RFID的“翅膀”—— 無線傳感網(wǎng)絡

RFID ( Radio Frequency Identification) 即射頻識別技術,屬非接觸式自動識別技術,通過射頻信號自動識別目標對象獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可用于各種惡劣環(huán)境，并可識別高速運動物體及多個標簽,操作快捷簡便。隨著微型集成電路技術的進步，微型智能RFID標簽得到了很大發(fā)展，在低功耗IC技術方面的突破為發(fā)展小型、低功耗主動式標簽創(chuàng)造了條件。這使RFID不僅具備被動式電子標簽的所有特性，而且具備可雙向通訊、壽命更長，性能更可靠等優(yōu)點。正因為如此，RFID技術將成為未來信息社會建設的一項基礎技術。 

但是RFID自身也存在一些不足之處，如成本高、需依賴讀取器方能搜集數(shù)據(jù)、抗干擾性較差且有效距離一般小于10 m等，這些對它的應用構成一定的限制。而無線傳感網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Network）剛好可以彌補RFID的這些缺點，這無疑為RFID的實施插上了“翅膀”。 

1 WSN簡介 

WSN（Wireless Sensor Network）即無線傳感器網(wǎng)絡是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，它能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸。它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送給觀察者。具體的來講，WSN兼具感測、運算與網(wǎng)絡能力，透過傳感器偵測周遭環(huán)境，如溫度、濕度、光照、氣體濃度、震動幅度等，并由無線網(wǎng)絡將搜集到的信息傳送給監(jiān)控者；監(jiān)控者解讀報表信息后，便可掌握現(xiàn)場狀況，進而維護、調整相關系統(tǒng)。由于監(jiān)控物理環(huán)境的重要性從來沒有像今天這么突出，無線傳感器網(wǎng)絡已被視為環(huán)境監(jiān)測、建筑監(jiān)測、公用事業(yè)、工業(yè)控制、家庭、船舶和運輸系統(tǒng)自動化中的下一個發(fā)展方向。 

2 WSN的MAC層協(xié)議IEEE802.15.4以及ZigBee 

無線傳感器網(wǎng)絡的應用一般不需要很高的帶寬，但是對功耗要求卻很嚴格，大部分時間必須保持低功耗。由于無線傳感結點通常使用存儲容量不大的嵌入式處理器，因此對協(xié)議棧的大小也有嚴格限制。另外，WSN對網(wǎng)絡安全性、結點自動配置、網(wǎng)絡動態(tài)重組等方面也有一定的要求。WSN的這些特殊性對應用于該技術的網(wǎng)絡協(xié)議提出了較高要求。目前最廣泛使用的WSN的MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4。 

ZigBee是一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee采用 MAC層IEEE802.15.4協(xié)議與更高層ZigBee協(xié)議的組合，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。低成本、低功耗、應用簡單的IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的誕生為無線傳感器網(wǎng)絡及大量基于微控制的應用提供了互聯(lián)互通的國際標準，也為軍事應用提供了機遇。ZigBee是一種新興的低成本近距離無線技術。 

雖然ZigBee傳輸速度只有20k～250kbps，但是這對于3G和IA(信息家電)來說已經足夠了。ZigBee的其他優(yōu)勢還包括：16位/64位IEEE尋址、CSMA-CA信道接入、支持點對點、星狀及網(wǎng)格網(wǎng)絡拓撲、可自組成網(wǎng)、全握手(Fully Handshaked)協(xié)議保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性。ZigBee在2.4G ISM頻段內有5MHz 16個頻道，915MHz頻段內有10個頻道，868MHz頻段內有1個頻道。 

3 WSN的應用 

WSN并不是一種新興的技術，早在海灣戰(zhàn)爭中它就被派上了用場：當時的美軍部隊使用大量的智能灰塵傳感器結點，將光、聲信息匯集起來，從而能夠實現(xiàn)快速鎖定目標，進行定向轟炸。WSN還可以應用在環(huán)境監(jiān)測、洪水預報、動物棲息的監(jiān)控、溫度、照明、安全控制、城市交通管理、庫存和物流管理等。隨著相關技術(如網(wǎng)絡協(xié)議)的不斷成熟，WSN的應用范圍也在逐漸擴大。 

3.1 WSN保障隱私和安全 
WSN可以保障護士不再侵犯病人的隱私，因為一旦有人因發(fā)生跌倒，心臟病等陷入困境時，可以通過傳感器進行識別。服藥則可以通過口信進行提示，一些公司如aardex公司通過對裝藥的塑料瓶不停的稱重這種方式，一旦你該服用兩個藥丸卻只服用了一個時，則通過警告的方式加以提醒。 
此外，WSN還可以增強安全性。隨著owlstone公司的新的傳感器系統(tǒng)的問世，安全性將得到極大的增強。該系統(tǒng)只有一枚硬幣（一角硬幣）大小，卻能夠從十億人中判斷出恐怖分子，能夠對瓦斯泄露以及許多其他問題發(fā)出警告。這些傳感器，應該說大多數(shù)這類傳感器都需要通過RFID來識別是哪個傳感器所發(fā)出的警告。 

3.2 WSN技術的軍事應用及案例 
新一代的無線傳感器網(wǎng)絡WSN將采用ZigBee協(xié)議。它在國家安全及軍事上的主要應用是： 
(1) 監(jiān)測戰(zhàn)場人員及裝備、機器人控制及監(jiān)測敵軍； 
(2) 評估軍隊作戰(zhàn)的戰(zhàn)果； 
(3) 核能、生物、化學攻擊的偵察； 
(4) 邊防警衛(wèi)； 
(5) 軍事區(qū)域的監(jiān)控照明、軍隊辦公大樓的安全； 
(6) 軍隊運輸和軍事勘測進行管理、控制、數(shù)據(jù)采集及其他遙感勘測； 
(7) 部隊營區(qū)家庭監(jiān)控照明、安全和其他系統(tǒng)； 
(8) 對軍隊醫(yī)院病患、醫(yī)療設備及設施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控； 
(9) 軍用汽車的應用，配合傳感器網(wǎng)絡報告汽車所有系統(tǒng)的狀態(tài)； 
(10) 對于部隊營區(qū)消費電子應用，對玩具、游戲機、電視、立體音響、DVD播放機和其他家電設備進行遙控； 
(11) 有源RFID的軍事應用，例如電池供電標簽，它可用于產品運輸、產品跟蹤、存儲較大物品和財產管理； 
(12) 基于軍用部門互聯(lián)網(wǎng)的設備之間的機器對機器通信（M2M）等等。 
WSN技術的軍事應用案例可舉美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）和美國空軍（USAF）正在合作開發(fā)的網(wǎng)絡嵌入式系統(tǒng)技術（NEST）是WSN在軍事方面的最新應用。利用廣泛散布于特定區(qū)域、檢查站、建筑物和護衛(wèi)車隊等地的WSN結點，作戰(zhàn)人員能夠對狙擊手和其他隱蔽的射手進行定位。這些結點能夠跟蹤子彈產生的沖擊波，在結點范圍內測定子彈發(fā)射時產生聲震和槍震的時間，以判定子彈的發(fā)射源。 

3.3 WSN的其他應用 
(1)WSN可用于醫(yī)療設備系統(tǒng)中傳感器的無線數(shù)據(jù)連接(如無線心電圖和腦電圖等)，減輕患者身上醫(yī)療設備的負重。 
(2)采用WSN建設農業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，用同一套網(wǎng)絡設備完成風、光、水、電、熱和農藥等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，提高農業(yè)集約化生產程度，簡化系統(tǒng)復雜性，降低設備成本。 
(3)石化、冶金行業(yè)對易燃、易爆、有毒物質監(jiān)測的成本一直居高不下，WSN在把部分操作人員從高危環(huán)境中解脫出來的同時，提高險情的反應精度和速度。 
(4)歐洲的“DELTA計劃”在汽車出廠前就把車載信標集成在車載計算機中，作車輛識別和車輛與路側設備通信的必選器件，還可構成自動定位和汽車導航等更完整的應用。 
(5)WSN多技術組合時，運用M2M(machine to machine，machine to mobile，mobile to machine)概念，把WSN接入移動通信網(wǎng)絡，既滿足網(wǎng)絡接入的要求，又達到低成本和靈活移動的目的，二者的完美結合可實現(xiàn)無所不在的通信環(huán)境和便宜實惠的應用效果。M2M與WSN聯(lián)合應用最典型的是智能家居系統(tǒng)。 

4 RFID與WSN結合的契機 

從通信產業(yè)發(fā)展的角度來看，對RFID應用需求的產生直接源于通信技術的發(fā)展，屬于設備與設備之間的通信市場的開拓。通信技術發(fā)展的直接結果是一個結構更加復雜和功能更加強大的通信系統(tǒng)，因此從根本上看，RFID與通信系統(tǒng)WSN的結合存在很大的契機。 

首先，因為WSN可以監(jiān)測四面八方感應到的資料，其與RFID技術結合后，可進一步確保數(shù)據(jù)的完整性。這將能彌補RFID高成本以及須依靠讀取器方能搜集數(shù)據(jù)的缺點。形象的來說，通過RFID標簽，物品會發(fā)出信號表示“我在呢”，這就是它能發(fā)出的全部信息；通過WSN，物品會告訴你一些其他信息，比如它現(xiàn)在的溫度等等。如果將RFID與WSN結合起來，那么物品發(fā)出的信號就不僅僅是“我在呢”，還會告訴你其他一些信息，比如它現(xiàn)在的溫度等等。 

其次，另外一個促進RFID與WSN結合的契機是由于RFID抗干擾性較差，而且有效距離一般小于10m，這對它的應用是個限制。如果將WSN同RFID結合起來，利用前者高達100m的有效半徑，形成WSID網(wǎng)絡，那么其應用前景不可估量。為什么這么說呢？RFID與WSN的區(qū)別與聯(lián)系，用不太科學且通俗的話來說就是：RFID技術可以看成一個短距離的WSN網(wǎng)絡；WSN可以看成一個長距離的RFID通訊網(wǎng)絡?；谶@種趨勢，將RFID與WSN相整合就可以形成一個覆蓋全部范圍的網(wǎng)絡。 

一個RFID與WSN結合應用的成功案例是位于臺南的大山雞場應用WSN與RFID輔佐雛雞養(yǎng)育。通過WSN監(jiān)控影響雞蛋質量的變因，如二氧化碳濃度、溫度、濕度及風力等，將環(huán)境維持在最佳狀態(tài)，結合RFID，改善上游的飼料廠、雞舍及下游蛋品運輸?shù)茸鳂I(yè)流程。 

5 RFID協(xié)同WSN、 RTLS驅動數(shù)字化供應鏈 

在傳統(tǒng)的供應鏈中，重要的流通信息的收集工作會比較慢，不僅耗費很多人力，而且容易出現(xiàn)錯誤，嚴重阻礙了企業(yè)及時做出決策和開展合作，從而導致非常不利的負面影響。隨著需求的拉動，企業(yè)的供應鏈狀況正在發(fā)生著非常大的變化。RFID能為供應鏈管理及物流業(yè)創(chuàng)造很高的價值，所以它在這些領域大行其道是理所當然的，例如沃爾瑪在使用RFID方案后，其手工訂貨工作量減少了10%至15%、缺貨情況降低了30%、促銷產品的銷售量增加了25%，而更重要的是顧客滿意度大幅度提高。 

英特爾公司軟件解決方案服務事業(yè)部高級解決方案框架師金瑞恩說，“物理條件、距離、上下游企業(yè)之間、企業(yè)內部接口、網(wǎng)絡設施建設等影響供應鏈部署的要素正在發(fā)生巨變。企業(yè)在擴展業(yè)務的可視性和控制力方面要求更高，可視與控制的范圍不僅包括內部也包括外部；控制的方式要求能夠根據(jù)狀態(tài)和位置實現(xiàn)實時連續(xù)化，而且要求提高產品可用性、降低貶值、偽造率；在庫存擴充方面，對下游執(zhí)行和上游供貨能力要求更強。而且，由于面向內外部客戶不斷有著全新的服務，更要求企業(yè)在一致性、可視性和控制力等方面對新的業(yè)務模式有更強、更快的適應能力（如交叉配送、VMI、ePod、數(shù)據(jù)托管、數(shù)據(jù)服務以及標記服務等）?！?nbsp;

利用在RFID和WSN方面的專業(yè)知識與技術，網(wǎng)絡邊緣設備的技術融合，使企業(yè)從傳統(tǒng)供應鏈向數(shù)字化供應鏈進行轉變。供應鏈終端的產品和環(huán)境也是非常重要的影響因素，WSN能夠用于具有條件感應功能的基礎設施和交通環(huán)境，面向資產和貨物有確認功能。實時定位系統(tǒng)（RTLS，Real-time Location System）則幫助對供應鏈的各個環(huán)節(jié)中的產品進行位置跟蹤，確定供應鏈終端產品的位置。所有這些促使其能夠更快速地獲取信息，更迅速地采取行動，并更明智地做出決策。這些企業(yè)能夠獲得更高的產品回報和客戶滿意度，并降低不必要的庫存和銷售損失。 

6 結束語 

RFID和WSN都正受到越來越廣范的關注，因此有些專家建議中國本土企業(yè)應該加大對RFID和WSN技術的關注力度，并預言“WSN與RFID結合起來組成的WSID網(wǎng)絡，其應用前景不可估量。” 

總之，RFID技術在走向“無處不在”的路上“邂逅”了WSN，插上WSN“翅膀”的RFID將“振翅高飛”！