摘要：RFID與WSN在技術(shù)起源上相對獨立，兩者的混合使用問題很少被考慮。文章首先對RFID與WSN的三種融合方式進行了闡述，并給出了各種融合方式下的典型結(jié)構(gòu)；其次論述了融合過程中所要應(yīng)用的路由、中間件以及數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，給出了RFID與WSN兩者融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)；最后對WSID網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向進行了總結(jié)，以期為進一步的研究奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：RFID；WSN；技術(shù)融合；WSID

0 引言
    近年來，物聯(lián)網(wǎng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)RFID與WSN都獲得了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個領(lǐng)域。RFID是一種非接觸的自動識別技術(shù)，涉及到多門學(xué)科、多種技術(shù)的應(yīng)用。RFID作為快速、實時、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)，被公認(rèn)為21世紀(jì)10大重要技術(shù)之一。WSN是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的新興研究熱點領(lǐng)域，它能夠通過集成化的傳感器節(jié)點協(xié)作完成監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境信息。目前，兩種技術(shù)均沿著各自的技術(shù)路線探索前進，兩者的混合使用問題很少被考慮。如何將RFID技術(shù)與WSN技術(shù)相融合，開發(fā)新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點。WSN對節(jié)點一般都不采用全局標(biāo)識，而RFID技術(shù)對節(jié)點的標(biāo)識有著得天獨厚的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合共同組成WSID(Wireless Sensor Identification，無線傳感器識別)網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當(dāng)需要具體考慮到某個具體節(jié)點的信息時，也可以利用RFID的標(biāo)識功能輕松地找到節(jié)點的位置。

1 RFID與WSN融合
1．1 RFID技術(shù)
    RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，它通過無線射頻方式進行雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)對象加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它綜合了多種技術(shù)的應(yīng)用，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括無線通信、芯片設(shè)計制造、系統(tǒng)集成、信息安全以及數(shù)據(jù)變換與編碼等。
1．1．1 RFID系統(tǒng)組成
    RFID應(yīng)用系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，包括電子標(biāo)簽、讀寫器和天線，三部分協(xié)同工作，共同完成RFID系統(tǒng)的工作。讀寫器和天線也可集成到一起，以節(jié)省成本和減小體積。

    讀寫器的主要功能是讀寫電子標(biāo)簽的物體信息，它主要包括射頻模塊和讀寫模塊以及其他一些基本單元。讀寫器通過射頻模塊發(fā)送射頻信號，讀寫模塊連接射頻模塊，把射頻模塊中得到的數(shù)據(jù)信息進行讀取或改寫。讀寫器還有其他的硬件設(shè)備，包括電源和時鐘等。電源用來給RFID讀寫器供電，并且通過電磁感應(yīng)可以給無源標(biāo)簽進行供電；時鐘在進行射頻通信時用于確定同步信息。電子標(biāo)簽由射頻模塊和控制模塊兩部分組成，射頻模塊通過內(nèi)置的天線來完成與讀寫器之間的射頻通信，控制模塊內(nèi)有一個存儲器，它存儲著標(biāo)簽內(nèi)的所有信息，并且部分信息可以通過與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換來進行實時的修改。
1．1．2 RFID的特點
    RFID技術(shù)無須直接接觸、無須光學(xué)可視、無須人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理，操作方便快捷。RFID的特點主要表現(xiàn)在：
    (1)體積小型化、形狀多樣化。RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。此外，RFID標(biāo)簽更可向小型化與多樣化形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品。
    (2)環(huán)境適應(yīng)性強。防水，防磁，耐高溫，不受環(huán)境影響，無機械磨損，壽命長，不需要以目視可見為前提，可以在那些條碼技術(shù)無法適應(yīng)的惡劣環(huán)境下使用，如高粉塵污染、野外等。
    (3)可反復(fù)使用。RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)可反復(fù)修改，既可以用來傳遞一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也使得RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛟谄髽I(yè)內(nèi)部進行循環(huán)重復(fù)使用，將一次性成本轉(zhuǎn)化為長期分?jǐn)偟某杀尽?br />     (4)讀寫方便。RFID標(biāo)簽無須瞄準(zhǔn)讀取，只要被置于讀取設(shè)備形成的電磁場內(nèi)就可以準(zhǔn)確讀到；RFID標(biāo)簽?zāi)艽┩讣垙?、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)，并能進行穿透性通信；RFID每秒鐘可進行上千次的讀取，能同時處理許多標(biāo)簽，高效且準(zhǔn)確。
1．2 WSN枝術(shù)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
1．2．1 WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    WSN系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sinknode)和管理節(jié)點，典型的WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點被任意部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并通過多條路由方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，最終借助互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)信號送至管理節(jié)點。系統(tǒng)用戶可以通過管理節(jié)點查看、查詢、搜索相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理。

1．2．2 WSN協(xié)議棧
    隨著WSN研究的不斷深入，研究人員提出了多個WSN協(xié)議棧并且不斷地對其進行改進。圖3所示為早期提出的一個協(xié)議棧，該協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。另外，該協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。

    WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有3個管理平臺：其中，能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能量，在協(xié)議棧設(shè)計時都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺用于檢測并注意傳感器節(jié)點的移動，維護與匯聚節(jié)點之間的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺可在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。

    圖4所示的改進型協(xié)議棧細化并改進了原始模型。此協(xié)議棧可以劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、應(yīng)用層以及倒L形的定位和時間同步子層。定位和時間同步子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊，通過倒L形體現(xiàn)其既依賴于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層，同時又為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。
1．3 R FID與WSN融合
    如何在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上實現(xiàn)RFID與WSN的相互融合，已經(jīng)成為眾多學(xué)者的關(guān)注課題。Urban等對RFID與WSN兩種技術(shù)進行了對比分析；Zhang Beiwei等則對兩種技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及能量約束進行了說明；劉國梅、孫新德設(shè)計了融合WSN和RFID技術(shù)的一種農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)?？偨Y(jié)目前RFID與WSN技術(shù)的融合方式，可以將RFID和WSN的融合類型分為三類：一是RFID閱讀器與WSN節(jié)點的融合；二是RFID標(biāo)簽和WSN節(jié)點的融合；三是RFID與WSN在系統(tǒng)層次上的融合。
1．3．1 RFID閱讀器與WSN節(jié)點的融合
    RFID與WSN融合后的閱讀器不僅可以遠距離地獲取RFID標(biāo)簽信息，而且閱讀器節(jié)點具有無線通信能力，能夠讀取標(biāo)簽內(nèi)部代碼，感知周邊的環(huán)境數(shù)據(jù)，與區(qū)域內(nèi)的其他無線通信節(jié)點形成多跳的通信網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)點采集的數(shù)據(jù)和物體的標(biāo)志等信息高效地傳輸?shù)缴蠈討?yīng)用。Zhang Lei等提出了一個結(jié)合RFID閱讀器與WSN節(jié)點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)點內(nèi)部擁有一個傳感單元，其采用的是Zigbee協(xié)議，形成了一個具有RFID標(biāo)簽讀取能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點內(nèi)部構(gòu)成如圖5所示。

1．3．2 RFID標(biāo)簽與WSN節(jié)點的融合
    RFID標(biāo)簽攜帶無線傳感器節(jié)點，可以與閱讀器、其他節(jié)點或者無線通信設(shè)備通信。這種類型的融合不僅給無線傳感器節(jié)點添加了RFID識別能力，而且使RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛑鲃荧@取數(shù)據(jù)信息。在這種模式下，標(biāo)簽上的傳感器節(jié)點用于監(jiān)測物品的狀態(tài)及環(huán)境信息，并將感知數(shù)據(jù)存于標(biāo)簽內(nèi)存中，由讀寫器讀取并轉(zhuǎn)交RFID應(yīng)用層處理。Deng Hai等提出了一個RFID標(biāo)簽與傳感器的結(jié)合模型，即嵌入了傳感器的RFID系統(tǒng)(SE—RFID)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1．3．3 RFID與WSN在系統(tǒng)層次上的融合
    在這種模式下，RFID標(biāo)簽、閱讀器和傳感器物理上是分開的，無須設(shè)計并部署融合。RFID設(shè)備與傳感器的節(jié)點，所有RFID與WSN的協(xié)作在軟件層次上完成。RFID系統(tǒng)可以通過WSN獲得物體的信息或環(huán)境變量，WSN通過RFID提供的追蹤與標(biāo)志功能找到自己感興趣的物體。J．Cho等設(shè)計了一個采用SARIF框架的系統(tǒng)，由RFID系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個綜合服務(wù)模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2 WSID關(guān)鍵技術(shù)分析
    RFID與WSN的三種融合方式解決的是兩者融合結(jié)構(gòu)的問題，但是兩者融合技術(shù)層面的問題也是關(guān)鍵。在融合過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有路由技術(shù)、中間件技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合等。
2．1 路由技術(shù)
    路由協(xié)議的作用是尋找從源節(jié)點到目的節(jié)點的最佳路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著最佳路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議的功能主要有兩個方面：一是搜索滿足條件的從源節(jié)點到目的節(jié)點的優(yōu)化路徑：二是轉(zhuǎn)發(fā)資料分組。目前，研究人員根據(jù)路由協(xié)議自身的特點以及應(yīng)用類型等，將路由協(xié)議分為以下幾個類型。
2．1．1 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
    該協(xié)議設(shè)計主要考慮用戶是否能夠方便決捷地查詢數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，終端用戶往往只關(guān)心所采集的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心這些數(shù)據(jù)具體是從哪一個節(jié)電傳送的，用戶(查詢節(jié)點)只需向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一條查詢命令，網(wǎng)絡(luò)就將所查詢的數(shù)據(jù)反饋給用戶。
2．1．2 基于層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議
    該協(xié)議將整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點劃分為多個級別，同級節(jié)點間可以相互交換數(shù)據(jù)。在路由選擇中，低一級節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至簇頭節(jié)點(高一級節(jié)點)，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，減少冗余數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。
2．1．3 基于地理信息的路由協(xié)議
    網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點利用GPS設(shè)備、三角定位系統(tǒng)等獲知自身所在的地理坐標(biāo)。在進行路由選擇時，節(jié)點合理利用這些地理信息，從而將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給一個特定區(qū)域而不是整個網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)能耗。
2．1．4 基于多路徑的路由協(xié)議
    在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過增加傳輸?shù)穆窂綌?shù)，可以增加網(wǎng)絡(luò)的等效帶寬，縮短傳輸時延。對于WSID網(wǎng)絡(luò)，多路徑路由協(xié)議可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且可以將傳輸能耗分?jǐn)傇诟嗟墓?jié)點上。
    在WSID網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點計算能力有限，對能耗和QoS有一定的要求，因此WSID的路由協(xié)議優(yōu)化尤為重要。李陶深等在選播通信被規(guī)定為IPv6中的一種標(biāo)準(zhǔn)通信模型的背景下，提出了一種選播通信服務(wù)模型，設(shè)計實現(xiàn)了一種新的基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)選播路由算法。該算法能以較短的時延達到局部最優(yōu)，較好地平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)搜索速度和網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，改善了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。凌啟東等則認(rèn)為上述算法較為復(fù)雜，需要較高的計算能力，在WSID網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中也存在缺陷。他們在此基礎(chǔ)上建立了基于WSID網(wǎng)絡(luò)路由算法的問題模型，提出了兩種基于遺傳算法的不同編碼的路由算法，分析了各自的特點。經(jīng)過仿真實驗表明，基于實數(shù)編碼的路由優(yōu)化方法更適合在WSID網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
2．2 中間件技術(shù)
    WSID網(wǎng)絡(luò)中間件的作用主要是按照一定的規(guī)則篩選過濾數(shù)據(jù)(刪除冗余數(shù)據(jù))，將真正有效的數(shù)據(jù)發(fā)送到上層的應(yīng)用程序，以供用戶查詢使用?；诖?，WSID網(wǎng)絡(luò)中間件的功能要求主要包括三點：第一是能夠?qū)⒌讓拥拇罅吭紨?shù)據(jù)經(jīng)過層層過濾最終得到對上層應(yīng)用有意義的數(shù)據(jù)；第二是采用分層的過濾方式并能夠得到不同層次的有意義數(shù)據(jù)；第三是用戶可以針對具體的應(yīng)用需求，在不同層次設(shè)置數(shù)據(jù)的過濾條件。
    中間件技術(shù)的核心是如何獲得有意義的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理以數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜事件處理等理論為基礎(chǔ)，針對原始數(shù)據(jù)規(guī)模大和原始數(shù)據(jù)包含的語義信息少兩個問題，有效地減少數(shù)據(jù)冗余，從而為上層應(yīng)用提供適合的語義信息。圖8給出了典型的數(shù)據(jù)處理的過程。

    RFID與WSN技術(shù)融合形成WSID網(wǎng)絡(luò)是推動構(gòu)建泛在計算世界的重要一步，而中間件技術(shù)為交互雙方動態(tài)的感知上下文信息提供了便利。中間件技術(shù)能將數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)分離，使應(yīng)用系統(tǒng)專注于交互業(yè)務(wù)的流程和處理，而不再局限于修改以適應(yīng)各種不同的數(shù)據(jù)采集方式。
2．3 數(shù)據(jù)融合
    WSN的基本功能是收集并返回傳感器節(jié)點所在監(jiān)測區(qū)域的各種各樣的信息，RFID數(shù)據(jù)則總是和時問、空間相聯(lián)系，兩種技術(shù)融合構(gòu)建的新網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)規(guī)模很大且精度不高。
    數(shù)據(jù)融合技術(shù)利用節(jié)點的本地計算和存儲能力去除冗余信息，對多份相關(guān)數(shù)據(jù)進行綜合，為上層應(yīng)用提供更有效、更符合用戶需求的信息。
    數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與WSN的多個協(xié)議層進行結(jié)合：減少MAC層的發(fā)送沖突和頭部開銷可以達到節(jié)省能量的目的；路由層結(jié)合數(shù)據(jù)融合機制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量；應(yīng)用層利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行逐步篩選，可以達到融合的效果。
    數(shù)據(jù)融合的功效可以用以下幾個指標(biāo)來衡量：
    (1)準(zhǔn)確性。在匯聚節(jié)點得到的值和真實值之差，準(zhǔn)確度可以表示為差、比值、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，或其他根據(jù)特定的情況所得到的值。
    (2)等待時間。因為中間節(jié)點可能會等待數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)融合會延長報告的等待時間。
    (3)信息開銷。數(shù)據(jù)融合最重要的優(yōu)點就是能減小信息開銷，從而提高能量效率和延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。
    目前，數(shù)據(jù)融合的方法有很多，大概包括統(tǒng)計和估計類融合方法、采用信息論的融合方法以及其他融合方法。但是，物聯(lián)網(wǎng)感知層在感知多源信息時，尚沒有一種很好的融合方法。針對這一問題，李杰等通過引入數(shù)據(jù)融合器，提出了一種將電子產(chǎn)品編碼和環(huán)境參數(shù)建立映射關(guān)系的方法。將該方法應(yīng)用于超市倉儲管理系統(tǒng)，對其編碼并且構(gòu)建原型系統(tǒng)，該方法能夠明顯提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行省?br />
3 WSID存在問題及展望
    毫無疑問，RFID與WSN融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)將推動更多的技術(shù)改進，促進新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用的產(chǎn)生。WSID網(wǎng)絡(luò)不僅能夠揭示監(jiān)測對象的位置和身份，而且能夠顯示對象當(dāng)前所處的環(huán)境狀態(tài)。然而，要將WSID應(yīng)用于環(huán)境控制和工業(yè)生產(chǎn)中，我們必須要付出更多的努力。綜合起來講，RFID與WSN融合形成的WSID網(wǎng)絡(luò)目前還存在以下幾方面的問題：
    (1)RFID系統(tǒng)中的通信接口遵循EPCGlobal定制的C1G2協(xié)議或者ISO18000；標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼遵循EPC編碼標(biāo)準(zhǔn)；而WSN通信接口和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)格式遵循802．15．4或者Zigbee等協(xié)議。RFID與WSN采用了兩種不同的協(xié)議，會引發(fā)數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議的不兼容等問題。IntelliSense RFID方案在這一方向具有首創(chuàng)精神，它的目標(biāo)是發(fā)展RFID設(shè)備的多重協(xié)議，使得設(shè)備能夠與不同的通信協(xié)議工作在不同的頻率帶寬下。
    (2)WSID要想獲得廣泛應(yīng)用，對于解決一些公開的問題和挑戰(zhàn)是非常重要的。例如，在閱讀器與WSN節(jié)點的融合方式中，當(dāng)發(fā)生閱讀器讀寫碰撞時，RFID系統(tǒng)會根據(jù)防碰撞協(xié)議向閱讀器發(fā)出控制命令。但是，閱讀器會因為節(jié)點之間的端到端時延而無法及時做出響應(yīng)，從而使閱讀器的碰撞問題更加嚴(yán)重。另外，WSID網(wǎng)絡(luò)中的無線設(shè)備數(shù)量越多，潛在的安全性等隱患就越大，如何解決這些問題對于WSID的推廣應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。
    (3)WSID能夠廣泛使用的一個重要步驟是部署工具、方法和方式，它們必須能夠普遍使用在大部分應(yīng)用中。同時，當(dāng)配置這些工具方法和標(biāo)準(zhǔn)時還要重點考慮有限資源的限制問題。此外，由于市場受到成本的驅(qū)使，WSID網(wǎng)絡(luò)將很大程度上依靠最低的原料成本和簡單有效的制造過程。

4 結(jié)語
    WSID繼承了RFID利用射頻信號自動識別目標(biāo)的特性，同時實現(xiàn)了WSN主動感知與通信的功能。WSID能夠主動對環(huán)境進行監(jiān)測并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，必要的時候能夠主動發(fā)出警報?？梢姡瑢?strong>WSN與RFID技術(shù)融合來構(gòu)建WSID網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景不可限量。