RFID无线传感器网络研究背景意义与现状

物联网综述性报告题目：RFID技术应用与发展作者姓名俞旭锋指导教师吴远朱威专业班级双控3班学院信息工程学院摘要随着RFID技术的快速发展,其应用领域已经扩展到了人们工作与生活的各个领域RFID的应用已经成为科研机构，商业系统，信息产业和国家部委等非常重视的一个重要课题。本文综述了RFID技术的发展现状和应用领域,也展望了未来的趋势和挑战。特别地，我们介绍了RFID技术典型应用领域，例如RFID供应链管理RFID在医院和国防领域中的应用。基于这些，我们也总结了RFID技术在企业中的一个应用框架。关键词：RFID，电子标签，阅读器，物联网，无线传感器网络。一、引言射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术起源于第二次世界大战，使用射频电波识别敌机和友机。RFID技术利用无线射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到自动识别的目的，该技术具有防水、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息可以随意修改、可以识别高速运动中的物体，可识别多个标签，可以在恶劣环境下工作等优点。随着该技术的不断完善，在社会生产生活中的应用将越来越广泛。例如商品防伪，国防军事，物联网（InternetofThings，IOT），智能交通，电子门票，身份识别和一卡通等领域[1]。RFID是一种自动识别技术，可以通过无线信号识别特定目标，并读写有关数据。由于RFID技术具有非视距、非接触、成本低、技术成熟和定位精度高等优点，已经被广泛应用到物流和供应管理、生产制造和装配、港口码头集装箱管理、邮件快递、图书馆管理、医疗、道路收费以及门禁控制等各个方面。目前，将RFID技术应用到定位系统，并逐步提高定位系统的精度是RFID研究的一个热点。二、研究背景伴随着时代的进步，人们认识到了科技的力量。对科学的探索永无止境，在21世纪的今天，人们在科学方面的探索达到的一个前所未有的水平。而无线传感器网络被认为21世纪，最具有影响力的改变世界的10大技术之一。它是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户，然后通过相应的规则进行[1]。通过无规则的大规模的部署传感器节点至目标区域，对目标区域进行监测，无线传感器网络将会改变我们与客观世界的交互方式。其在定位、医疗、环境监测等许多方面都将给我带了巨大的方便，其研究充满的巨大的潜力。但是在无线传感器网络的具体应用中，不知道传感器位置而感知的数据是没有实际意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，才能实现对外部目标的定位和追踪。而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化无线传感器网络在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询等。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，因此必须采用一定的机制与算法实现。定位感知领域又诞生了一门可以引领时代前进的新技术——射频识别技术，即RFID（RadioFrequencyIdentification）。射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。是集计算机技术、信息采集处理技术、无线数据传输技术、网络数据通信技术和机械电子自动控制技术等多学科综合应用为一体的自动化控制系统。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。但是RFID抗干扰性较差，而且有效距离一般小于10m，这对它的应用是个限制。而无线传感器网络的定位精确度不是太高，这对无线传感器网络的应用也产生了一些影响。如果将无线传感器网络同RFID结合起来，利用RFID精确的定位性能，并且利用无线传感器网络高达100m的有效半径，形成RFID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。RFID在无线传感器网络应用就是综合了RFID和无线传感器网络的技术特点，它继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，同时实现了无线传感器网络主动感知与通信的功能。因此，RFID无线传感器网络能够更加精确的得到节点甚至整个网络的信息，对控制中心采取下一步措施起着莫大的帮助。RFID传感器网络中，传感器节点往往是随机布置在工作区域当中，大量节点位置在监测区域中是随机的、未知的。虽然两者结合能够极大的改善系统的，能够优缺点互补，但是其依然具有一些比较严重的问题，比如：工作频率选择、RFID天线研究、防冲突技术研究、安全与隐私问题。由于我们在实际运用中，如定位、监测都必须熟知节点的分布的具体位置，所以，我们要对这些节点进行良好的识别。只有明确的识别这些节点，我们的传感器网络才是有意义的。所以为了防止识别中的冲突问题，我们必须对其算法进行研究，改进，争取提出像ALOHA算法这样高效的算法，并且能够提出更为合理，更加具有实用性的算法。这样带动该项技术的发展。三、国内外研究现状目前，国内外学者都在对RFID无线传感器网络进行具体研究，但是其中还面临着许多问题，需要我们这一代的人对其进行更加深入的研究，对具体的算法和结构进行优化。让该技术能真正的改变我们的生活。当前，RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面[1]。目前国内外比较突出的项目研究有：美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(SmartDust)、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的无线传感器网络的研究项目。自2001年起，美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行RFID无线传感器网络技术的研究，并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把RFID无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了SmartSensorWeb、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量RFID无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对RFID无线传感器网络表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。我国的RFID无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进无线传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对RFID无线传感器网络技术而设立的。我国的二代身份证采用了13.56MHZ的RFDI技术作为其内核技术，在防伪方面取得了重大的突破。这些都是我们国家在RFID无线传感器网络中的具体研究。四、RFID的系统组成及工作频率4.1RFID的系统组成RFID系统主要由电子标签，天线，读写器和主机组成。电子标签（Tag），非接触式IC卡，放在需要被识别的物体上，由耦合元件和芯片组成，标签有内置天线，可以发送和接收信号；天线（Antenna）：完成无线信号的发送和接收；读写器（Reader）可以发送和接收命令，并与主机通信，执行主机命令；主机（Host）发送用户命令和显示接收数据。RFID系统根据工作频段和工作方式具有不同的性能，应用于不同场合[2]。1）标签根据标签是否有电源，分为有源和无源标签；根据标签的可读写性，分为只读和读写标签；根据调制方式，分为主动式、被动式和半主动式标签；根据标签和阅读器发言顺序，分为RTF（ReaderTalkFirst）和TTF（TagTalkFirst）；根据频段的不同，分为低频、高频、超高频和微波标签。2）天线天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按其工作的频段可分为短波、超短波、微波等天线；按方向性可分为全向、定向等天线；按外形可分为线状、面状等天线。3）读写器读写器是RFID系统的核心，其基本作用就是作为连接前向信道和后向信道的核心数据交换环节。读写器与应用系统之间通信：读写器将标签发来的调制信号，经过解调解码后，通过USB、串口、网口等，将得到的信息传给应用系统。应用系统可以给读卡器发送相应的命令，控制读写器完成相应的任务。读写器可以将其有效射频范围内可以激活符合标准的多个电子标签，可以同时识别多个标签，具有防碰撞功能。RFID系统基本工作原理是：阅读器通过天线发出含有信息的一定频率的调制信号；当电子标签进入到阅读器的工作区时，其天线通过耦合产生感应电流，从而为电子标签提供相应的能量，此时标签根据阅读器发来的信息决定是否响应，是否发送数据；当阅读器接收到电子标签发送过来的信号，经过解调和解码之后，将标签内部的数据识别出来。4.2RFID的工作频率射频卷标的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。从功能方面来看，RFID标签主要分为3种：只读卷标、可重写卷标、带微处理器卷标。只读型卷标的结构功能最简单，包含的信息较少并且不能被更改；可重写型卷标集成了容量为几十字节到几万字节的闪存，卷标内的信息能被更改或重写；带微处理器卷标依靠内置式只读存储器中存储的操作系统和程序来工作，出于安全的需要，许多标签都同时具备加密电路。工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段之中。典型工作频率：125、133kHz，13.56、27.12、433、902~928MHz，2.45、5.8GHz等。1）低频段射频标签其工作频率范围为30~300kHz。典型工作频率有125，133kHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1m。2）中高频段射频标签中高频段射频标签的工作频率一般为3~30MHz。典型工作频率为13.56MHz