0 引言

　　近年來，物聯網的兩大關鍵技術RFID與WSN都獲得了飛速的發展，已經成功應用于生產、零售、物流、交通等各個領域。RFID是一種非接觸的自動識別技術，涉及到多門學科、多種技術的應用。RFID作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術，被公認為21世紀10大重要技術之一。WSN是當前國際上備受關注的新興研究熱點領域，它能夠通過集成化的傳感器節點協作完成監測、感知和采集各種環境信息。目前，兩種技術均沿著各自的技術路線探索前進，兩者的混合使用問題很少被考慮。如何將RFID技術與WSN技術相融合，開發新的業務和應用，成為眾多學者關注的焦點。WSN對節點一般都不采用全局標識，而RFID技術對節點的標識有著得天獨厚的優勢，將兩者結合共同組成WSID(Wireless Sensor Identification，無線傳感器識別)網絡可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網絡的主要精力集中到數據上，當需要具體考慮到某個具體節點的信息時，也可以利用RFID的標識功能輕松地找到節點的位置。

1 RFID與WSN融合

　　1．1 RFID技術

　　RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術，它通過無線射頻方式進行雙向數據通信，對目標對象加以識別并獲取相關數據。它綜合了多種技術的應用，其涉及的關鍵技術包括無線通信、芯片設計制造、系統集成、信息安全以及數據變換與編碼等。

　　1．1．1 RFID系統組成

　　RFID應用系統組成框圖如圖1所示，包括電子標簽、讀寫器和天線，三部分協同工作，共同完成RFID系統的工作。讀寫器和天線也可集成到一起，以節省成本和減小體積。

　　讀寫器的主要功能是讀寫電子標簽的物體信息，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據信息進行讀取或改寫。讀寫器還有其他的硬件設備，包括電源和時鐘等。電源用來給RFID讀寫器供電，并且通過電磁感應可以給無源標簽進行供電；時鐘在進行射頻通信時用于確定同步信息。電子標簽由射頻模塊和控制模塊兩部分組成，射頻模塊通過內置的天線來完成與讀寫器之間的射頻通信，控制模塊內有一個存儲器，它存儲著標簽內的所有信息，并且部分信息可以通過與讀寫器之間的數據交換來進行實時的修改。

　　1．1．2 RFID的特點

　　RFID技術無須直接接觸、無須光學可視、無須人工干預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。此外，RFID標簽更可向小型化與多樣化形態發展，以應用于不同產品。

　　(2)環境適應性強。防水，防磁，耐高溫，不受環境影響，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無法適應的惡劣環境下使用，如高粉塵污染、野外等。

　　(3)可反復使用。RFID標簽上的數據可反復修改，既可以用來傳遞一些關鍵數據，也使得RFID標簽能夠在企業內部進行循環重復使用，將一次性成本轉化為長期分攤的成本。

　　(4)讀寫方便。RFID標簽無須瞄準讀取，只要被置于讀取設備形成的電磁場內就可以準確讀到；RFID標簽能穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質，并能進行穿透性通信；RFID每秒鐘可進行上千次的讀取，能同時處理許多標簽，高效且準確。

　　1．2 WSN枝術

　　無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監測區域內大量廉價微型的傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作的感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。

　　1．2．1 WSN網絡結構

　　WSN系統包括傳感器節點(sensor node)、匯聚節點(sinknode)和管理節點，典型的WSN網絡結構如圖2所示。在傳感器網絡中，節點被任意部署在監測區域內，通過自組織形式構成網絡，并通過多條路由方式將監測的數據傳輸到匯聚節點，最終借助互聯網、無線網絡或衛星將數據信號送至管理節點。系統用戶可以通過管理節點查看、查詢、搜索相關的監測數據，并對傳感器網絡進行配置和管理。

　　1．2．2 WSN協議棧

　　隨著WSN研究的不斷深入，研究人員提出了多個WSN協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議棧，該協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。另外，該協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節點能夠按照能量高效的方式協同工作，在節點移動的無線傳感器網絡中轉發數據，并支持多任務和資源共享。

　　WSN網絡協議棧有3個管理平臺：其中，能量管理平臺管理傳感器節點如何使用能量，在協議棧設計時都需要考慮節省能量；移動管理平臺用于檢測并注意傳感器節點的移動，維護與匯聚節點之間的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺可在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。 

　　圖4所示的改進型協議棧細化并改進了原始模型。此協議棧可以劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳送層、應用層以及倒L形的定位和時間同步子層。定位和時間同步子層在協議棧中的位置比較特殊，通過倒L形體現其既依賴于網絡協議各層，同時又為網絡協議各層提供信息支持。

　　1．3 R FID與WSN融合

　　如何在現有研究的基礎上實現RFID與WSN的相互融合，已經成為眾多學者的關注課題。Urban等對RFID與WSN兩種技術進行了對比分析；Zhang Beiwei等則對兩種技術融合的網絡架構以及能量約束進行了說明；劉國梅、孫新德設計了融合WSN和RFID技術的一種農產品冷鏈物流監控追蹤系統。總結目前RFID與WSN技術的融合方式，可以將RFID和WSN的融合類型分為三類：一是RFID閱讀器與WSN節點的融合；二是RFID標簽和WSN節點的融合；三是RFID與WSN在系統層次上的融合。

　　1．3．1 RFID閱讀器與WSN節點的融合

　　RFID與WSN融合后的閱讀器不僅可以遠距離地獲取RFID標簽信息，而且閱讀器節點具有無線通信能力，能夠讀取標簽內部代碼，感知周邊的環境數據，與區域內的其他無線通信節點形成多跳的通信網絡，將節點采集的數據和物體的標志等信息高效地傳輸到上層應用。Zhang Lei等提出了一個結合RFID閱讀器與WSN節點的系統結構，節點內部擁有一個傳感單元，其采用的是Zigbee協議，形成了一個具有RFID標簽讀取能力的無線傳感器網絡，其節點內部構成如圖5所示。

　　1．3．2 RFID標簽與WSN節點的融合

　　RFID標簽攜帶無線傳感器節點，可以與閱讀器、其他節點或者無線通信設備通信。這種類型的融合不僅給無線傳感器節點添加了RFID識別能力，而且使RFID標簽能夠主動獲取數據信息。在這種模式下，標簽上的傳感器節點用于監測物品的狀態及環境信息，并將感知數據存于標簽內存中，由讀寫器讀取并轉交RFID應用層處理。Deng Hai等提出了一個RFID標簽與傳感器的結合模型，即嵌入了傳感器的RFID系統(SE—RFID)結構。其結構如圖6所示。

　　1．3．3 RFID與WSN在系統層次上的融合

　　在這種模式下，RFID標簽、閱讀器和傳感器物理上是分開的，無須設計并部署融合。RFID設備與傳感器的節點，所有RFID與WSN的協作在軟件層次上完成。RFID系統可以通過WSN獲得物體的信息或環境變量，WSN通過RFID提供的追蹤與標志功能找到自己感興趣的物體。J．Cho等設計了一個采用SARIF框架的系統，由RFID系統、無線傳感器網絡和一個綜合服務模塊組成，其結構如圖7所示。 

2 WSID關鍵技術分析

　　RFID與WSN的三種融合方式解決的是兩者融合結構的問題，但是兩者融合技術層面的問題也是關鍵。在融合過程中所涉及的關鍵技術有路由技術、中間件技術以及數據融合等。

　　2．1 路由技術

　　路由協議的作用是尋找從源節點到目的節點的最佳路徑，將數據分組沿著最佳路徑進行轉發。路由協議的功能主要有兩個方面：一是搜索滿足條件的從源節點到目的節點的優化路徑：二是轉發資料分組。目前，研究人員根據路由協議自身的特點以及應用類型等，將路由協議分為以下幾個類型。

　　2．1．1 以數據為中心的路由協議

　　該協議設計主要考慮用戶是否能夠方便決捷地查詢數據。在實際應用中，終端用戶往往只關心所采集的數據，而不關心這些數據具體是從哪一個節電傳送的，用戶(查詢節點)只需向網絡發出一條查詢命令，網絡就將所查詢的數據反饋給用戶。

　　2．1．2 基于層次結構的路由協議

　　該協議將整個網絡中的節點劃分為多個級別，同級節點間可以相互交換數據。在路由選擇中，低一級節點將數據傳輸至簇頭節點(高一級節點)，簇頭節點進行數據融合，減少冗余數據在網絡中的傳輸。

　　2．1．3 基于地理信息的路由協議

　　網絡中的節點利用GPS設備、三角定位系統等獲知自身所在的地理坐標。在進行路由選擇時，節點合理利用這些地理信息，從而將數據分組轉發給一個特定區域而不是整個網絡，減少網絡能耗。

　　2．1．4 基于多路徑的路由協議

　　在數據傳輸過程中，通過增加傳輸的路徑數，可以增加網絡的等效帶寬，縮短傳輸時延。對于WSID網絡，多路徑路由協議可以提高網絡的可靠性，并且可以將傳輸能耗分攤在更多的節點上。

　　在WSID網絡中，節點計算能力有限，對能耗和QoS有一定的要求，因此WSID的路由協議優化尤為重要。李陶深等在選播通信被規定為IPv6中的一種標準通信模型的背景下，提出了一種選播通信服務模型，設計實現了一種新的基于遺傳算法的網絡選播路由算法。該算法能以較短的時延達到局部最優，較好地平衡網絡負載，提高了網絡搜索速度和網絡資源的利用率，改善了網絡服務質量。凌啟東等則認為上述算法較為復雜，需要較高的計算能力，在WSID網絡的環境中也存在缺陷。他們在此基礎上建立了基于WSID網絡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。經過仿真實驗表明，基于實數編碼的路由優化方法更適合在WSID網絡中應用。

　　2．2 中間件技術

　　WSID網絡中間件的作用主要是按照一定的規則篩選過濾數據(刪除冗余數據)，將真正有效的數據發送到上層的應用程序，以供用戶查詢使用。基于此，WSID網絡中間件的功能要求主要包括三點：第一是能夠將底層的大量原始數據經過層層過濾最終得到對上層應用有意義的數據；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據；第三是用戶可以針對具體的應用需求，在不同層次設置數據的過濾條件。

　　中間件技術的核心是如何獲得有意義的數據，即數據處理。數據處理以數據挖掘、神經網絡、復雜事件處理等理論為基礎，針對原始數據規模大和原始數據包含的語義信息少兩個問題，有效地減少數據冗余，從而為上層應用提供適合的語義信息。圖8給出了典型的數據處理的過程。

　　RFID與WSN技術融合形成WSID網絡是推動構建泛在計算世界的重要一步，而中間件技術為交互雙方動態的感知上下文信息提供了便利。中間件技術能將數據采集與業務處理系統分離，使應用系統專注于交互業務的流程和處理，而不再局限于修改以適應各種不同的數據采集方式。

　　2．3 數據融合

　　WSN的基本功能是收集并返回傳感器節點所在監測區域的各種各樣的信息，RFID數據則總是和時問、空間相聯系，兩種技術融合構建的新網絡的原始數據規模很大且精度不高。

　　數據融合技術利用節點的本地計算和存儲能力去除冗余信息，對多份相關數據進行綜合，為上層應用提供更有效、更符合用戶需求的信息。

　　數據融合技術可以與WSN的多個協議層進行結合：減少MAC層的發送沖突和頭部開銷可以達到節省能量的目的；路由層結合數據融合機制，以期減少數據傳輸量；應用層利用分布式數據庫技術，對采集到的數據進行逐步篩選，可以達到融合的效果。

　　數據融合的功效可以用以下幾個指標來衡量：

　　(1)準確性。在匯聚節點得到的值和真實值之差，準確度可以表示為差、比值、統計數據，或其他根據特定的情況所得到的值。

　　(2)等待時間。因為中間節點可能會等待數據，所以數據融合會延長報告的等待時間。

　　(3)信息開銷。數據融合最重要的優點就是能減小信息開銷，從而提高能量效率和延長網絡的生存期。

　　目前，數據融合的方法有很多，大概包括統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，物聯網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，李杰等通過引入數據融合器，提出了一種將電子產品編碼和環境參數建立映射關系的方法。將該方法應用于超市倉儲管理系統，對其編碼并且構建原型系統，該方法能夠明顯提高數據傳輸的有效率。

3 WSID存在問題及展望

　　毫無疑問，RFID與WSN融合形成的WSID網絡將推動更多的技術改進，促進新的業務和應用的產生。WSID網絡不僅能夠揭示監測對象的位置和身份，而且能夠顯示對象當前所處的環境狀態。然而，要將WSID應用于環境控制和工業生產中，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網絡目前還存在以下幾方面的問題：

　　(1)RFID系統中的通信接口遵循EPCGlobal定制的C1G2協議或者ISO18000；標簽內的數據編碼遵循EPC編碼標準；而WSN通信接口和網內數據格式遵循802．15．4或者Zigbee等協議。RFID與WSN采用了兩種不同的協議，會引發數據格式、通信協議的不兼容等問題。IntelliSense RFID方案在這一方向具有首創精神，它的目標是發展RFID設備的多重協議，使得設備能夠與不同的通信協議工作在不同的頻率帶寬下。

　　(2)WSID要想獲得廣泛應用，對于解決一些公開的問題和挑戰是非常重要的。例如，在閱讀器與WSN節點的融合方式中，當發生閱讀器讀寫碰撞時，RFID系統會根據防碰撞協議向閱讀器發出控制命令。但是，閱讀器會因為節點之間的端到端時延而無法及時做出響應，從而使閱讀器的碰撞問題更加嚴重。另外，WSID網絡中的無線設備數量越多，潛在的安全性等隱患就越大，如何解決這些問題對于WSID的推廣應用具有至關重要的作用。

　　(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用中。同時，當配置這些工具方法和標準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使，WSID網絡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 結語

　　WSID繼承了RFID利用射頻信號自動識別目標的特性，同時實現了WSN主動感知與通信的功能。WSID能夠主動對環境進行監測并記錄相關數據，必要的時候能夠主動發出警報。可見，將WSN與RFID技術融合來構建WSID網絡的應用前景不可限量。