傳感器標簽中惟一的標識符很容易被人復(fù)制,這樣使得標簽中所包含的機密信息可能被人盜竊 。另外, 傳感器標簽的 基本驗證機制也存在嚴重的安全缺陷,因為當前的無源傳感器標簽系 統(tǒng)沒有讀寫能力, 所以無法使用公鑰 /私鑰對用來驗證口令的發(fā)問 /應(yīng)

21、答機制以及其它的各種主動驗證方法 。 傳感器標簽一旦處于讀寫器的 讀取范圍內(nèi), 它就會無條件地將包含信息的信號發(fā)射出去, 而不論讀寫器是否有對該標簽進行讀寫的權(quán)利 。 為了保證信息的安全性,Zigbee 在 數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性 。 第一級實際是無安全性方式, 對于某種 應(yīng)用, 如果安全性并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護, 器件就 可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù) 。 對于第二級安全性, 器件可以使用接入控制清單 (ALC來防止非法器件獲取數(shù)據(jù), 在這一級不采取加密措施 。 第三級安全性在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標準 (AES 128 的對稱 密碼, 以靈活確定其安全屬性 。2.6其它

22、關(guān)鍵技術(shù)影響傳感器標簽通信的因素還包括天線結(jié)構(gòu)以及傳感器標簽本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等 。主要有以下兩方面:盡量持久使用的 電源技術(shù)和天線研究 。在 RFSN 網(wǎng)絡(luò)中, RF 元件通常占 70%的總功耗,接收比發(fā)送的功 耗更大 。 RF 元件在開關(guān)或從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)時也會產(chǎn)生大量功耗 。 要使標簽具有較長的工作壽命,設(shè)計時必須全面考慮功率預(yù)算 。 解 決的方法是一方面采用低功耗窄帶無線通信技術(shù),另一方面就是采用 電池無線充電技術(shù),它可以將中心節(jié)點或其它輻射的電磁波接收存儲 起來, 為整個標簽提供足夠的能量 。RFSN 網(wǎng)絡(luò)在實際中能被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵在于天線設(shè)計上, 天線的目標是傳輸

23、最大的能量進出標簽 5芯片 。 受應(yīng)用場合的限制, 傳感器標 簽通常需要分布到復(fù)雜的環(huán)境下, 甚至需要嵌入到監(jiān)測對象物體內(nèi)部 。 因此要求天線足夠的小, 有全向或半球覆蓋的方向性; 提供最大可能的 信號給標簽的芯片, 無論標簽什么方向, 天線的極化都能與讀寫器的詢 問信號相匹配 。 這些因素對天線的設(shè)計提出了嚴格要求 。 當前對傳感器 標簽天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能的影響上 。國外已經(jīng)開始研究讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣, 讀寫器可 以按照一定的處理順序, “ 智能 ” 地開和關(guān)閉不同的天線, 使系統(tǒng)能夠感 知不同天線覆蓋區(qū)域的標簽, 增大系統(tǒng)覆蓋范圍 。3、 結(jié)束語RFID 技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是兩個新興的熱點研究課題, 兩者可以形成天然的結(jié)合 。融合了 RFID 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) RFSN 具備一 些傳統(tǒng)