RFID与WSN融合模型的研究与优化设计

引 言

微电子技术、通信技术的迅速发展以及物联网技术的兴起，极大地促进了无线传感器网络（WSN）和无线射频识别（RFID）这两项关键技术的研究和应用。RFID 技术已经在工业上得到了广泛应用，WSN 技术也在各种环境下发挥重要的作用，两者在延续各自独立的发展和研究路径的同时，逐渐开始进行融合技术的探索。

RFID 技术可以在短距离内自动快速确定对象的关键信息，主要用于对象的跟踪与管理，但在很多应用领域中，管理对象对环境具有敏感性，需要通过远程观察获取周围的物理环境信息[1]，传统的RFID 技术无法解决这个问题。例如在一个使用RFID 的资产管理系统中，仅采用射频识别可以追踪一个特定资产的当前位置，却不能获取温湿度等相关环境信息。WSN 由若干小型节点组成，这些节点具有感知、计算和无线通信的能力。无线传感器网络可以收集、聚合以及分析环境信息，用于火灾探测、污染监测等领域，但它却无法检索具有物体关键信息的标识以及位置。在这种情况下，通过对RFID 与WSN 的融合，我们可以构建一个具备丰富环境信息的对象跟踪和管理系统 [2]，将两种技术相辅相成，最大化提升两者的效率，为更加广泛的应用提供新视角。

文中主要归纳总结出了目前主流的四种融合模型，对模型进行分析、优化，并基于优化的模型设计出一套新型RFID- WSN 融合系统。

1 四种融合模型

目前国内外提出了诸多基于RFID 与WSN 融合的理论和应用，Lei Zhang 等人较全面地总结了三种融合技术，即 RFID阅读器与WSN基站的融合、分布式智能节点、智能传感标签 [3]。AshwiniW. Nagpurkar等人首次将 RFID标签与传感器的融合总结为有限通信能力（LimitedCommunicationCapability）和扩展通信能力（ExtendedCommunicationCapability）[4]。通过对近年来相关研究的分析和总结，将目前主要的融合技术归纳为传感器 - 标签融合模型、WSN- 标签融合模型、WSN- 阅读器融合模型、WSN-RFID系统融合模型四种。四种 RFID与WSN融合模型如图1所示。

1.1 传感器 - 标签融合模型

传感器 - 标签融合模型如图 1（a）所示。将 RFID 标签与传感器集成，使 RFID 标签配备环境感知能力，使标签可以通过传感器采集环境信息，并直接作为识别信息被RFID 阅读器快速读取。Ferrer-Vidal 等人设计的搭载传感器的超低功耗纸基 RFID 标签 [5] 与Cho 等人设计的搭载传感器 5.1 W 功率的超高频 RFID 标签[6] 即基于此种模型。

1.2 WSN- 标签融合模型

WSN- 标签融合模型如图 1（b）所示。在 WSN 节点上集成 RFID 标签，集成方式分为两种。一是在 WSN 节点 Flash 上存储 RFID 标准格式的识别信息；另一种是直接在硬件上连接RFID 标签。这种类型的传感器节点标签不仅能够实现标签信息的识别和追踪，还能感知环境并互相传递信息。文献 [1] 和[7] 提出的SIWR 模型和RSN 模型便是在此模型基础上将节点分为汇聚节点、路由节点和感知节点。汇聚节点负责信息管理，路由节点负责信息转发，只有感知节点融合了 RFID 标签， 负责感知和识别。

1.3 WSN- 阅读器融合模型

WSN- 阅读器融合模型如图 1（c）所示。通过 WSN 节点与 RFID 阅读器的集成， 将 WSN 与 RFID 连接在一起。RFID 通过 WSN 远程交换数据， 扩大了识别范围。OmarM.Q. 等人设计的基于RFID 与WSN 的机器状态检测系统 [8]、C.Salvatore 等人设计的工厂安全系统 [9] 就是这种模型的应用实例。该模型还可以与传感器 - 标签融合模型共存，如Pablo GARCíA ANSOLA 等人设计的 ZigID 模型[10]。

1.4 WSN-RFID系统融合模型

WSN-RFID 系统融合模型如图 1（d）所示。保持 WSN和RFID 的原有架构，引入智能基站进行系统集成。智能基站是搭载了融合框架的集成服务器，其主要任务是控制WSN 和RFID 进行协同工作，采集WSN 与RFID 的信息，通过融合框架进行数据融合，呈现出更加综合和智能的信息。Jaekyu Cho 等人提出的WSN 与RFID 融合框架SARIF[2] 正是该融合模型的实例。

2 融合模型的优化

四种模型从不同的角度对RFID 与WSN 做了融合，相比融合之前都丰富了功能或提升了性能，但仍存在一些问题，因此需要对模型进行优化。

2.1 存在的问题

传感器- 标签融合模型并没有融合WSN的无线通信能力， 所以系统的覆盖范围过小是最显著的问题。

WSN- 标签融合模型将 WSN- 标签作为WSN 节点，需要遵循入网、分配地址、握手通信、退网等网络协议，导致标签丧失了RFID 快速识别的特性，其数量和流动性也受到网络负载能力的制约。

在WSN- 阅读器融合模型中，WSN- 阅读器是模型上层WSN 与下层RFID 连接的唯一枢纽，数据交换负载量大，一旦失效，便会导致融合系统瘫痪，所以模型存在负载均衡和鲁棒性的问题。

在 WSN-RFID 系统融合模型中，WSN 与RFID 在硬件上相互独立，部署成本是两者之和，且单纯依靠软件层面进行数据分析和系统协作来实现融合，也需要更高性能和成本的基站服务器。

2.2 优化模型

针对上述四种模型存在的问题，结合WSN- 标签融合模型和WSN- 阅读器融合模型，提出了图 2 所示的优化融合模型。

该优化模型保留 WSN 节点的同时引入了 WSN- 标签和WSN- 阅读器两种融合节点，这是一种复合型融合架构。模型中的每个节点都基于WSN 节点，具有环境感知和无线通信能力；WSN- 阅读器节点和WSN- 标签节点可以进行无线射频识别，即节点之间既可以按照WSN 架构构建，进行远程采集传输， 也可以按照RFID 架构构建，进行对象信息快速识别，抑或同时进行。此举解决了 WSN- 标签融合模型无法支持大量标签快速识别的问题，相比WSN- 阅读器融合模型提升了负载均衡和鲁棒性。

3 新型融合系统的设计

优化的融合模型能否发挥其优势，关键在于如何设计出高效的融合节点以及节点之间如何构建来满足应用需求。

3.1 新型融合节点

针对优化模型中定义的三种节点， 文中将设计一种集WSN 节点、RFID 阅读器、RFID 标签于一体的新型融合节点， 该新型节点既可以按WSN 节点工作，又可以按WSN- 阅读器工作，也可以切换成WSN- 标签工作，既节约了硬件成本，又提高了系统的灵活性，能够充分发挥优化模型的特点和优势。新型融合节点架构如图 3 所示。

该架构在 WSN 五层网络模型的基础上集成了 RFID 角色层（ 包括 RFID 阅读器和 RFID 标签） 和 RFID 应用层。

WSN与RFID共用物理层和数据链路层，这样使得融合节点的硬件成本得到控制。原始数据在数据链路层被分发，WSN 数据继续向上层传递，RFID数据直接发送至 RFID 角色层， 实现 RFID的快速识别。由于RFID角色层支持RFID阅读器和RFID标签两种角色，所以融合节点可以根据RFID应用层的设置，来进行WSN 节点、WSN- 阅读器与WSN- 标签三种角色的动态切换。RFID应用层与WSN应用层既可以相互独立运行应用，也可以配合执行任务。

3.2 动态构建机制

由于这种新型融合节点具有动态切换角色的能力，相应的，融合系统也可以动态变换其架构，所以需要建立相应的动态构建机制，才能使系统体现出对不同环境的适应性，提高工作效率。

3.2.1 初始化构建

首先要在基站建立和维护节点角色表， 按照 RFID 标识信息将节点角色分别定义为WSN 节点、WSN- 阅读器或WSN- 标签。系统启动后，所有节点先以WSN 节点角色组网， 并上传自己的RFID 标识信息。然后系统根据节点角色表向每个节点发送相应的角色配置命令，使节点切换为特定角色。

3.2.2 将WSN切换为RFID

当需要把某个区域的WSN 切换为RFID 时，向该区域的汇聚节点发送 WSN- 阅读器启动 命令，此节点通过 RFID 应用层启动RFID 阅读器功能，向其所有子节点广播 WSN- 标签启动 命令，使子节点启动 RFID 标签功能。最后删除所有子节点，并禁止WSN 接收入网，此时所有子节点离开 WSN 网络并进行RFID 快速识别。

3.2.3 将RFID切换为WSN

当需要把某个 RFID 系统切换为WSN 时， 向该 RFID 的阅读器发送 WSN- 阅读器停止 命令，此节点关闭 RFID 阅读器功能，并启用WSN 的接收入网功能，此时附近所有WSN- 标签将连为它的子节点。最后向子节点广播发送 WSN- 标签停止 命令，关闭其 RFID 标签功能。

3.2.4 自适应构建

当某个WSN 节点负载过重，其子节点数量超过系统阈值设定时，将自动执行 WSN 切换 RFID 操作来减轻该节点的网络负载 ；当某个 WSN- 阅读器在连续时间内识别到某个WSN- 标签的次数高于系统阈值设定值时，将对此 WSN- 标签发送 WSN- 标签停止 命令，并将其连为 WSN- 阅读器的子节点，以减轻WSN- 阅读器的负载并避免与其他标签碰撞。

3.3 优缺点分析

首先，新型融合系统实现了RFID 与WSN 融合的基本目的，即远程环境信息采集和对象识别管理。其次，对比优化前的四种融合模型，新型融合系统同时解决了它们的问题。最后，新型融合系统扩大了识别范围、支持大量标签的快速识别、提高了负载均衡性和鲁棒性，很好的控制了成本。

但系统不支持被动式 RFID 标签，因为系统使用的新型融合节点工作在WSN 的物理层上，无法支持被动式RFID 标签的读写。因此系统的应用领域受到了一定限制。

4 结 语

本研究总结了四种典型的RFID 与WSN 融合模型，并针对这些模型存在的问题，提出了针对融合模型的优化，并基于优化模型设计了一套新型 RFID-WSN 融合系统。

本研究提出的融合系统由一种新型融合节点组成，该节点的架构设计基于WSN 网络模型与RFID 协议的集成，在不增加硬件成本的情况下，通过软件将 WSN 节点、RFID 标签和 RFID 阅读器三种角色融于一体。通过设计动态构建机制来组织管理这些节点，融合系统实现了 WSN 与RFID 的动态切换和自适应构建。

最后根据优缺点分析发现，本研究提出的新型融合模型及系统在主动式RFID 的使用领域中具有更优的特性和更灵活的应用。