1、第第1010章章 物聯網環(huán)境下的無線傳感器網絡物聯網環(huán)境下的無線傳感器網絡 10.1 RFID10.1 RFID與無線傳感器網絡的整合與無線傳感器網絡的整合10.1.1 RFID10.1.1 RFID的基礎理論的基礎理論 1.RFID1.RFID的定義的定義射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合頻信號和空間耦合( (電感或電磁耦合電感或電磁耦合) )或雷達反射的傳輸特性，實現對被或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。它通常用來分類和追蹤市場和制造廠中的產品。識別物體的自動識別。它通常用來分

2、類和追蹤市場和制造廠中的產品。 簡明扼要地說，簡明扼要地說，RFIDRFID系統(tǒng)有兩個主要的成分：標簽和閱讀器。一個系統(tǒng)有兩個主要的成分：標簽和閱讀器。一個標簽有一個確定標簽有一個確定( (身份證身份證) )號碼和記憶單元，這些記憶單元用來儲存數據。號碼和記憶單元，這些記憶單元用來儲存數據。 2. RFID2. RFID技術技術 (1)RFID(1)RFID的類型標簽的類型標簽 基于能源來源，基于能源來源，RFIDRFID標簽分為三個主要的種類：有源標簽、無源標標簽分為三個主要的種類：有源標簽、無源標簽、半無源無源簽、半無源無源( (半有源半有源) )標簽。標簽。 基于存儲模式，基于存儲模式，

3、RFIDRFID標簽可以分為兩類：可讀標簽可以分為兩類：可讀/ /寫的標簽和只讀寫的標簽和只讀RFIDRFID標簽與無線傳感網絡的整合。標簽與無線傳感網絡的整合。 (2)(2)無線電電波無線電電波 RFIDRFID標簽可以在三種頻率下工作：低頻率，標簽可以在三種頻率下工作：低頻率，(LF(LF，30kHz30kHz500kHz)500kHz)、高頻率高頻率(HF(HF，10MHz10MHz15MHz)15MHz)和超高頻率和超高頻率(UHF(UHF，850MHz850MHz950MHz950MHz2.4GHz2.4GHz2.5GHz2.5GHz，5.8GHz)5.8GHz)。與較高的頻率標簽比

4、較起來，。與較高的頻率標簽比較起來，LFLF標標簽不會受液體或金屬影響。對于大部分應用，簽不會受液體或金屬影響。對于大部分應用，LFLF標簽與任何一個較高的標簽與任何一個較高的頻率標簽相比，它有較快的運行速率和低廉的價格。然而低頻標簽閱頻率標簽相比，它有較快的運行速率和低廉的價格。然而低頻標簽閱讀范圍較小并且閱讀速度低。讀范圍較小并且閱讀速度低。LFLF標簽的典型應用有通路控制、動物確認標簽的典型應用有通路控制、動物確認和詳細目錄控制。和詳細目錄控制。LFLF標簽的通用頻率在標簽的通用頻率在125kHz125kHz134.2kHz134.2kHz和和140kHz140kHz148.5kHz14

5、8.5kHz之間之間。10.1.1 RFID10.1.1 RFID的基礎理論的基礎理論10.1.210.1.2 RFIDRFID和無線傳感網絡整合的原因和無線傳感網絡整合的原因 1 1射頻識別技術和無線傳感網的應用射頻識別技術和無線傳感網的應用RFIDRFID網絡的主要應用是偵測標注物體和人的出現。網絡的主要應用是偵測標注物體和人的出現。RFIDRFID標簽系標簽系統(tǒng)的另一個重要應用是提供物體的位置。物體定位有不同的方法：統(tǒng)的另一個重要應用是提供物體的位置。物體定位有不同的方法： 偵測有移動閱讀器的物體的位置，標簽固定在已知位置；偵測有移動閱讀器的物體的位置，標簽固定在已知位置； 用固定的閱讀

6、器偵測被標記物體上的標簽位置。在大規(guī)模用固定的閱讀器偵測被標記物體上的標簽位置。在大規(guī)模RFIDRFID系統(tǒng)中，使用三角測量或信號處理技術，系統(tǒng)中，使用三角測量或信號處理技術，RFIDRFID標簽判斷位置的性標簽判斷位置的性能可進一步改進。能可進一步改進。通過結合通過結合RFIDRFID標簽標簽( (識別和定位識別和定位) )和無線傳感網和無線傳感網( (測知、識別測知、識別以及定位以及定位) )的屬性，我們能概括出四個不同的應用。的屬性，我們能概括出四個不同的應用。(1)(1)整合整合RFIDRFID的識別和無線傳感網的測知。的識別和無線傳感網的測知。 (2)(2)整合整合RFIDRFID標

7、簽與傳感器來識別物體與人。標簽與傳感器來識別物體與人。 (3)(3)整合整合RFIDRFID標簽識別物體標簽識別物體/ /人和無線傳感網的定位。人和無線傳感網的定位。(4)(4)在整合系統(tǒng)中，用在整合系統(tǒng)中，用RFIDRFID標簽協助傳感器定位。標簽協助傳感器定位。10.1.210.1.2 RFIDRFID和無線傳感網絡整合的原因和無線傳感網絡整合的原因2.RFID2.RFID標簽和無線傳感網技術之間的不同標簽和無線傳感網技術之間的不同無線傳感網的主要成分是傳感節(jié)點。除傳感節(jié)點之外，網絡無線傳感網的主要成分是傳感節(jié)點。除傳感節(jié)點之外，網絡能包含中繼器、匯聚器和一些其他的節(jié)點。節(jié)點間的通信是多跳

8、能包含中繼器、匯聚器和一些其他的節(jié)點。節(jié)點間的通信是多跳的。另一方面，傳統(tǒng)的的。另一方面，傳統(tǒng)的RFIDRFID系統(tǒng)由系統(tǒng)由RFIDRFID標簽和閱讀器組成，閱讀標簽和閱讀器組成，閱讀器和標簽之間的通信是單跳的。器和標簽之間的通信是單跳的。10.1.210.1.2 RFIDRFID和無線傳感網絡整合的原因和無線傳感網絡整合的原因10.1.3 RFID10.1.3 RFID標簽與傳感器的整合標簽與傳感器的整合1.1.無源標簽與集成傳感器無源標簽與集成傳感器 2.2.半無源標簽集成傳感器半無源標簽集成傳感器 3.3.有源標簽與集成傳感器有源標簽與集成傳感器 10.1.4 RFID 10.1.4 R

9、FID標簽與無線傳感節(jié)點和標簽與無線傳感節(jié)點和 無線設備的整合無線設備的整合無線裝置無線裝置RFIDRFID與傳感器整合的標簽通信能力受限。在高端應用中，與傳感器整合的標簽通信能力受限。在高端應用中，無線傳感節(jié)點和無線電裝置的無線傳感節(jié)點和無線電裝置的RFIDRFID標簽是可能的，所以整合的標簽能標簽是可能的，所以整合的標簽能夠與許多無線電裝置通信，閱讀器也沒有限制。雖然整合傳感器的標夠與許多無線電裝置通信，閱讀器也沒有限制。雖然整合傳感器的標簽是與讀者通信的傳統(tǒng)簽是與讀者通信的傳統(tǒng)RFIDRFID標簽，但是這個級別的標簽能夠與其他無標簽，但是這個級別的標簽能夠與其他無線裝置通信，包括標簽本身

10、。因此，這個級別的標簽能夠互相通信，線裝置通信，包括標簽本身。因此，這個級別的標簽能夠互相通信，并形成一個單跳網絡。這些新的標簽可以遵循現有的并形成一個單跳網絡。這些新的標簽可以遵循現有的RFIDRFID標準，也可標準，也可以有專有的協議。以有專有的協議。在圖在圖10-510-5中說明了傳感節(jié)點的成分，整合標簽監(jiān)聽的節(jié)點中中說明了傳感節(jié)點的成分，整合標簽監(jiān)聽的節(jié)點中的的RFIDRFID收音機，如果發(fā)現通道活動，標簽會激活傳感器去監(jiān)聽這收音機，如果發(fā)現通道活動，標簽會激活傳感器去監(jiān)聽這個通道并且通過射頻收音機接收數據。另外，傳感節(jié)點能保持睡個通道并且通過射頻收音機接收數據。另外，傳感節(jié)點能保持睡

11、眠狀態(tài)。由于眠狀態(tài)。由于RFIDRFID收音機比收音機比RFRF傳感器收音機耗能量少，當它提供傳感器收音機耗能量少，當它提供點到點的延遲時，點到點的延遲時，RFIDRFID脈沖技術能量消耗是很有價值的。脈沖技術能量消耗是很有價值的。 10.1.4 RFID 10.1.4 RFID標簽與無線傳感節(jié)點和標簽與無線傳感節(jié)點和 無線設備的整合無線設備的整合 10.1.4 10.1.4讀寫器與無線傳感節(jié)點和讀寫器與無線傳感節(jié)點和 無線設備的整合無線設備的整合另外其他類型的另外其他類型的RFIDRFID和傳感器的整合包括無線傳感節(jié)點和無線服和傳感器的整合包括無線傳感節(jié)點和無線服務的整合，整合能夠增加新的功

12、能而且打開一些新的申請門檻。整合的務的整合，整合能夠增加新的功能而且打開一些新的申請門檻。整合的閱讀器能夠測知環(huán)境的情況，互相無線通信，從貼標簽的物體讀取識別閱讀器能夠測知環(huán)境的情況，互相無線通信，從貼標簽的物體讀取識別信息，有效地傳送主持人數據。基于整合傳感節(jié)點的功能，目前的解決信息，有效地傳送主持人數據。基于整合傳感節(jié)點的功能，目前的解決方法可以分為三類。方法可以分為三類。第一類中，第一類中，RFIDRFID閱讀器與閱讀器與WI-FIWI-FI標準進行無線通信的無線服務整合。標準進行無線通信的無線服務整合。一種工業(yè)解決方法是由一種工業(yè)解決方法是由Alien TechnologAlien T

13、echnolog開發(fā)的開發(fā)的ALR9770ALR9770系列系列RFIDRFID閱讀器，閱讀器，這種裝置支持所有這種裝置支持所有EPCEPC協議，對協議，對EPC GEN2EPC GEN2是高層次的。是高層次的。 在第二類中整合的傳感節(jié)點提供了傳感和通信功能，它使用了熱在第二類中整合的傳感節(jié)點提供了傳感和通信功能，它使用了熱敏傳感、高頻敏傳感、高頻RFIDRFID閱讀器識別和檢測金屬伺候器的溫度，每個伺候器閱讀器識別和檢測金屬伺候器的溫度，每個伺候器連接了一個連接了一個13.56MHz13.56MHz的標簽。每個伺候器內部都連接一個與熱敏傳感的標簽。每個伺候器內部都連接一個與熱敏傳感器相連的閱

14、讀器，這些傳感器用來檢測內部的溫度，所有的閱讀器連器相連的閱讀器，這些傳感器用來檢測內部的溫度，所有的閱讀器連在一起形成網絡。如果網絡連有在一起形成網絡。如果網絡連有PortalPortal閱讀器和五銜接的雇員的身份閱讀器和五銜接的雇員的身份卡片，這個應用可以顯示出傳感器移出了伺候器區(qū)域和被哪個雇員移卡片，這個應用可以顯示出傳感器移出了伺候器區(qū)域和被哪個雇員移走的。走的。在第三類中，在第三類中，RFIDRFID閱讀器和傳感器連接了許多裝置，例如閱讀器和傳感器連接了許多裝置，例如PDAPDA、手機、手機、RFIDRFID基站傳感網絡提供了把傳感器添加到基站傳感網絡提供了把傳感器添加到RFIDRF

15、ID無線裝置的方法。無線裝置的方法。 10.1.4 10.1.4讀寫器與無線傳感節(jié)點和讀寫器與無線傳感節(jié)點和 無線設備的整合無線設備的整合 混合混合RFIDRFID標簽和傳感節(jié)點系統(tǒng)工程包括三種級別的服務，第標簽和傳感節(jié)點系統(tǒng)工程包括三種級別的服務，第一級別的無線服務稱為沒有嚴格限制的智能站。智能站包括一個一級別的無線服務稱為沒有嚴格限制的智能站。智能站包括一個RFIDRFID閱讀器、數據微處理器和網絡接口。第二級別和第三級別的閱讀器、數據微處理器和網絡接口。第二級別和第三級別的裝置是常規(guī)標簽和傳感節(jié)點，智能站從標簽和傳感節(jié)點收集信息，裝置是常規(guī)標簽和傳感節(jié)點，智能站從標簽和傳感節(jié)點收集信息，

16、然后傳送信息到主然后傳送信息到主PCPC機或遠程控制機或遠程控制LANLAN。來自。來自RFIDRFID與與WSNWSN的信息可的信息可以進一步整合進基站，專為特殊申請。以進一步整合進基站，專為特殊申請。10.1.5 RFID10.1.5 RFID和傳感器的混合和傳感器的混合另一個在供應鏈中用來追蹤另一個在供應鏈中用來追蹤RFIDRFID和感應數據的工程被分解為和感應數據的工程被分解為四層：物理層、數據層、過濾層和申請層。落實軌道和痕跡與寒四層：物理層、數據層、過濾層和申請層。落實軌道和痕跡與寒冷鏈模式進一步呈現，落實包括掌上電腦、服務器、閱讀器和傳冷鏈模式進一步呈現，落實包括掌上電腦、服務器

17、、閱讀器和傳感器，系統(tǒng)工程結構如感器，系統(tǒng)工程結構如10-810-8圖。圖。10.1.5 RFID10.1.5 RFID和傳感器的混合和傳感器的混合10.210.2物聯網與無線傳感器網絡物聯網與無線傳感器網絡 10.2.110.2.1物聯網的基本概念物聯網的基本概念物聯網物聯網(Internet Of Things, IOT)(Internet Of Things, IOT)的概念首先由麻省理工的概念首先由麻省理工學院學院(MIT)(MIT)的自動識別實驗室在的自動識別實驗室在19991999年提出。它的定義很簡單：年提出。它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，

18、實把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。也就是說，物聯網是指各類傳感器和現有現智能化識別和管理。也就是說，物聯網是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一個新技術。的互聯網相互銜接的一個新技術。 按照按照20052005年國際電信聯盟年國際電信聯盟(ITU)(ITU)的報告的報告物聯網物聯網。世界上所有的人和物。世界上所有的人和物在任何時間、任何地點，都可以方便地實現人與人、人與物、物與物之間的信在任何時間、任何地點，都可以方便地實現人與人、人與物、物與物之間的信息交互，物聯網主要解決物品到物品息交互，物聯網主要解決物品到物品(Thing to Thing(Thing to Thing，T2T)T2T)、人到物品、人到物品(Human to Thing(Human to Thing，H2T)H2T)、人到人、人到人(Human to Human(Human to Human，H2H)H2H)之間的互連。之間的互連。H2TH2T是是指人利用通用裝置與物品之間的連接，指人利用通