（控制理论与控制工程专业论文）基于簇的rfid传感器网络路由协议研究.pdf

摘耍 摘要 r f i d 传感器网络在军事国防、环境监测、抢险救灾和危险区域的远程控制 等诸多领域具有广泛的应用前景。r f i d 传感器网络是一种特殊的a dh o e 网络，是 一个多跳的、动态的自组织网络，网络中传感器节点的能量资源、计算能力和带 宽都非常有限，而且节点十分密集，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无 线传感器网络的首要问题。路由协议是网络节点相互通信的基础，无线传感器网 络路由协议负责寻找一条传输路径，将数据分组从数据源节点通过网络多跳转 发至目标节点。设计合理的路由协议对降低及平衡网络中节点的能耗，延长网络 的存活时间有着重要意义。 基于簇的路由协议是目前研究人员比较关注的一类r f i d 无线传感器网络路 由协议。簇的建立和簇首的特定任务分配对于整个系统的可扩展性、网络寿命和 能量有效性的提高具有很重要的意义。本论文首先分别论述r f i d 和无线传感器 网络的特点和应用领域，然后以r f i d 传感器网络为研究对象，对r f i d 传感器网 络组成及其体系结构进行了研究。然后探讨了一些典型的基于簇的无线传感器网 络路由协议，重点研究了能量有效的基于非均匀分簇( e e u c ) 的无线传感器网络 路由协议，并在此基础上提出了一种高数据融合的非均匀分簇( h d f e e u c ) 无线 传感器网络路由协议。该协议的核心是在传输数据的稳定阶段，我们在路由路径 的选择上对e e u c 协议进行改进，在与s i n k 距离小于阈值t d m a x 的簇首中通过 一种有效的策略选择出一个主簇首，所有簇首的数据都聚合到主簇首，经过融合 与压缩后发送到s i n k 。 仿真结果表明，与l e a c h 以及e e u c 路由协议相比，h d f e e u c 路由协议有效 地平衡了无线传感器网络的节点能耗，延长了网络的存活时间。 关键词：r f i d ；无线传感器网络；路由协议；非均匀分簇；高数据融合 广东工业大学工学硕二e 学位论文 a b s t r a c t r f i ds e n s o rn e t w o r k sh a v eg r e a tp r o s p e c ti nt h ea p p l i c a t i o n so f m i l i t a r ya f f a i r s ， c i r c u m s t a n c eo b s e r v a t i o n , d i s a s t e rr e l i e fo p e r a t i o n , d a n g e r o u sa r e ad o m i n a t i o n , e t c r f i ds e n s o rn e t w o r k sa r e s p e c i a la dh o cn e t w o r k s ，a r em u l t i - h o p ，d y n a m i c s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k s ，t h es e n s o rn o d e s e n e r g yr e s o u r c e s ，t h ec o m p u t i n gp o w e r a n dt h eb a n dw i d t hi sl i m i t e di nt h e s en e t w o r k s ，a n dt h en o d e sa r ev e r yc r o w d e d ，s o d e s i g n i n ge f f e c t i v es t r a t e g yt op r o l o n gt h el i f e t i m eo ft h en e t w o r k sb e c o m e st h em o s t i m p o r t a n tq u e s t i o ni nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h er o u t ep r o t o c o li st h e f o u n d a t i o no fc o m m u n i c a t i o na m o n gt h en o d e s ，t h er o u t i n gp r o t o c o li nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kr e s p o n s i b l ef o rs e e k i n gf o rat r a n s m i s s i o nr o u t e ，o nw h i c hs e n d st h e d a t ap a c k e t sf r o mt h es o u r c en o d et ot h eg o a ln o d et h r o u g hn e t w o r km u l t i - h o p s d e s i g n i n gp r o p e rr o u t i n gp r o t o c o lh a si m p o r t a n tm e a n i n gi nr e d u c i n ga n db a l a n c i n g t h en o d e s e n e r g yc o n s u m p t i o ni nn e t w o r ka n dt h ep r o l o n g i n gt h el i f e t i m eo fn e t w o r k c l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c o li sak i n do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l t h a tt h er e s e a r c h e r sp a ym u c ha t t e n t i o nt o t h ee s t a b l i s h m e n to fc l u s t e r - h e ma n dt h e a s s i g m n e n to fs p e c i a lt a s kt oc l u s t e r - h e a da r ev e r yi m p o r t a n ti ni m p r o v i n gt h e s c a l a b i l i t y , n e t w o r e kl i f e t i m ea n de n e r g ye f f i c i e n c yo ft h ew h o l es y s t e m t h i sp a p e rf i r s t s e p a r a t e l ye l a b o r a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea p p l i c a t i o na r e ao fr f i ds e n s o rn e t w o r k , t h e n r a k e dt h er f ds e n s o rn e t w o r ka st h eo b j e c to fs t u d y , r e s e a r c h e dt h ec o m p o n e n t sa n d a r c h t e c t u r eo fr f i ds e n s o rn e t w o r k s e x p l o r e ds o m et y p i c a l c l u s t e r i n gr o u t i n g p r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，p r i m a r i l yr e s e a r c h e dt h e t h ee n e r g y e f f i c i e n t u n e q u a lc l u s t e r i n g ( e e u c ) r o u t i n gp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n db a s e d t h a tp r e s e n t e dah i g h l yd a t af u s i o nu n e q u a lc l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c o l ( h d f - e e u c ) f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h ek e yo ft h i sp r o t o c o li st h a ti nt h es t a b l es t a g eo fd a t a t r a n s m i s s i o n , w ei m p r o v et h er o u t ew a yo fe e u cp r o t o c o l ，w ec h o o s eam a i n c l u s t e r - h e mb yae f f e c t i v em e t h o di nt h ea r e at h a tt h ed i s t a n c ef r o mt h es i n ki s s m a l l e rt h a nt h et h r e s h o l dv a l u et d _ m a x ，a n d g e ta l ld a t ao fc l u s t e r - h e a dt o g e t h e rt o t h em a i nc l u s t e r - h e a d ，a n dt h e nf u s ea n dc o m p r e s st h ed a t aa n ds e n dt h e mt os i n k a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e i n gw i t hl e a c h a n de e u cr o u t ep r o t o c o l ， h d f e e u cr o u t i n gp r o t o c o le f f i c i e n t l yb a l a n c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f n o d e si n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n dp r o l o n g st h en e t w o r kl i f e t i m e k e yw o r d s ：r f i d ；w t r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；r o u t i n gp r o t o c o l ；u n q u e lc l u s t e r i n g ；h i g h l yd a t e f u s i o n i i i 广东工业大学t 学硕一卜学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 一年6 月争日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景和意义 无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 是随着无线通讯技术、传 感器技术、移动计算技术和嵌入式信息处理技术的发展而新兴的研究课题。无线 传感器网络是一种特殊的a d h o c 网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人 员不能到达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域) 和一些临时场合 ( 如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等n 1 。它不需要固定网络支持，具 有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域， 引起了人们广泛关注。人们可以通过无线传感器网络直接感知客观世界，丰富了 人们之间的沟通方式。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官被称为全球未来 的三大高科技产业。 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种利用射频信号自 动识别目标对象并获取相关信息的技术。近年来，射频识别系统作为一种廉价而 可靠的自动识别技术，已经被广泛地应用于供应链管理、门禁、公交系统、行李 跟踪等各大行业心4 1 。最简单的r f i d 系统由标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和天线 ( a n t e n n a ) 三部分组成。在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持隋。 射频识别技术利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象 并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可识别 高速运动的物体，且可同时识别多个标签等许多优点。但由于r f i d 抗干扰性较 差，而且有效距离一般小于l o m ，这对它的应用是个限制。如果将w s n 同r f i d 结合起来，利用前者高达l o o m 的有效半径，形成r f i d 传感器网络，在国防安全、 工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、 危险区域远程控制等许多领域都会有重要的科研价值和实用价值，因此具有十分 广东工业大学工学硕士学位论文 广阔的应用前景。 由于r f i d 传感器网络中r f i d 作用主要是运用于节点中采集数据，所以关于 r f i d 传感器网络路由协议的研究基本同于无线传感器网络路由协议的研究。r f i d 传感器网络是一种特殊的a dh o c 网络m 3 ，w s n 可以采用各种无线传输协议进行传 输，典型的有8 0 2 1 1 1 ，8 0 2 1 1 5 ，8 0 2 11 6 和8 0 2 1 2 0 等协议，可以根据r f i d 传感器 网络的具体应用场合选用不同的传输协议。w s n 是一个多跳的、动态的自组织网 络，路由协议是网络层的主要功能。网络中的节点位置为随机分布，节点间通过 多跳的数据转发机制进行数据的交换；网络中节点的加入和退出也会引起网络拓 扑结构的动态变化。这就需要路由协议进行动态的分组转发策略，将传感器节点 的数据分组信息传送到网关( s i n k ) 。路由协议是网络节点相互通信的基础，r f i d 传感器网络中的节点性能受限，有可能使网络拓扑发生动态变化，因此r f i d 传感 器网络的路由协议成为一个重要研究方向 1 。 在r f i d 传感器网络体系结构中，网络层的路由技术对r f i d 传感器网络的性 能好坏有着重要影响。随着国内外传感器网络的研究发展，许多路由协议被提了 出来，从网络拓扑结构的角度我们可以大体把它们分为三类：平面性路由协议、 基于簇的路由协议和基于地理位置信息的路由协议。 基于簇的路由协议可以减少节点间的数据通信量，降低网络能耗，延长传感 器网络的使用寿命，同时基于簇的拓扑结构便于管理，更易克服传感器节点移动 带来的问题。因此对基于簇的路由协议进行研究及改进对r f i d 传感器网络性能 的提升具有巨大影响。 1 1 2 项目来源 本学位论文的研究工作主要得到如下项目的资助： 国家自然科学基金“r f i d 传感器网络关键问题的研究”( 6 0 6 7 3 1 3 2 ) ； 广东省自然科学基金“r f i d 传感器网络及其应用技术研究”( 0 7 1 1 7 4 2 1 ) 。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外学者提出了一些r f i d 传感器网络的构想，有的把它们应用到 2 第一章绪论 一些实验环境中，但是这些技术还不够成熟，有些仅仅是在无线传感器网络中运 用到了r f i d ，并不是真正的r f i d 传感器网络。 对r f i d 传感器网络路由协议的研究，根据本文第二章对r f i d 传感器网络体 系结构的分析，本人认为无线传感器网络中的路由协议适用于r f i d 传感器网络。 总的来说，r f i d 传感器网络路由协议的研究主要是从网络结构和协议工作 特性两方面划分怕1 。基于网络结构划分，可分为平面型路由协议、基于簇的路由 协议和基于地理位置信息的路由协议。 具有代表性的平面型路由协议主要包括洪泛( f l o o d i n g ) 阳1 路由协议、信息协 商传感器协议s p i n n “1 1 1 、定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) n2 1 3 3 路由协议、谣传 ( r u m o r ) n 钔路由协议、闲聊( g o s s i p i n g ) n 朝路由协议和前向主动查询a c q u i r e n 6 1 路 由协议。典型的基于地理位置信息的路由协议有l a r n 7 1 ( l o c a t i o n - a i d e dr o u t i n g ) 路由协议、g a f n 8 1 ( g e o g r a p h i c a la d a p t i v ef i d e l i t y ) 路由协议、g p s r n 卵( g r e e d y p e r i m e t e r s t a t e l e s sr o u t i n g ) 路由协议、能量位置意识路由g e a r 1 ( g e o g r a p h ica n de n e r g ya w a r er o u ti n g ) 等。 基于簇的路由协议主要有： w e n d ir a b i n e rh e i n z e l m a n 等人在2 0 0 0 年提出的低能量自适应聚类分层 l e a c h 幢1 1 ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 路由协议是第一个在无 线传感器网络中提出的基于簇的路由协议。其后的大部分基于簇的路由协议都是 在它的基础上发展而来的。l e a c h 节约能量的主要原因就是它运用了数据压缩技 术和分簇动态路由技术，通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性， 通过数据融合来减少发送的数据量，通过把节点随机的设置成“簇头节点”来达 到在网络内部负载均衡的目的，防止群头节点的过快死亡。 能量有效性数据收集协议p e g a s i s 心2 1 ( p o w e r - e f f i c i e n tg a t h e r i n gi n s e n s o ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。该协议采用链式传输数据的方式，每个传感器节 点从邻居节点传送和接收数据，在该该条数据链中仅有一个节点与s i n k 节点进 行通信。节点收集的数据沿着数据链路逐条传输。在传输过程中，接收该数据的 节点将数据进行融合后，发送个该链路的下一个节点，直到数据最后传送的s i n k 节点。 a m a n j e s h w a r 等人提出了敏感阈值能量有效t e e n 口3 3 ( t h r e s h o l ds e n s i t i v e e n e r g ye f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 路由协议。t e e n 是一种应用于实 3 广东二r 业大学工学硕十学位论文 时系统的协议。在t e e n 协议中，传感器节点持续地感知数据，但数据是间歇性 的传送。在这个协议中定义了两个概念。a ，硬门限，定义了一个门限值，当节 点传感器收集到的数据高于这个门限值的话，节点必须打开发射机向簇头节点报 告数据。b ，软门限，定义了另一个门限值，当节点感应到的数据的变化值大于 这个门限值的时候，节点才打开发射机向簇头节点报告数据。在簇建立后，簇头 节点广播这两个值。在簇传输数据过程中，如果想调节接收到的数据量，可以动 态地更改这两个值，将其发送给非簇头节点。 周期性自适应敏感闭值能量有效路由a p t e e n 他钔( a d a p t i v ep e r i o d i c t h r e s h o l d s e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 协议。 a p t e n e 协议是对t e e n 协议的扩展，该协议的目的是为了能够感知间隔性的数据。 在簇头形成以后，广播两种实时值，并传送调度信息到非簇头节点。该协议支持 三种不同的类型的查询方式：历史信息查询，分析己接收到的数据：一次查询，对 整个网络进行一次快速的状态查询：阶段查询，对某一事件进行一段时间的探测。 a p t e e n 协议是主动式与被动式网络的结合，其性能介于l e a c h 和t e e n 协议之间。 t e e n 和a p t e e n 协议共同的缺点是簇的形成过程需要消耗一定的能量，并且随着 簇层次的增加，这种消耗会更加明显。 h e e d 他朝( h y b r i de n e r g y e f f i c i e n td i s t r i b u t e dc l u s t e r i n g ) 协议主要依据 主、次两个参数，通过将能耗平均分布到整个网络来延长网络生命周期。其中簇 头选择的主参数依赖于剩余能量，用于随即选取初始簇头集合，具有较多剩余能 量的节点将有较大的概率暂时成为簇头，而最终该节点是否一定是簇头取决于剩 余能量是否比周围节点多得多。即迭代过程是否比周围节点收敛得快；次参数依 赖于簇内通信代价，用于确定落在多个簇范围内的节点最终属于哪个簇，以及平 衡簇头之间的负载。h e e d 以a m r p ( 簇内平均可达能量) 作为衡量簇内通信代价的 标准。该簇头选择算法有以下特点：完全分布式的簇头产生方式；簇头选择在有 限次迭代内完成；最小化控制报文开销；簇头分布均衡。它的主要改进是在簇头 选择中考虑了节点的剩余能量，并以主从关系引入多个约束条件。实验结果表明， h e e d 分簇速度更快，能产生更加分布均匀的簇头、更合理的网络拓扑。 hl u 0 等人提出的t t d d 1 ( t w o t i e rd a t ad i s s e m i n a t i o n ) 路由协议也是一 种基于簇的路由协议，该协议提出了一个新的应用背景，即传感器节点不动，s i n k 节点移动，而且有多个。t t d d 算法针对这个场景，从能耗和功能上给出了比较 4 第一章绪论 好的解决方法。当多个传感器节点探测到时间发生时，选择一个节点作为发送数 据的源节点，源节点以自身作为格状网( g r i d ) 的一个交叉点构造出一个格状网。 源节点先计算出四个相邻交叉点位置，利用贪婪算法请求最接近交叉点位置的节 点作为转发节点，转发节点继续这个过程直至请求任务超时或到达网络边缘。 s i n k 节点在本地通过泛洪方式查询附近的转发节点，转发节点中如果有相关的 数据记录，该转发节点就将查询请求通过周围的转发节点传送到源节点。源节点 收到查询请求后，通过查询请求消息建立的传输路径传送请求数据到s i n k 节点。 多层聚类算法乜7 1 是e s t r i n 为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。工 作在网络中的传感器节点处于不同的层，所处层次越高，所覆盖面积越大。起初， 所有节点均在最低层，通过竞争获得提升高层的机会。多层聚类算法具有递归性， e s t r i n 等人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性。 在基于簇的路由机制中当簇首以多跳通信的方式将数据传输至数据汇聚点 时，靠近汇聚点的簇首由于转发大量数据而负载过重，可能过早耗尽能量而失效， 这将导致网络分割。南京大学的李成法及美国福罗里达大西洋大学的吴杰等人提 出了一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议。该路由协议是一种新颖 的基于非均匀分簇的无线传感器网络多跳路由协议，它的核心是一个用于组织网 络拓扑的能量高效的非均匀分簇算法，其中候选簇首通过使用非均匀的竞争范围 来构造大小不等的簇。靠近汇聚点的簇的规模小于远离汇聚点的簇，因此靠近汇 聚点的簇首可以为簇间的数据转发预留能量。 以上为几种典型的基于簇的路由协议，基于簇的路由协议常用于提高r f i d 传感器网络的能量利用率。分簇结构中，能量较高的节点可用于处理和传递信息， 能量较低的节点则只能用于对目标进行近似测量3 。基于簇的路由协议的基本思 想是将传感节点分簇，簇内通信由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和融 合减少传输信息量，最后簇头节点把处理后的数据传送给汇聚节点。这种方式能 满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生 命周期。 但总的来说，目前r f i d 传感器网络路由协议仍然存在着一些问题，比如数 据传输成功率有待进一步提高，系统的能耗仍有待降低，网络的存活时间仍有延 长的空间。基于提升这些系统性能的目的，本论文提出了一种高数据融合的非均 匀分簇( h d f - e e u c ) 路由协议，对r f i d 传感器网络的路由机制进行改进，达到 广东工业大学 t 学硕十学位论文 提升系统性能的目的。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文首先对r f i d 传感器网络的体系结构进行分析，然后探讨一些典型的 基于簇的r f i d 传感器网络路由协议，重点研究能量有效的基于非均匀分簇 ( e e u c ) 的r f i d 传感器网络路由协议，并在此基础上提出了一种高数据融合的 非均匀分簇( h d f - e e u c ) r f i d 传感器网络路由协议。 论文的研究内容如下： 第一章主要介绍了本课题相关工作的研究背景、意义及现状。 第二章概述了r f i d 无线传感器网络的特点；对r f i d 传感器网络的体系结 构进行了分析。 第三章首先探讨一些典型的基于簇的r f i d 传感器网络路由协议，然后对 能量有效的基于非均匀分簇( e e u c ) 的r f i d 传感器网络路由协议进行详述。 第四章通过对能量有效的基于非均匀分簇( e e u c ) 的r f i d 传感器网络路 由协议进行分析，提出一种高数据融合的非均匀分簇( h d f e e u c ) r f i d 传感器 网络路由协议。 第五章对l e a c h 、e e u c 及h d f - e e u c 在n s 一2 仿真平台下进行仿真实验，并 分析比较其仿真实验结果，说明h d f - e e u c 路由协议的优越性。 6 第二章r f i d 传感器网络 第二章r f id 传感器网络 中国微计算机学会理事长、复旦大学计算机科学系教授陈章龙在上海举行的 “瑞萨论坛2 0 0 5 ”上建议中国本土企业应该加大对r f i d 和无线传感器网络( w s n ) 技术的关注力度，并特别指出：“w s n 与r f i d 结合起来组成的w s i d 网络，其应 用前景不可估量。” 2 1r fid 与无线传感器网络的融合 2 1 1r fid r y i d 是一种利用感应、无线电波或微波能量进行非接触式双向通信、识别 和交换数据的自动识别技术。r j ：i d 技术最早起源于1 9 4 8 年，被美军用于战争中 的敌我识别。目前，这一技术正越来越被人们所认识和接受，是一种有生命力的 多应用平台，可应用在一些条形码难以适用的制造业以及一些敌对环境中。 一个p , f i d 系统包括五个部分协：( 1 ) 安置在被识别对象上的标签；( 2 ) 有 读取或是读写功能的阅读器；( 3 ) 发送射频信号来激活或读写标签的天线；( 4 ) 一个即发送读写命令给所有阅读器，也读取标签回馈信息的本地控制器；( 5 ) 一 个在一些系统中新增加的元件，称为路标。路标只激活那些频率在1 2 3 k h z 附近 的标签，可精确地识别一些特定位置的标签。 r f i d 标签是种存储固定格式的数据的小型标签，由天线和微小的无线通 信集成电路组成。附上一些限制条件，r f i d 标签就成了阅读器识别的对象。典 型的r j ：i d 标签的基本结构如图2 1 所示 广东工业大学工学硕士学位论文 杯登心片 一 时钟恢复 产生电路 控 存 制仁、 解调i 复电路i 芒l 产生电路 笪 叫 储 调制电路l l 电路广 _ 器 ll 兀 参考源 时钟恢复1 j 产生电路 产生电路i 7 l l i 一一 图2 1r f i d 标签结构图 f i g 2 - 1c o n f i g u r a t i o no far f i dt a g r f i d 阅读器由发送和接收元件组成，功能是发送载波信号、接收来自标签 的回馈信号以及处理数据。所有通信的具体过程包括通信建立、防碰撞和认证都 由阅读器自身完成。阅读器还和一个外部主机通信。典型的r f i d 阅读器的基本 结构如图2 2 所示。 图2 2r f i d 阅读器结构图 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o no far f i dr e a d e r r f i d 系统严格按照“主从”原则工作。阅读器和标签的所有动作都由应用软 件程序控制。系统程序发送读写指令给阅读器，阅读器只能服从地响应应用程序 的指令。阅读器会通过和相应的标签建立通信来执行来自应用程序的指令。阅读 器和标签又是主从关系，标签只能响应来自阅读器的指令，从不执行其他任何指 令。图2 - 3 所示为r f i d 的工作原理示意图。 第二章r f i d 传感器网络 主 从 l 应用系统 箭 贡声令 阅读器标签 陆r k 嚣m 向虑 图2 - 3r f i d 工作原理示意图 2 1 2 无线传感器网络 所谓无线传感器网络，可以定义为部署在待监控区域附近的大量传感器节点 所组成的无线网络，该网络能够协作地实时监测、感知、采集和处理节点分布区 域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的数据传送到网络中的特定位置 口2 3 ( 如图2 - 4 所示) 。 网关( s i n k )7 oo 、 ，一， 检测区域 传感器节点 图2 - 4 无线传感器网络体系结构 f i g 2 - 4a r c h i t e c t u r eo fw s n 事件 无线传感器网络由大量低功率的传感器节点组成，节点的处理能力、存储能 力和通信能力都非常有限，通过携带能量有限的电池供电。无线传感器节点的典 型硬件平台应该是由传感器、微处理器、无线射频收发器以及电源组成，如图 2 - 5 所示。每个节点都装备一个物理传感器，来采集光线、温度、声音、压力或 其他的自然现象。微处理器管理那些使传感器节点和其他节点相互协作的程序。 在选择微处理器时，能耗、芯片大小、计算能力以及存储能力都是要重点考虑的 9 广东工业大学工学硕十学位论文 方面。收发器单元的作用是使节点和网络实现通信。由于收发器的能耗占了系统 能耗的绝大多数，所以对一个低能量的系统来说，选择一个低能耗的收发器是非 常重要的。收发器现在普遍包含i n f i n e o n 抬3 1 或c h i p c o n 1 公司的装置或是来自其 他厂商的类似的无线调制解调器。传感器节点中最后一个重要的元件是电源。由 于电池不可更换，能量管理在无线传感器网络当中就显得特别重要。 图2 5 传感器节点结构图 f i g 2 - 5c o n f i g u r a t i o no fas e n s o rn o d e 为了收集数据，传感器节点通常将其数据发送到指定的汇聚节点( s i n k ) 。汇 聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与 i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议栈直接的通信协议转换，同时发布管理节 点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有 增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是 没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 2 1 。3r f i d 与无线传感器网络融合的意义 毋庸置疑，计算机技术的下一场革命将是小型无线计算和通信设备广泛地无 缝地融入我们的日常生活1 。因此我们可以想象在不久的将来很多设备将会以数 量级倍数增加，如电子标签、传感器等等。他们可以通过感知和处理信息来收集 周围环境的信息。 在众多技术当中，r f i d 和无线传感器网络是普适计算的两个重要组成部分， 因为两者都可以在普适计算环境中用于连接物理世界和虚拟世界。 当标签大范围使用时将会形成一个机器可读的环境，因此r f i d 可以用来连 接现实和虚拟世界。r f i d 系统已在大量环境中得到应用，比如资产跟踪、远程 自动监控以及实时供应链管理等。同时，无线传感器网络也是迈向普适计算的关 l o 第二章r f i d 传感器网络 键一步，其已证明其并不是仅仅可以应用于军事应用当中。如果把r f i d 看成一 种特殊的传感器，那它当然可以融入无线传感器网络当中。 r f i d 技术与无线传感器网络技术的融合，在一定程度上能够促进科学技术 的发展。无线传感器网络一般不关心某一节点的位置，因此对节点一般都不采用 全局标识，而r f i d 技术对节点的标示有着得天独厚的优势，将两者结合共同组 成网络可以相互弥补对方的缺陷，既可以将网络考虑到某个具体节点的信息，也 可以利用r f i d 的标识功能轻松的找到节点的位置。 另外，r f i d 利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象 并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可识别 高速运动的物体，且可同时识别多个标签等许多优点。但由于r f i d 抗干扰性较 差，而且有效距离一般小于l o m ，这对它的应用是个限制。如果将无线传感器网 络同r f i d 结合起来，利用前者高达l o o m 的有效半径，形成r f i d 传感器网络， 在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、 防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都会有重要的科研价值和实用价值，因 此具有十分广阔的应用前景。 2 2r fid 传感器网络体系结构 目前，r f i d 和无线传感器网络是以一个类似平行的方式发展的，比较少有 在两者融合策略方面的详细的研究。 通过努力调和在工业和理论研究之间的矛盾，本文提出新的网络体系结构， 使得r f i d 和无线传感器网络的融合能够达到一个最优的效果。通过对r f i d 和无 线传感器网络的深入分析，本文给出了三种形式的体系结构。第一种是无线传感 器节点和r f i d 标签结合形成一个异构网络，标签和传感器节点各自独立工作。 一个结合了r f i d 阅读器和无线传感器网络基站的多功能的智能基站用来协调标 签和传感器节点的工作。智能基站是整个系统的关键因素，其底层架构比较复杂 和昂贵。在底层构架和数据采集装置的复杂性之间需要个权衡，若把复杂度转 移到数据采集装置上面，基站的底层构造就可以简单一些。第二种是我们提出一 种分布式的简化的多功能传感器阅读器，在网络中这种阅读器能够实现自组织和 相互协作。这种融合方式可以增加网络中阅读器的数量，减少单个阅读器的复杂 广东t 业大学工学硕：l 学位论文 度。第三种是我们提出了一个智能主动式标签网络体系。消息在标签间传输直到 到达最终目标，而不是直接发送到阅读器。监测到的信息利用无线传感器网络的 网络协议来传输。选择哪种融合方式要根据成本和具体应用而定。 2 2 1r f l d 阅读器与无线传感器网络基站的结合 融入网络当中是r f i d 的发展趋势之一。r f i d 网络如实时定位系统( r t l s ) 等己经非常成熟了，这表明我们可以把传感器节点融入到r f i d 中来更好地获取 我们想要的环境信息。 在监测区域中混合部署标签和传感器节点。智能基站收集来自标签和传感器 节点的信息然后发送到上位机或是远程l a n ，基站会融合r f i d 和无线传感器网 络的信息。例如，无线传感器网络的数据在一些特定事件发生时可以触发r f i d 阅读器。 这一新系统将由三级设备组成。第一级是一个没有能量限制的无线装置，称 为智能基站。该装置包含一个r f i d 阅读器、一个用来处理数据的3 2 位的微处理 器和一个网络接口。它几乎可以和有线设备视为一体，但它采用无线连接的方式 和核心网相连，以获取更高的可扩展性。第二和第三级是普通的标签和传感器网 络。该异构网络的体系结构如图2 6 所示。 标签 传感器节点 图2 6 异构网络体系结构 1 2 甲 第二章r f i d 传感器网络 f i g 2 6a r c h it e c t u r eo fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k 在这里智能基站不存在能量有限问题，因此采用传统的i n t e r n e t 协议。这 就意味着在每个智能基站都将执行一个多层的网络协议栈，其不仅可以处理数 据，还可以路由数据，甚至是最后的可靠传输协议如t c p 。 8 0 2 1 i b w i f i 技术对于这种异构网络是一个很好的平台。在物理层，8 0 2 1 1 b w i f i 采用无执照的2 4 g h z 宽带和d s s s 技术，使得数据传输的最大速率可达1 1 m b p s 。在m a c 子层，8 0 2 1 1 b w i f i 采用载波监听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 协议，可以显著提升网络效率。 2 2 2 分布式智能节点 目前，在r f i d 系统中还没有网络协议栈嵌入到阅读器当中，所以阅读器只 能被动地工作，其所有动作都由本地控制系统控制。同时，体积庞大也限制了它 的移动。此外，r f i d 阅读器的天线的位置必须经过精确计算以覆盖到所有标签， 同时又要避免和其他天线或阅读器发生冲突。这些缺陷限制了r f i d 的应用。如 果阅读器的功能被减弱，其体积就会大大减小，成本也会降低，而且易于部署。 我们提出一种包含了功能减弱的阅读器的新的智能节点。 该智能节点包括三部分：利用各种传感器来监测物理环境的感知部分，比普 通r f i d 阅读器读取的标签数要少的读取部分，以及传输采集到的数据的无线收 发器。图2 - 7 给出了该智能节点的示意图。 图2 7 智能节点平台示意图 智能节点读取较少数的标签，可以像自组织的无线传感器网络那样密集地部 广东t 业大学工学硕_ 学位论文 署。智能节点全自动地工作，把数据信息采用多跳的方式发送到s i n k 节点。由 于在同一区域内的标签的信息比较类似，所以这些信息可以在每个智能节点中通 过简单有效的数据压缩方法进行压缩。因此，我们需要适当的通信协议。目前， 根据我们所提出的网络体系结构的特点，z i g b e e 协议是一种比较好的选择，因 为z i g b e e 协议在降低物理层和m a c 层的能耗方面很有优势。图2 8 所示为智能 节点网络的体系结构。 卧。7 五 ， 直：二 6 石 气 标签 图2 - 8 智能节点网络体系结构 2 2 3 智能传感标签 很多主动式或半主动式标签都在其设计中融入了传感器，相关研究可参考 汹3 。主动式标签很像无线传感器网络的节点7 1 ，但是主动式标签不能完全实现无 线传感器网络节点的功能，因为它们以集中式的方式通信，不能通过形成a d - h o c 网络来实现相互间的协作。如果给主动式标签配置一个微处理器，它们就可以自 己决定何时该采集哪些数据。因此，等将来无线传感器节点的成本足够低廉的时 候，用它来代替主动式标签是完全有可能的。我们将这种可能用于r f i d 应用体 系中的传感器节点称为智能传感标签。 智能传感标签可以通过挨个传递数据的方式，最终将数据发送到目的节点， 网络只需要一个阅读器。这有效地减少了阅读器和有线网络设备的数量。这种网 络的体系结构如图2 - 9 所示。 1 4 甲 第二章r f i d 传感器网络 智能弋标签之 r p 叼旷可 o ：分叼 图2 - 8 智能传感标签网络体系结构 f i g 2 8a r c h i t e c t u r eo fs m a r ts e n s o rt a g sn e t w o r k 由于智能传感标签的成本非常低，网络中的数据流量也比较小，所以 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议很适合这种智能传感标签网络。z i g b e e 协议可以使得 功能单调、通信范围小的r f i d 标签具有上面所述的特性。把智能标签融入系统 会引起很多端到端的安全保证方面的问题，而i e e e 8 0 2 1 5 4 协议提供了相应的 密钥加密技术和认证来保证端到端系统的安全。 2 3 本章小结 根据对r f i d 和无线传感器网络特点的研究，分析了r f i d 和无线传感器网络 相融合的趋势和前景，给出了三种形式的r f i d 传感器网络的体系结构：异构网 络、智能节点网络和