RFID技术和无线传感器网络的融合_RFSN

1、科技信息无线传感器网络 WSN 1是由大量传感器节点通过无线通信方式形 成的一个多跳的自组织网络系统 。 它具有感测 、 运算与网络能力, 通过 传感器协同地实时监测 、 感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测 对象的信息, 如温度 、 湿度 、 光照 、 气体浓度 、 震动幅度等, 并对其进行处 理, 然后由无线网络将搜集到的信息传送给监控者; 监控者解读报表信 息后, 便可掌握现场状态, 进而管理 、 控制相关系统 。 由于 WSN 在军事 、 工业 、 交通 、 安全 、 医疗以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的 用途, 近年来在国际上引起了广泛的重视和投入 。RFID 射频识别技术

2、 2是 20世纪 90年代开始兴起的一种自动识别 技术, 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合 (交变磁场或电 磁场 传播来实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别目 标的一种技术 。 最基本的 RFID 系统组成是由电子标签 (Tag 和电子标 签读写器 (Reader 组成 。 读写器通过射频信号同电子标签进行通信, 即 系统通过读写器给电子标签发射指令,并通过读写器分析电子标签返 回的信息 。 所以, 电子标签是个应答器, 用来响应读写器的指令, 并报告 处理结果 。无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴研 究热点, 在发展过程中借鉴了许多新的技术, 而 R

3、FID 技术被业界公认 为是本世纪最有前途的重要产业和应用技术之一,因此, RFID 和 WSN 两者的融合是一个受人关注的发展方向 。 由于 RFID 标签具有对物体的 唯一标识能力, 可以通过与传感器技术相结合, 感知周围物品和环境的 温度 、 湿度和光照等状态信息, 并利用无线通信技术方便地把这些状态 信息及其变化传递到计算单元, 提高环境对计算模块的可见度, 能为人 们提供更多的服务 。 WSN 和 RFID 技术融合形成 RFSN 网络有较大的 应用前景 。1、 WSN 和 RFID 的结合契机从通信技术发展的角度来看,由 RFID 和 WSN 构成的通信信息系 统均存在一些不足之处

4、, 削弱了各自的应用范围, 使得技术发展的最终 结果是出现一个结构更加复杂和功能更加强大的通信系统 。 因此, 从根 本上看, RFID 和 WSN 两个系统和技术的互补成为了必然 。WSN 网络是传感器节点通过分布式网络协议实现组网, 节点的加 入或退出, 都要重新组网, 且节点之间存在数据冗余, 流量不均衡, 因 此, WSN 网络 1要求能够自动调整以适应节点的移动 、 休眠 、 剩余电量 和无线传输范围的变化等, 这使得 WSN 的网络体系复杂, 需要较高的 能耗来维持其网络的存在, 覆盖范围也有限 。在 RFID 的实际应用中, 附着在被识别的物体上 (表面或内部 的电 子标签, 只

5、存储有关于物体的自身的一些基本信息, 系统无法通过标签 了解物体的状态及其与环境之间的变化信息, 且 RFID 抗干扰性较差而 且传输距离 2有限 (有效距离一般小于 10m 。 RFID 自身存在的这些不足 之处对它的应用构成一定的限制,无线传感器网络在组网及自主感知 外界信息的优势刚好可以弥补 RFID 的这些缺点,这无疑会使得 RFID 功能增强, 应用范围扩大 。首先, 因为 WSN 可以监测四面八方感应到的资料, 其与 RFID 技术 结合后, 使之具有环境的感知能力, 可增强信息的获取能力, 这将能弥 补 RFID 高成本以及须依靠读取器方能搜集信息的缺点 。 其次,利用 WSN

6、网络高达 100m 的有效传输半径,将 RFID 与 WSN 整合就可以形 成一个覆盖全部范围的网络 。 最后, 将传感器依附于 RFID 形成的网络 较为简单, 不需要太复杂的协议和较高的能耗来维持其网络的存在 。 这 样相互融合后形成的 RFSN 网络, 一方面可以替代 WSN 对有限范围内 的信息进行监测,另一方面则可以作为物体的标签标志对象并主动获 取对象的信息 。2、 WSN 和 RFID 的有机融合要将 WSN 和 RFID 的技术优势互补,形成一个功能更强的无线网 络, 就要设计和选择一种合适的网络体系结构 。 该网络体系结构可由分 层的网络通信协议 、 网络管理以及应用支撑技术

7、 3部分组成 。 由于与传 统的无线网络有较大的不同,因此研究 RFSN 时从网络分层模型的角 度分析, 各层都需要结合 RFSN 网络的特点进行研究 。 RFSN 网络分层 的网络通信协议 4由物理层 、 数据链路层 、 网络层 、 传输层和应用层组 成 。 物理层的功能包括信道的选择 、 信号的监测 、 发送与接收等, 要以尽 可能少的能量损耗获得较大的链路容量 。 数据链路层主要任务是保证 物理层传输的数据尽量正确, 同时提高系统频谱效率 。 网络层的功能包 括分组路由 、 拥塞控制等, 而传输层主要用于提供可靠的 、 额外开销合 理的数据传输服务 。 应用层提供了各种具体的增值业务应用

8、, 同时也提 供时间同步和节点定位功能 。 下面就其中需要解决的热点问题和已有 的方案进行探讨 。2.1基于 ZigBee 技术的 RFSN 网络由 WSN 和 RFID 融合形成的 RFSN 网络有其自身的特点:(1 与传 统的无线网络 (如移动通信网络 设计目标不同, 前者以数据为中心, 后 者以传输数据为目的 。 (2 低数据量传输, 网络传输数据主要由标签内 含的信息和传感器搜集的外部信息组成 。 (3 由于组网的低成本 、 低能 耗 、 体积小 、 野外部署等要求, 标签节点在供电 、 计算 、 存储 、 通信等方面 的能力比较受限 。 因此需要设计有效的极低功耗传感收发技术, 要省

9、能 省电, 能自适应休眠和唤醒, 能突发工作, 以延长网络的生命周期成为 RFSN 网络的技术关键 。为了满足这类小型 、 低成本设备的无线联网要求, 2000年 IEEE 成 立了 IEEE 802.15.4工作组, 致力于定义一种供廉价的 、 固定 、 便携或移 动设备使用的极低复杂度 、 低成本及低功耗的低速率无线连接技术, 这 就是 ZigBee 技术 3。ZigBee 是一组基于 IEEE 批准通过的 802.15.4无线标准研制开发 的有关组网 、 安全和应用软件方面的技术标准 。 完整的 Zigbee 协议套件 由高层应用规范 、 应用会聚层 、 网络层 、 数据链路层和物理层组

10、成 。 Zigbee 的基础是 IEEE 802.15.4, IEEE 为低能耗简单设备提供有效覆盖 范围在 10100m 左右低速连接的无线互联标准 。 该标准定义了 Zig-bee 协议套件中的物理层 (PHY和数据链路层的 MAC 子层 。 IEEE 仅处 理低级 MAC 层和 PHY 协议, 网络层以上协议由 ZigBee 联盟 5制定并对 其网络层协议和 API 进行了标准化 。2.2基于 ZigBee 技术的 RFSN 网络结构以 ZigBee 协议 4为纽带, 将 WSN 同 RFID 有机地结合构成 RFSN 网络, 通过无线通信把一个个独立的含有传感器标签组成星状 、 树状和

11、 网状三种网络结构 。 在 RFSN 网络中, 由 ZigBee 规范定义了三种类型的 设备:ZigBee 协调器 、 路由器和终端设备 。 其中读写器承担了协调器和 路由器的功能, 它负责与所控制的标签节点通信 、 汇集数据和发布控制 和通信路由的作用 。 传感器标签作为终端设备执行相关的功能 。 带有传 感器的标签通过各种方式, 部署在监视对象内部或者附近, 由读写器构 成的中心节点通过广播方式组织无线网络, 以询问 、 应答的方式感知 、 采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在 任意时间的采集 、 处理和分析 。 这种以自组织形式构成的网络, 通过中 心节点多跳中继

12、方式将数据传回网关节点 (接收发送器 , 除了向各节RFID 技术和无线传感器网络的融合 RFSN 宜宾学院应用技术学院 邹永祥 成都理工大学核技术与自动化工程学院 吴建平摘 要 本文在分析无线传感器网络和无线射频识别技术的优势和不足的基础上, 通过 IEEE802.15.4标准将两者结合, 形成一种在各方面均有较大的改善和提高的新的无线传感器网络 R FSN 。 根据此类系统的应用特点, 提出两类网络融合的体系结构, 给出了物理层通信链路技术 、 介质访问控制方法 、 网络层路由协议以及天线等关键技术的研究思路 。 该体系具有良好的开放性, 提高了系统的利用率和可重复使用性 。关键词 无线传

13、感器网络 RFID 融合 RFSN作者简介:邹永祥 (1973.12- , 男, 硕士, 讲师, 研究方向:信号采集与处理; 智能信息处理 。 吴建平 (1954.2- , 女, 教授, 成都理工大学核技术与自动化 学院测控系, 研究领域:测控技术与智能仪器 。博士 ·专家论坛367 科技信息点传输数据和命令外,还可借助 CERNET 链路将整个区域内的数据通 过 Internet 或通信卫星传送到远程控制中心进行集中处理 。 一个典型的 RFSN 网络的体系结构如图 1所示, 它包括分布式传感器节点 (群 、 sink 节点 (读写器 、 互联网和监控中心等, 在网络中绝大多数的节

14、点只有很 小的发射范围, 而读写器节点的发射能力较强, 具有较高的电能, 可以 把数据发回远程控制节点 。图 1RFSN 网络结构示意图2.3基于 IEEE802.15.4标准的 RFSN 网络物理层 、 数据链路层RFSN 网络物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量 。 IEEE802.15.4工作在工业科学医疗(ISM 频段, 它定义了 两个物理层, 即全球的 2.4GHz ISM 频段 、 欧洲的 868MHz 频段 /美国的 915MHz 频段 。 而 RFID 本身根据不同的应用场合使用了多种不同的频 段, 其中 802.15.4定义的三个频段均在 RFID 工作频

15、段之中, 这就为 WSN 和 RFID 在物理层的通信融合奠定了基础 。 在 802.15.4中, 总共分配了 27个具有三种速率的信道:在 2.4GHz 频段有 16个速率为 250kbit/s的信 道,在 915MHz 频段有 10个 40kbit/s的信道,在 868M Hz 频段有 1个 20kbit/s的信道 。 因此 RFSN 网可以根据可用性 、 拥挤状况和数据速率在 27个信道中选择一个工作信道 。 从能量和成本效率来看,不同的数 据速率能为不同应用的 RFSN 组网通信提供较好的选择 。链路层提供设备之间单跳通信 、 可靠传输和通信安全 。 IEEE802系 列标准把数据链路

16、层分成 LLC 和 MAC 两个子层 。 其中 LLC 子层的主 要功能是传输可靠性的保障和控制 。 M AC 子层为高层访问物理信道提 供点到点通信的服务接口, 802.15.4的 M AC 层基于 802.11无线 LAN 标准, 采用 CSMA/CA接入, 为降低功耗, 标准采用了缓存机制 。 在 RFSN 网络中,为了防止由于多个传感器标签的数据在读写器的接收机中相 互碰撞而不能准确读出, 保障数据传输的可靠性, 必须采用反碰撞方法 来加以克服 。 解决防碰撞问题有以下几种方法:空分多路法, 频分多路法,时分多路法 。 根据传感器标签工作频段之不同,人们也提出了不同的防 冲突算法 。如

17、在高频 (HF 频段采用经典 ALOHA 协议, 超高频 (UHF 频段 主要采用树分叉算法来避免冲突 。2.4网络层网络层功能包括拓扑结构的搭建和维护 、寻址 、 路由和安全, 具有 自组织 、自维护功能 , 最大程度减少消费者的开支和维护成本 。 由于 RFSN 网络资源受限, 因此路由协议的设计原则是算法简单, 不能在节点保存太多的状态信息, 节点间不能交换太多的路由信息, 因此其路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题 。 ZigBee 协议 4的网络层采用基于 Ad hoc 技术的路由协议,除了包含通用的网络层功能外, 还 与底层的 IEEE802.15.4标准同样省电 。 另外, 还

18、同时实现了网络的自组织和自维护, 降低网络的维护成本 。整个协议的设计具有数据传输速率 低 、 功耗低 、 成本低等特点, 使得具体的实现要求很低 。在 RFSN 网络中, 存在两个层次的网络通信, 一个是由感知标签节 点与中心节点 (读写器 组成通信网络, 标签节点之间不进行数据交换, 传感器标签节点只与中心节点 (读写器 通信, 属于共享广播信道, 因此 只需简单的协议支持即可 。 而在大型的 RFSN 网络中, 在监视区域分成 了许多簇, 每个簇有固定的中心节点 (读写器 和大量成员节点, 中心节 点起中心管理或控制节点集合的作用 。 它们之间互相通信组成上一层 网络, 以自组织形式构成

19、无线网络, 并通过多跳中继方式将监测数据传到网关节点 (接收发送器。 因此对于由中心节点构成的这一级网络, 可 以使用 IEEE802.15.4标准组建 。将 RFID 与 WSN 进行融合,可以充分利用读写器较一般节点强大 得多的处理能力, 读写器每隔一段时间对其范围内的节点 (移动或静止 广播相应的信号, 以了解其区域内的节点工作和分布, 相对于以往传感器网络的组网机制, 这种方法在扩展性 、 稳定性 、 鲁棒性 、 收敛性和能量感知等方面均有不可比拟的优势 。2.5RFSN 网络的应用层应用层主要功能是保障数据传输安全和提供高层应用规范 。 RFSN 网络层以上协议包括高层应用规范 、

20、应用会聚层, 由 ZigBee 技术确定 。 在高层应用规范中, ZigBee 定义了一个抽象接口, 而平台供应商提供了应用编程接口 (API,该 API 定义了应用如何被集成到 ZigBee 协议栈的 规则 。 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上 。传感器标签要在对信息有保密要求的领域展开应用,还面临着信 息安全方面的障碍, 因为传感器标签中惟一的标识符很容易被人复制,这样使得标签中所包含的机密信息可能被人盗窃 。另外, 传感器标签的 基本验证机制也存在严重的安全缺陷,因为当前的无源传感器标签系 统没有读写能力, 所以无法使用公钥 /私钥对用来验证口令的发问 /应

21、答机制以及其它的各种主动验证方法 。 传感器标签一旦处于读写器的 读取范围内, 它就会无条件地将包含信息的信号发射出去, 而不论读写器是否有对该标签进行读写的权利 。 为了保证信息的安全性,Zigbee 在 数据传输中提供了三级安全性 。 第一级实际是无安全性方式, 对于某种 应用, 如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护, 器件就 可以选择这种方式来转移数据 。 对于第二级安全性, 器件可以使用接入控制清单 (ALC来防止非法器件获取数据, 在这一级不采取加密措施 。 第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准 (AES 128 的对称 密码, 以灵活确定其安全属性 。2.6其它

22、关键技术影响传感器标签通信的因素还包括天线结构以及传感器标签本身获得的能量及发送信息的能量等 。主要有以下两方面:尽量持久使用的 电源技术和天线研究 。在 RFSN 网络中, RF 元件通常占 70%的总功耗,接收比发送的功 耗更大 。 RF 元件在开关或从睡眠状态转为工作状态时也会产生大量功耗 。 要使标签具有较长的工作寿命,设计时必须全面考虑功率预算 。 解 决的方法是一方面采用低功耗窄带无线通信技术,另一方面就是采用 电池无线充电技术,它可以将中心节点或其它辐射的电磁波接收存储 起来, 为整个标签提供足够的能量 。RFSN 网络在实际中能被广泛应用的关键在于天线设计上, 天线的目标是传输

23、最大的能量进出标签 5芯片 。 受应用场合的限制, 传感器标 签通常需要分布到复杂的环境下, 甚至需要嵌入到监测对象物体内部 。 因此要求天线足够的小, 有全向或半球覆盖的方向性; 提供最大可能的 信号给标签的芯片, 无论标签什么方向, 天线的极化都能与读写器的询 问信号相匹配 。 这些因素对天线的设计提出了严格要求 。 当前对传感器 标签天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响上 。国外已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵, 读写器可 以按照一定的处理顺序, “ 智能 ” 地开和关闭不同的天线, 使系统能够感 知不同天线覆盖区域的标签, 增大系统覆盖范围 。3、 结束语RFID 技术和无线传感器网络是两个新兴的热点研究课题, 两者可以形成天然的结合 。融合了 RFID 技术的无线传感器网络 RFSN 具备一 些传统