摘要：通過分析現(xiàn)有RFID和WSN集成方式的優(yōu)缺點，重點針對集成體系中的傳感器能源瓶頸問題和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點任務(wù)分配需求,基于共存測控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建原則，設(shè)計了一種融合無源RFID和WSN的網(wǎng)絡(luò)測控平臺，并分別介紹平臺中現(xiàn)場測控層、中間監(jiān)控層和遠程服務(wù)層三層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、功能與實現(xiàn)方式，為研究新一代測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：測控平臺；無源RFID；WSN

中圖分類號：TP273.5   文獻標識碼：A

1.  引言

近年來物聯(lián)網(wǎng)被視為全球經(jīng)濟復(fù)蘇的技術(shù)引擎，世界上很多國家都在投入巨資建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。將RFID(Radio Frequenccy Identification)與WSN(Wireless Sensor Network)進行有機結(jié)合，不僅可以將物理世界與信息世界進行良好的融合，而且打破了傳統(tǒng)RFID系統(tǒng)設(shè)計模式，這為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴展提供了契機[1]。目前比較有代表性的RFID與WSN集成方式有三種，分別為融合RFID及WSN基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、分布式智能節(jié)點(融合RFID閱讀器和WSN節(jié)點)組成的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和智能傳感器標簽(融合RFID標簽和WSN節(jié)點)組成的微型節(jié)點網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，在任何一種WSID體系架構(gòu)中，數(shù)據(jù)處理與能量供應(yīng)都是主要考慮的問題。異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)采用WSN與RFID系統(tǒng)異構(gòu)的方式，把傳感數(shù)據(jù)和RFID數(shù)據(jù)最后匯聚到一個基站進行處理，需要完成大量復(fù)雜的工作，對基站處理要求非常高，而且兩條數(shù)據(jù)流不能有效的融合[2]；分布式智能節(jié)點網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)采用閱讀器傳感節(jié)點間通信形成自組織網(wǎng)絡(luò)，可以有效融合RFID數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)，且閱讀器傳感節(jié)點可以對數(shù)據(jù)作預(yù)處理[3]；智能RFID傳感器標簽組成的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)選用了集成了傳感器的RFID主動式標簽來構(gòu)建一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，簡化了設(shè)備數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，但不足之處在于需要采用外部電源為集成了傳感器的RFID主動式標簽供能[4]。在保證成本、網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，如何有效地實現(xiàn)一種數(shù)據(jù)處理簡化、能量供應(yīng)持久、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置寬松的RFID/WSN協(xié)作的測控網(wǎng)絡(luò)模式將是一項非常有意義的研究工作。本文基于前期研究工作的基礎(chǔ)上[5]，設(shè)計了一種基于無源RFID和WSN的網(wǎng)絡(luò)測控平臺。

2. 基于無源RFID和WSN的網(wǎng)絡(luò)測控平臺架構(gòu)

為了使所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)測控平臺能夠充分發(fā)揮以WSN作為前端測控網(wǎng)路、以集成傳感器RFID采集物品相關(guān)信息的優(yōu)勢，同時結(jié)合中間監(jiān)控層和后端服務(wù)層的需要，必須對測控網(wǎng)絡(luò)進行總體規(guī)劃。通過前期實驗研究，可以確定如下構(gòu)建基于無源RFID和WSN的網(wǎng)絡(luò)測控平臺時應(yīng)該遵循的一些原則：①采用合適的WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，減低物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的能量消耗；②構(gòu)建傳感器節(jié)點時，注意傳感器供能的不連續(xù)性問題；③采用多跳的方法構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，簡化數(shù)據(jù)流；④整合傳感器數(shù)據(jù)和RFID數(shù)據(jù)，采用固定標準格式傳輸，對后臺數(shù)據(jù)管理的高效性有很大幫助；⑤根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)吞吐率合理劃分網(wǎng)段；⑥網(wǎng)絡(luò)的骨干傳輸通道可以采用高速交換機以減少傳輸延時，滿足部分節(jié)點、網(wǎng)段間傳輸時的高吞吐率需求。

基于上述的原則，設(shè)計一種基于無源RFID和WSN的網(wǎng)絡(luò)測控平臺，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無源RFID傳感器標簽的網(wǎng)絡(luò)測控平臺

該平臺分成現(xiàn)場測控層、中間監(jiān)控層及遠程服務(wù)層三層結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場測控層負責(zé)采集底層現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；中間監(jiān)控層負責(zé)對現(xiàn)場測控層的設(shè)備進行測控策略調(diào)度以及測控數(shù)據(jù)的分析處理；遠程服務(wù)層可通過不同的網(wǎng)絡(luò)連接方式，在多種形式的遠程終端實現(xiàn)現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠程測控策略交互。考慮到工業(yè)生產(chǎn)過程對現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時性和可靠性需求，現(xiàn)場測控層采用Zigbee通信方式組建一個多跳的自組織WSN網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集成了無源RFID標簽和多傳感器，分別負責(zé)采集物品信息和環(huán)境參量等。現(xiàn)場測控層與中間監(jiān)控層通過網(wǎng)關(guān)進行連接，企業(yè)監(jiān)控層采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)服務(wù)器存放各種數(shù)據(jù)庫等資源，并通過Web服務(wù)器與外界Internet相連。

3. 基于無源RFID和WSN的網(wǎng)絡(luò)測控平臺實現(xiàn)

3.1 現(xiàn)場測控層

現(xiàn)場測控層對測控數(shù)據(jù)的傳遞起著橋梁的作用，主要包括WSID節(jié)點、匯聚節(jié)點/網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場監(jiān)控微機等，各組成單元在系統(tǒng)中承擔(dān)了不同的測控任務(wù)。

圖2  無源RFID傳感標簽

圖3  WSID節(jié)點

WSID節(jié)點是系統(tǒng)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和接收測控策略的前端設(shè)備，是現(xiàn)場測控層最關(guān)鍵的部分。其主要由兩大部分組成：第一部分為用于標簽通信的閱讀器模塊，另一部分為用于進行Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信的Zigbee節(jié)點模塊。圖3展示了WSID節(jié)點內(nèi)部的模塊關(guān)系，閱讀器模塊由微處理器、閱讀器、RFID天線、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊、電源模塊等組成，閱讀器與微處理器間采用RS232連接方式，利用按鍵控制模塊可以現(xiàn)場控制閱讀器的工作方式，同時LCD顯示模塊對經(jīng)微處理器處理后的閱讀器天線接收回來的信號進行顯示任務(wù)。閱讀器模塊可以對其功率允許范圍內(nèi)的多個無源標簽節(jié)點進行激活、供能和讀取任務(wù)；Zigbee節(jié)點模塊由微處理器、RF無線收發(fā)單元、RF天線組成，微處理器通過SPI接口與Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的RF無線收發(fā)單元相連，可以把感知數(shù)據(jù)和RFID識別信息上傳到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)遠程傳輸?shù)墓δ堋igbee節(jié)點作為自組織多跳網(wǎng)絡(luò)中WSID節(jié)點的關(guān)鍵模塊，能夠接受來自中間監(jiān)控層的調(diào)度指令進行有規(guī)劃的網(wǎng)段通信。

Zigbee網(wǎng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為測控現(xiàn)場物品識別信息和周圍環(huán)境參量，該部分數(shù)據(jù)由無源RFID傳感標簽負責(zé)采集，并由WSID節(jié)點的閱讀器模塊激活標簽通信匯總數(shù)據(jù)。圖3展示了無源RFID傳感標簽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，標簽包括多類型傳感器、無源RFID標簽芯片、微處理器、RAM、充電電路、電源管理電路等。標簽工作的電能不是由電池供應(yīng)的而是由閱讀器模塊發(fā)出的無線脈沖供應(yīng)，來自閱讀器模塊的無線脈沖激活RFID標簽的同時提供足夠的能量給充電電路進行儲能，進而通過電源管理電路分配給標簽節(jié)點中的其他電路，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無源持續(xù)供能要求，方便節(jié)點的管理。傳感器單元由一個可編程計時器控制，在電源管理電路能量允許的時間范圍內(nèi)，傳感器都會獨立地對外部環(huán)境變量進行周期性的采集，系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后會預(yù)先被儲存在多端口RAM中，在把感知數(shù)據(jù)和RFID識別信息發(fā)送回閱讀器前，微處理器會先把從儲存在多端口RAM中的數(shù)據(jù)進行處理后再通過標簽發(fā)送回閱讀器。在采用RFID無源標簽的能量傳輸技術(shù)以滿足傳感器節(jié)點的供能問題的研究中，為了滿足能量的持續(xù)供應(yīng)和穩(wěn)定，要求RFID閱讀器及標簽節(jié)點間保持相對穩(wěn)定的物理位置。

現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)中的傳感和物品信息經(jīng)過不同網(wǎng)段傳輸后，最終需要進行匯總分析。匯聚節(jié)點/網(wǎng)關(guān)負責(zé)接收來自Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的匯聚信息，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后，通過RS232發(fā)送信息給現(xiàn)場監(jiān)控微機，或者通過以太網(wǎng)把信息發(fā)送給企業(yè)級監(jiān)控層的中間設(shè)備，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備和企業(yè)級監(jiān)控層的直接通信。現(xiàn)場監(jiān)控微機上運行測控軟件，為操作人員提供一個直觀的圖形化界面，通過RS232連接匯聚節(jié)點實現(xiàn)與各現(xiàn)場測控設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。對測控設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)測和現(xiàn)場直接控制，并提供測控參數(shù)的趨勢曲線記錄，為操作人員提供數(shù)據(jù)支持，同時通過監(jiān)控系統(tǒng)向現(xiàn)場測控設(shè)備發(fā)送測控指令，協(xié)助各測控節(jié)點協(xié)同工作，保證系統(tǒng)的正常運行。

3.2 中間監(jiān)控層

中間監(jiān)控層位于現(xiàn)場測控層的上層，包括測控策略服器、系統(tǒng)服務(wù)器、工作站及Web 服務(wù)器等，負責(zé)現(xiàn)場層信息監(jiān)控、現(xiàn)場測控策略設(shè)計調(diào)度。為實現(xiàn)上述功能，采用虛擬儀器技術(shù)進行中間監(jiān)控層的邏輯設(shè)計，通過將測控模塊組態(tài)化，采用高級圖像語言實現(xiàn)測控策略的設(shè)計和更改[6]。

圖4 中間監(jiān)控層結(jié)構(gòu)

中間監(jiān)控層軟件系統(tǒng)由策略編輯模塊、實時內(nèi)核模塊、終端監(jiān)控模塊和后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成，如內(nèi)部關(guān)系如圖4所示。實時內(nèi)核模塊作為數(shù)據(jù)信息路由，負責(zé)將測控現(xiàn)場的策略數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到各WSID節(jié)點、數(shù)據(jù)庫和終端。策略編輯模塊對現(xiàn)場每個測控設(shè)備進行唯一性模塊組態(tài)，并采用高級圖形語言生成和修改監(jiān)控策略。終端監(jiān)控模塊通過實時核心模塊取得現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)和策略數(shù)據(jù)，實時進行可視化監(jiān)控。

3.3 遠程服務(wù)層

遠程測控層構(gòu)建在Internet框架上，在線提供現(xiàn)場測控參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用戶不管身處何處都可以方便地瀏覽測控現(xiàn)場的各種實時數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場的工作情況。遠程測控層框架主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和遠程客戶終端組成[7]。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用JSP（Java Server Pages）技術(shù)搭建基于Client/Server模式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，提供HTTP網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，支持基于XML的數(shù)據(jù)交換文檔，JSP服務(wù)器與后臺數(shù)據(jù)庫通過JDBC-ODBC接口進行連接。當(dāng)遠程用戶訪問服務(wù)器時，遠程客戶端既可以采用普通的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，也可以是專用的終端軟件實現(xiàn)其它個性化服務(wù)。用戶通過瀏覽器可以訪問現(xiàn)場的實時測控數(shù)據(jù)及其趨勢圖，同時根據(jù)用戶的權(quán)限，可以更新或修改現(xiàn)場測控系統(tǒng)的測控策略，以滿足遠程測控的需求。

4. 結(jié)束語

RFID技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩者的融合將會極大地推動物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，將是未來物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中重要內(nèi)容之一。本設(shè)計平臺融合了RFID與WSN的優(yōu)點，改善了RFID的傳輸距離限制問題，同時較好地解決了WSN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點供能問題。將RFID與WSN網(wǎng)絡(luò)融合成WSID技術(shù)在物流、汽車檢測、智能交通以及資產(chǎn)追蹤等等行業(yè)將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

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