WSN与RFID在智能家居网络的集成应用

摘要：最近，对无线传感器网络（无线传感器网络）和射频识别技术（RFID）集成的争论已经获得越来越多的注意。尽管它们似乎是完全不同的技术。一方面，RFID社区认识到为RFID结构中增加传感器数据，可以为RFID为基础的服务提供附加值。另一方面，利用独特的标识，无线传感器网络将提高它们的可管性，尤其在未来，数以百万计的传感器节点可以遍布全球。本文提出一个框架，希望在智能家居网络中，使无线传感器网络和RFID共存。无线传感器网络资料加上独特的识别并参与在RFID核心服务中。此外，智能家居服务融入RFID基础架构，并给参与其中的用户提供实时服务。

关键词：无线传感器网络；RFID；智能家居网络

中图分类号：TP212.9

无线传感器网络的演变和RFID研究遵循不同的路径，并在传统上被认为是不同的技术。无线传感器网络采用小、能耗低的设备，设备间可开展合作，通过简单的集成传感器收集环境信息。由于传感器节点的资源有限，大多数的无线传感器网络的研究致力于：发展高效率的各种协议来收集数据，并将其转发给一些地方的基站，而忽视考虑对基础网络设施的研究或标准化。但是，RFID和EPC网络[1]主要研究全球供应链中的资产跟踪问题。近年，随着物联网技术的出现，更多的学者考虑在物联网统一框架下的协同机制[4]，和某一单一协同方式下的工作过程[5]。

本文分析了在所谓“智能家居网络”中整合RFID和无线传感器网络面临的挑战。本文设计了一个框架，考虑了用户根据自己所处的情况接受服务、RFID标签，存储器设计，无线传感器网络协议和分布式中间件和服务的所有过程。

1系统框架

本框架采用了分层架构来区分服务提供者（智能家居空间的背景信息），服务接收者（人）和边界。最终分为三个层次：

背景层：RFID /WSN的家电对象及它们所属的用户。这些对象，本文称之为实体，是背景的来源，并能形成有用信息的分组。可形成群体的有意义的资料。实体实例：人，衣服，识别标签，家用电器，电源插板，餐具等。

服务器层：指定了一系列与传感器和驱动器有关的要求，用户端必须满足才能接受服务。此外，服务供应商拥有逻辑和处理能力来执行它们提供的服务，以及一套标准的方法来说明用户如何获得他们的服务。

服务网络边界层：它提供了方法来匹配的背景层的实体和服务层的服务需求。因为实体是移动的，他们的联系是自发的和暂时的，从而形成了一个动态的背景。此外，这些实体可以随时随地，表明需要一个分布式的框架，要求连接背景层和服务层同时分别跟踪他们的背景和要求。服务网络边界层拥有接收，储存和匹配用户和服务信息的工具，能将一个分布式的、实时的方式进行。

在此过程中，背景层包括空调机，衬衫和用户本身。服务器层是指空调机能提供的服务：开空调机，致冷。服务网络边界层获取背景信息，验证实体身份，并向服务器层提交服务请求。服务器层收到请求后，通过驱动器执行服务。

2背景层

背景层是整个框架的一部分用以产生背景。为了产生这方面的资料，背景层的实体都配备有一个RFID标记，也可以装有一些传感器节点，每个节点有一个或多个传感器和一个致动器。对于RFID标签，本文选择了Gen2标签和有关标准。在Gen2规范还支持扩展标记来储存用户信息，本文将用它来储存最低限度的与标记相关的一套逻辑信息。

2.1RFID标签分组。本智能家居系统的实体就是携带RFID标签的对象：人、带有传感器/驱动器的智能家电。不同的是功能，正常的RFID标签的对象只能由一些个别RFID阅读器来读取，智能家居网络中实体互相联系，然后将其信息联合。为了实现这一目标，实体使用了具有无线通信功能的传感器节点。分组是指两个或两个以上的实体进行协作，并决定分享他们的背景资料。实体定期宣传他们的存在，发送广播的数据包。分组的过程分为两个阶段进行。第一阶段涉及到的信息存储在RFID标签的用户内存空间，过滤决策和设立联系过程的优先级。第二阶段，应选择双方的通讯方式和命名代表，引入地址映射过程和分配结果给所有小组成员。当分组过程结束后，一个新的实体包含本组的所有实体成员诞生了。只有这样的实体组才能认识到自己的新的成员，将其结果提交给上一层。

如上述空调启动过程中，用户衬衫上的温度与湿度传感器、用户携带的RFID标签可认为构成一个实体组。

2.2簇头选择与数据库更新。为了妥善处理动态的无线网络，WISSE以双簇结构组织任何关联实体的组合。一方面，每个实体选择一个簇头，该簇头可以与其他实体集的簇头进行通信。另一方面，一组有联系的实体选择一个通信员簇头与服务网络层通信。两个选举过程中都遵循同样的文献[2]使用的异构算法。在第二种情况下，例如，通信员簇头将根据其剩余的能量广播一个提议的时间值Tc。只有同一网络中，用相同算法计算出更高时间值的那些实体簇头，将回答这个提议。选举过程中，不仅由通信员的时间值到期触发，还包括其他活动如增加或删除实体等。按照这个过程，本文假定：1）通信员节点将永远在网络中拥有最高的剩余能量；2）网络的寿命会延长，因为成为通信员的开销为所有的实体共享。

上个空调例子中，簇头可选取为客户这一实体组中的传感器或RFID TAG，同时RFID标签作为这一实体组的netID，通信员可以选择采用Zigbee协议的传感器单元，通过比较温度与湿度传感器的剩余电源选取较高的一个。

2.3组信息过滤、身份识别。用户接近带有RFID阅读器的电子产品时，电子产品会对用户身份做出自动识别，并读取用户权限到相应服务网络边界层。如在此过程中发生RFID信息撞的情况，RFID阅读器会根据组权限进行组信息过滤。在此过程中，优先权的适当设置也是防止信息撞的关键。

3中间件和服务层

服务网络边界层的主要逻辑是家居智能网络中间件。中间件可以直接连接虚拟实体数据库（VED）和服务层，智能家电在此登记其服务。该过程，它涉及在数据库中首次记录一个EPC及其相关信息，被称为虚拟实体登记。随后的任何信息的变化（如实体的分离，传感器节点的消失等）被称为虚拟实体更新。

家居智能电器必须提供一个能被中间件访问的标准接口。进入本界面，中间件必须能以身份标识和传感器/驱动器类型为关键字，检索服务的请求。根据服务需求，和实体的能力，中间件执行匹配过程要找出满足注册服务要求的虚拟实体。这一过程的输出结果是匹配服务的列表，包含了满足请求的所有虚拟实体能提供的所有服务。任何新增加的服务或任何虚拟实体数据库的更新将触发一个新的匹配过程。这保证了过滤的和更新的数据库有可能提供服务给用户。

最后，实体需要决定所有合资格的服务中，哪个是他特别感兴趣的。在家居智能网络中也有可能是配置文件的集合，它描述了在请求产生时，用户事先定义的实体能够进行的行为。配置文件记录可以与VED相连，数据库中维持了EPC（实体）和配置文件能提供的服务之间的参考关系。

配置文件的参数可以是传感器，驱动器和身份标识。只要一次逻辑比较他们的值，就会确定某种服务的执行方法。

客户想要智能家电提供的其他事项，是特定服务的执行（例如，提供一些驱动）。如当某些条件得到满足，如达到传感器的阈值时，智能家电的自动启动或关闭。

4结论

在本文中，本文提出了一个框架用以整合RFID和无线传感器网络，应用于提供用户和智能家电网络之间的服务。通过融合传感器网络和RFID数据，建立动态的智能空间信息。

在后续的工作中，希望将该框架在实际的智能家居网络中加以应用，并在服务器层和服务网络边界层进行进一步研究。

参考文献：

[1]Ken Traub, “The EPC Global Architecture Framework”, EPC global, July,2005.

[2]Heterogeneity(2004): Srikanth Kandula, Jennifer Hou, Lui Sha, “A case for Resource Heterogeneity in Large Sensor Networks”, in Proceedings of MilCom,2004

[3]T. Sanchez, D. Kim, K. Min, J. Lee, “Dynamic Context Networks of Wireless Sensors and RFID Tags”, ISWPC 2007, San Juan, Puerto Rico, 5-7 February,2007.

[4]聂涛,陆阳,张鹏,袁旭虹,苏. RFID与WSN在物联网下协同机制的分析[J].计算机应用研究,2011,06:2006-2010.

[5]王建伟,王东,KORHONEN T,等.一种新的RFID传感网络中多阅读器防碰撞协议[J].传感技术学报,2008,21(8):1411-1416.

作者简介：王越超（1978），男，辽宁沈阳人，博士，讲师，主要研究领域为无线传感器网络。