基于傳感器網絡的超級RFID系統

1 引言

　　射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID ),又稱電子標簽(E-Tag) , 是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息的技術。基于傳感器網絡的超級RFID 系統(以下簡稱超級RFID系統) 綜合了RFID和傳感器網絡的技術特點, 它繼承了RFID利用射頻信號自動識別目標的特性, 同時實現了無線傳感器網絡主動感知與通信的功能。基于傳感器網絡的超級RFID不是被動的卷標技術, 它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。

　　2　RFID與無線傳感器網絡的技術融合

　　2.1 傳感器網絡技術簡介

　　微電子機械系統(MEMS)、無線通信和微電子技術的進步, 使得設計和開發低成本、低功耗、多功能的微型傳感器成為可能。這些微型傳感器體積小,具有傳感、數據處理和通信部件, 在今后幾年, 甚至會出現超低功耗SoC, 在單片上集成無線通信、微處理器和MEMS傳感和作動部件。眾多具有通信、計算能力的傳感器(或作動器) 通過無線方式連接,相互協作, 同物理世界進行交互, 共同完成特定的應用任務, 稱為傳感器網絡(Sensor Network)。

　　傳感器網絡與傳統的傳感器相比, 易于部署, 即傳感器節點位置不需要事先確定或精心設計, 允許任意放置, 部署維護成本低, 具有較高的靈活性; 傳感器網絡由大量廉價節點組成, 可放置在物理現象作用范圍內, 從而獲得較高的觀察精度性, 具有較高的性價比; 傳感器網絡具有大量冗余節點, 即使部分節點失效, 也不會影響整個系統的功能, 因而具有較好的健壯性; 傳感器網絡節點具有計算能力, 可以相互協作, 能夠完成傳統傳感器所不能完成的任務。

　　2.2 RFID與無線傳感器網絡的技術融合

　　RFID 技術與傳感器網絡技術相結合, 可能是將來的一個發展趨勢。傳感器網絡一般不關心節點的位置, 因此對節點一般都不采用全局標識, 而RFID技術對節點的標示有著得天獨厚的優勢, 將兩者結共同組成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, 當需要具體的考慮到某個具體節點的信息的時候, 也可以利用RFID的標識功能輕松的找到節點的位置。

　　3　超級RFID系統的組成

　　超級RFID系統采用層次型的組成結構, 分為末梢節點和網關節點和上層用戶三個層次, 如圖1所示。

圖1 超級RFID的組成

　　末梢節點由兩部分組成, 分別是數量眾多的普通傳感器節點和超級RFID標簽, 超級RFID節點除了具備基本的RFID無線標記功能外, 在節點上還配置了微型傳感器, 可以主動感知節點標記對象的溫濕度、位置移動、煙霧、電磁環境、聲音等信息,并且可以主動上報感知信息。

　　而帶有傳感器器件的智能處理節點則充當網關節點, 網關節點擔負兩方面的功能: (1) 讀取、匯聚超級RFID節點和傳感器節點的信息(2) 對讀取的信息進行分析, 實時監控環境信息。有源的網關節點在必要時讀取RFID標簽的信息, 通過傳感器網絡發送給上層用戶; 當然, RFID節點的信息也能夠被手持式閱讀器隨時讀取。

　　上層用戶主要是指與智能網關節點直接通信的外部網絡, 如Internet網絡或GSM網絡等。另外,無線傳感器網絡和現有的無線通信終端(如手機) 還不能很好的通信, 利用現有的網絡將處理好的信息發送到用戶終端是一個不錯的選擇。

　　4　體系結構

　　超級RFID系統融合了無線傳感器網絡和RFID技術, 因此在設計系統體系構架時, 要綜合考慮到兩者的特點, 系統體系結構如圖2 所示。

圖2 系統體系結構圖

　　Savant 軟件是處理從一個或多個解讀器獲得的標簽或傳感器數據(事件數據) 流的“中間件”, 是一種企業通用的數據管理架構, 安裝在等級式、分布式的服務器上。本系統的Savant有三種數據來源,可以按傳統的方式從閱讀器而來, 可以接受傳感器節點的信息, 也可以接收超級RFID主動發出的信息。基于Savant的樹型等級結構, 并根據其分類, 定義了一種統一的層次化的Savant體系架構。依據Auto-ID標準委員會的定義, Savant應該包括三個必需的標準模塊: 事件管理系統(EMS)、實時內存數據結構(RIED)和任務管理系統(TMS)。其它一些可選標準程序模塊可以根據用戶定義。圖3是Savant的體系結構。

?

圖3 Savant 的體系結構

?　　在圖3中, 事件管理系統應用在Edge Savant(ES)上采集標簽解讀事件, 它與解讀器應用程序通信, 管理解讀器發送的事件流。EMS體系結構中的“解讀適配器”和“解讀器接口”可看作一個通用的接口, 對于Edge Savant 來講, 由于解讀適配器直接或間接的與解讀器進行通訊, 并收集解讀器探測到的事件, 然后將這些事件寫入解讀器接口。對于Internal Savant 來講, 它是Edge savant s 的父節點或上級, IS從他的下屬Edge Savant 中采集EPC數據,因此“解讀適配器”和“解讀器接口”可看作是通用的網絡數據訪問接口。

　　RIED是一個用來保存Edge Savant 信息的內存數據庫。Edge Savant 保存和組織解讀器發送的事件。事件管理系統(EMS)提供過濾和記錄事件的框架, 記錄器可以將事件保存在數據庫中。數據庫處理大量事件時, RIED提供了與數據庫同樣的接口,但實時性要好。應用程序可以通過JDBC或本地Java接口訪問RIED。

　　Savant 軟件根據用戶定制的任務進行數據管理、數據監控。TMS負責管理由上級Savant或企業應用程序發送到本級Savant的任務。Savant TMS使分布式Savant的維護變得簡單, 寫入TMS的任務可以獲得Savant的所有屬性。

　　5　結　語

　　本文綜合RFID 和無線傳感器網絡技術, 提出了一種基于傳感器網絡的超級RFID系統, 介紹了該系統的組成與體系結構及該系統對Savant 的新要求。指出RFID 技術與傳感器網絡融技術的融合可能是一個新的發展趨勢。