RFID传感器网络研究现状与发展趋势

RFID传感器网络研究现状与发展趋势王越超摘要本文综述了传感器网络与RFID系统的现状与研究热点，并引出了上述两个系统的融合，即RFID传感器网络的出现。通过对RFID传感器网络的核心技术—数据处理技术的综述，描述了在该领域中的一些研究热点及相关技术。关键词：RFID传感器网络；数据处理1.RFID传感器网络概述1.传感器网络概述传感器网络（WSN）是集计算机、通信、网络、智能计算、传感器、嵌入式系统、微电子等多个领域交叉综合的新兴学科，它将大量的多种类传感器节点(传感、采集、处理、收发、网络于一体)组成自治的网络，实现对物理世界的动态智能协同感知。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（通常为电池）。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的，从几百美元到几美分，这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与带宽的受限。传感器网络由三部分组成，WSN硬件、WSN软件与网络协议。WSN硬件.WSN硬件一个无线传感器节点可视为是一台微型的计算机，具有基本的组件和接口。强调省电和构成分布式的自主网络平台。WSN软件.传感器网络的软件关键技术主要有无线数据库技术，比如使用在无线传感器网络的查询，和用于和其他传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议，其中以Zigbee(IEEE802.15.4)为代表。网络节点的微嵌入式软件：由于WSN的定位是大量布建在各种各样的远程连结环境中，并采用类似adhoc的特殊多跳移动无线网络。无线传感器网络节点基本上属于嵌入式系统的一种，也就是采用比一般目的操作系统更为精简的嵌入式操作系统。网络协议网络协议：有文献指出，无线传感器网络是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络。它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。这些应用一般不需要很高的带宽，但是对功耗要求却很高，大部分时间必须保持低功耗。由于无线传感结点通常使用存储容量受限的嵌入式处理器/控制器，因此对协议栈的大小也有严格限制。另外，WSN对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面也有一定的要求。WSN的特殊性对应用于该技术的网络协议提出了较高要求。目前，ZigBee技术已经在WSN领域得到了较为广泛的应用，是最具竞争力的WSN网络协议。但有文献认为，Parmar表示，从长远来看，Zigbee在安全性、技术成熟度、节点管理、QoS特性、设备互操作性等方面都不及Wi-Fi。但本人WIFI的主要问题是成本及并未对WSN进行适当裁剪。研究热点.目前，WSN的研究热点主要有：网络体系结构路由及数据分发、链路层协议WSN和IPv6的结合、数据的采集捕获技术、融合处理技术和数据库技术、功耗管理、定位技术、安全、适合WSN的软件开发环境和软件工具、模拟器、应用系统的开发等。RFID系统RFID是应用无线电波(频率为50kHz～5．8GHz)来自动识别单个物体对象的技术的总称。作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术，通过对实体对象的惟一有效标志，RFID可广泛应用于生产、零售、物流、交通等各个行业，被列为本世纪十大重要技术之一。RFID系统RFID系统主要由标签、阅读器和介于阅读器与企业应用之间的中间件三部分组成。中间件的主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传往企业应用的数据量，负责对阅读器进行管理和配置。中间件的作用与WSN网络对数据处理的要求不谋而合，因此有学者设计了RFID中间件软件并将其应用于WSN的数据处理中，实现了两者的结合。RFID技术具有如下特性：数据的读写功能；标签容易小型化和多样化；耐环境性；可重复使用；穿透性强；数据的记忆容量大，与传统的条形码相比，条形码识别物品的种类，而RFID技术确定每一个单独的物体对象。传感器网络与RFID技术的融合技术优势如下:“WSN和RFID技术的融合。由于RFID抗干扰性较差，而且有效距离一般小于10m，这对它的应用是个限制。如果将Zigbee的WSN同RFID结合起来，利用前者高达100m的有效半径，形成WSID网络，其应用前景不可估量。”同时，Zigbee无线电有希望成为主动的RFID标签。Zigbee产品可以利用更多的传感器和更少的网关，它们可以降低主动RFID的成本。传感器网络与RFID技术的融合有学者提出了基于传感器网络的超级RFID。系统综合了RFID和传感器网络的技术特点，它继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，同时实现了无线传感器网络主动感知与通信的功能。基于传感器网络的超级RFID不是被动的卷标技术，它能够主动对环境进行监测并记录相关数据，必要的时候能够主动发出警报。目前主要应用领域基于传感器网络的超级RFID系统在食品生产监控、实时物流监控、运输物资可视化系统、物流监控系统、车载危险品监控系统等领域应用广泛。RFID传感器网络数据处理问题研究现状及发展方向RFID传感器网络中数据量巨大、数据随机性强、动态、需要整合等，数据处理成为了要解决的核心问题。数据处理是RFID系统和传感器网络的灵魂。像零售商这样的公司每年对标签的吞吐量约有600亿，据统计，如果Wal—Mart全面采用RFID技术，每天产生的原始数据将超过7T。以上原始数据中存在大量的信息冗余，因此亟待对这些原始数据进行过滤和汇聚以提高数据的质量，减少数据冗余并压缩数据规模。主要技术数据处理流程中对数据处理各个环节的关键技术点主要包含采集、传输、分析和处理三个环节。采集中主要考虑数据容错及实时性等问题；传输过程的研究主要包括1)过滤与容错；2)减少传输量；分析与处理过程，主要包括对数据的抽象表示、数据挖掘、处理模型和机制及其他相关处理算法的研究。其中处理模型和机制中可以用到人工智能中的神经网络对数据进行分类处理。对数据的处理因其具体应用的不同有很大的不同，主要包括对数据的抽象表示、数据挖掘、处理模型和机制及其他相关处理算法的研究，部分还将涉及数据库中的数据处理技术。数据处理的过程与目的RFID传感器网络的数据处理分为如下过程:：采集、存储、查询、分析。数据处理的目的有：1、减少数据量，减轻网络节点的存储压力与传输负担；2、提高数据利用率；3、屏蔽数据的物理实现与逻辑表示；4、增加数据安全性。RFID数据处理在RFID系统中主要处理静态和动态两种类型的数据。静态数据往往与商业实体和产品／服务组关联。动态数据则与专门的个体有关。对RFID数据处理的研究主要有数据过滤和容错、为减少传输量而进行编码和压缩、通过可扩展标志语言／物理标志语言(XML／PML)对数据进行抽象表示、数据挖掘、事件处理、数据融合、中间件或边缘件、面向服务的架构、实时性、分布式处理等传感器网络的数据处理数据处理同样是传感器网络的核心。目前用于传感器网络数据处理的结构主要有集中式、半分布式、分布式、层次式四种。目前大多数的研究工作集中在半分布式结构。半分布式结构的两个代表是Fiord系统和Cougar系统。综合各种结构，对其进行数据处理的逻辑抽取之后，其层次结构可以分为基础层、网络层、数据处理层、应用开发环境层和应用层。相似与交叉部分从以上的数据处理层次结构和需要研究的关键技术可以看出，RFID系统与传感器网络在数据处理上有着很大的相似性或者交叉点。RFID传感器网络的数据处理问题可以综合考虑两个系统的相似部分，统一解决交叉问题。可以考虑前面介绍的RFID中间件技术进行解决。应用一有文献将其应用于将全球供应链管理网络体系与无线传感器网络相结合。提出了数据绑定组件。利用数据绑定将WSN和RFIDtag中的数据建立联系，便于用户进行级联查询。根据不同的应用需求，WSN可以以两种形态与物品发生联系：紧耦合方式(tight—coupling)与松耦合方式(1oose—coupling)。通过使用数据表外键的方式达到数据绑定的目的。并提出了一种分布式的中间件协议——WSNSERVICEPROXY。应用二移动代理技术增加了网络节点的数据处理能力，通过对节点数据进行预先的冗余检查及容错处理，减少了网络的数据传输率，节省了节点能源。移动处理技术的关键是安全技术，certiCom公司于06年推出了相关软件和一种硬件内核，以便将其椭圆曲线密码架构应用于传感器网络和有源RFID标签等受环境约束的应用。该算法使得小型计算节点能以小的存储器容量和功耗处理认证、密钥交换和数字签名等复杂的任务。结束语RFID传感器网络融合了传感器网络与FRID系统，形成了WSID网络，在各个领域开始广泛应用，尤其是在物流系统出现了许多研究成果。数据处理是WSID网络研究中的核心问题，研究过程中需要综合运用计算机、通信、网络、智能计算等多学科的知识。今后的研究热点将继续集中在数据处理、网络协议上，可通过数据容错、数据压缩、移动代理、分布式计算、网络协议的优化等措施，达到降低硬件成本，节约能源，提高处理效率的目的。