韓培培　姬五勝　姬曉春　張泉斌　李莉

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)的融合是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。文中通過介紹RFID技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)的融合，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的特高頻RFID讀寫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)融合系統(tǒng)通信接口的實(shí)現(xiàn)與通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了詳細(xì)論述，并指出了融合系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間存在的能耗不平衡問題。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；特高頻RFID讀寫系統(tǒng)；能耗不平衡

中圖分類號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，利用RFID識(shí)別技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)感知等技術(shù)構(gòu)造的物物相連的“Internet of Things”[1]。從1999年“物聯(lián)網(wǎng)”概念的首次提出，到2008年奧巴馬提出的“智慧地球”構(gòu)想，引起了全世界范圍內(nèi)的轟動(dòng)，被列為振興美國經(jīng)濟(jì)、確立領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵戰(zhàn)略；韓國也在2004年提出了“IT839”戰(zhàn)略，在戰(zhàn)略中涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)等內(nèi)容；2009年11月3日，溫家寶總理在北京向首都科技界發(fā)表題為《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》時(shí)，強(qiáng)調(diào)要把“物聯(lián)網(wǎng)”與“傳感網(wǎng)”作為21世紀(jì)中國騰飛的“發(fā)動(dòng)機(jī)”[2]，將國內(nèi)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注推向了一個(gè)前所未有的高度。

目前，我國相關(guān)IT企業(yè)和中國移動(dòng)、中國電信等電信運(yùn)營商都在積極開展與“物聯(lián)網(wǎng)”相關(guān)的研究工作，采用傳感網(wǎng)控制物流、電力、交通、農(nóng)業(yè)以及漁業(yè)等，并為其提供相關(guān)服務(wù)。2011年，國務(wù)院相關(guān)部委相繼公布了一系列促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施，政府的積極推動(dòng)為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)I造了良好的環(huán)境。這一系列標(biāo)志性的歷史事件都預(yù)示著21世紀(jì)將是物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代。

物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是下一個(gè)萬億級(jí)通信業(yè)務(wù)，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展孕育著巨大的商機(jī)和市場(chǎng)空間。作為物聯(lián)網(wǎng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)，憑借各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在其應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展，通過對(duì)這兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的探究，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)進(jìn)行融合已在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方面引起了廣泛關(guān)注[3]。

1 RFID技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

1.1 RFID技術(shù)研究現(xiàn)狀

RFID技術(shù)是利用電感或電磁耦合原理，在非接觸的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別的無線射頻識(shí)別技術(shù)[4]。RFID讀寫系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。采用防碰撞技術(shù)解決多標(biāo)簽識(shí)別過程中產(chǎn)生的標(biāo)簽碰撞問題，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別功能。從RFID技術(shù)本身來看，RFID讀寫器可通過對(duì)電子標(biāo)簽的免接觸操作實(shí)現(xiàn)讀寫功能，尤其是特高頻RFID讀寫系統(tǒng)，憑借較快的數(shù)據(jù)傳輸速度、較遠(yuǎn)的識(shí)別距離、較強(qiáng)的抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn)，在物流、民政、交通、民航、防偽及身份識(shí)別等方面擁有不可替代的優(yōu)越性[5]。

但隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)RFID讀寫系統(tǒng)的通信距離提出了更高的要求，即使提高天線的發(fā)射功率和讀寫器的靈敏度，也很難實(shí)現(xiàn)RFID讀寫系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離通信?，F(xiàn)有的RFID讀寫器和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間通過有線方式連接，在部署大量讀寫器的情況下，存在需要對(duì)空間布線位置進(jìn)行設(shè)計(jì)、布線成本高、維護(hù)工作效率低等缺點(diǎn)，無法滿足對(duì)RFID讀寫器進(jìn)行靈活分配的需求[6]。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)，它的出現(xiàn)帶來了一場(chǎng)信息領(lǐng)域的革命，主要經(jīng)歷了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多跳/網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程[7]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還處于發(fā)展階段，在實(shí)際應(yīng)用中需要不斷完善，但傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)為中心的Internet技術(shù)加上以傳輸數(shù)據(jù)為目的的Ad-Hoc路由機(jī)制已無法滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求[8，9]。因此無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等無線傳輸技術(shù)出現(xiàn)后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展向前推進(jìn)了一大步。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在家庭或者工業(yè)領(lǐng)域的使用中，需要具備低功耗、低成本、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。藍(lán)牙的售價(jià)一直居高不下，不利于技術(shù)的推廣應(yīng)用。ZigBee技術(shù)作為一種新興的低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，它的出現(xiàn)滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求，逐漸成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選協(xié)議。

ZigBee技術(shù)是基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的短距離、低功耗、自組網(wǎng)無線通信技術(shù)[10]。單個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離較短，但ZigBee具有強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力，通過合理的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和部署，理論上用戶和節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離可以達(dá)到無限遠(yuǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)可連接紅外傳感器模塊、壓力傳感器模塊、溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊等，所以ZigBee具有遠(yuǎn)距離環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及無線網(wǎng)絡(luò)定位功能，但不具備RFID技術(shù)擁有的電子標(biāo)簽信息識(shí)別功能。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)融合的必要性

在RFID技術(shù)中，電子標(biāo)簽的成本較低，且電子標(biāo)簽易于粘貼在物品上，可重復(fù)使用、抗污染能力和耐久性強(qiáng)、容量大、不易受惡劣環(huán)境因素影響[11]，但RFID技術(shù)自身無法實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織組網(wǎng)功能，省去了布線的麻煩，網(wǎng)絡(luò)重建周期短，但不能像RFID讀寫器那樣對(duì)物體信息實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別。在一些實(shí)際應(yīng)用中，既需要對(duì)目標(biāo)信息精確識(shí)別，又需要將識(shí)別信息遠(yuǎn)距離傳輸，因此將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)相結(jié)合已成為一種趨勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)融合將是未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[12]。如何將這兩種技術(shù)更好地融合成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合現(xiàn)狀

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究中受到了高度重視。目前RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合結(jié)構(gòu)分為三種[13]，即有源RFID標(biāo)簽與傳感器的融合、無源RFID標(biāo)簽和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的融合、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID讀寫器的融合。

2.2.1 有源電子標(biāo)簽和傳感器的融合

Deng等人[14]提出了一種基于有源電子標(biāo)簽的傳感器嵌入式射頻識(shí)別（SE-RFID）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案中一個(gè)電子標(biāo)簽集成了多個(gè)傳感器，如圖1所示。傳感器獨(dú)立工作，集成傳感器的RFID標(biāo)簽即使不在讀寫器的識(shí)別范圍內(nèi)，傳感器也會(huì)將采集到的溫度、濕度等環(huán)境信息定期傳輸給RFID電子標(biāo)簽，然后RFID電子標(biāo)簽將獲得的數(shù)據(jù)傳輸給讀寫器。該系統(tǒng)架構(gòu)的一個(gè)應(yīng)用在于通過使用SE-RFID技術(shù)開發(fā)一個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（HEMS），以不斷監(jiān)測(cè)、重新評(píng)估、診斷疾病。但該集成架構(gòu)存在一些不足，即有源電子標(biāo)簽的成本較高、體積較大，集成傳感器的有源RFID電子標(biāo)簽?zāi)芎妮^高。

2.2.2 無源電子標(biāo)簽和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的融合

與有源電子標(biāo)簽相比，無源電子標(biāo)簽成本低、體積小，應(yīng)用更加普遍。Cho等人[15]提出了一種無源傳感器RFID標(biāo)簽，被用來檢測(cè)外界的溫度和光照；Zhou和Wu[16]提出了一種嵌入式無源超高頻RFID傳感器標(biāo)簽，這種無源超高頻RFID傳感器標(biāo)簽射頻前端采用磁性傳感器，具有較高的靈敏度與較小的體積和較低的能耗。無源電子標(biāo)簽和傳感器節(jié)點(diǎn)的融合具有一些優(yōu)勢(shì)，但不足之處在于無源電子標(biāo)簽沒有電池供電，電源通過接收讀寫器發(fā)送的載波信號(hào)轉(zhuǎn)化而來，因此融合無源電子標(biāo)簽的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與RFID讀寫器的距離較近。融合有無源電子標(biāo)簽的傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

2.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID讀寫器的融合

文獻(xiàn)[17]提出了另外一種可行的集成方案：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與RFID讀寫器集成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)。通常將集成RFID讀寫器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稱為智能節(jié)點(diǎn)。集成系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽、智能節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。智能節(jié)點(diǎn)不僅可被用作RFID讀寫器識(shí)別RFID標(biāo)簽，還可以被看作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。智能節(jié)點(diǎn)通過自組織網(wǎng)絡(luò)將讀取的RFID標(biāo)簽信息無線轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。這種智能節(jié)點(diǎn)體積小、成本低、部署靈活，克服了傳統(tǒng)RFID讀寫器因?yàn)槲恢霉潭◣淼膽?yīng)用限制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID讀寫器融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

3 ZigBee和特高頻RFID技術(shù)的融合方案

通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)融合架構(gòu)的討論，本文提出一種ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器的融合方案。

3.1 ZigBee和特高頻RFID技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，存在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三種設(shè)備類型。ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器的融合系統(tǒng)由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、電子標(biāo)簽組成。本文將ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器的融合節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)中的RFID讀寫器將采集到的電子標(biāo)簽信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過串口和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交流。具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

3.2 ZigBee和特高頻RFID技術(shù)融合方案的可行性

ZigBee網(wǎng)絡(luò)和特高頻RFID技術(shù)融合是可行的，具體原因如下：

（1）特高頻RFID協(xié)議規(guī)定了通信的空氣接口，卻沒有對(duì)信息的管理方式和數(shù)據(jù)的傳遞方式做出具體規(guī)定，而ZigBee技術(shù)有著相對(duì)完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[18]；

（2）特高頻RFID技術(shù)的工作頻段是860～960 MHz，而ZigBee技術(shù)工作于2.4 GHz頻段，二者在通信上使用不同的信道，不會(huì)形成干擾；

（3）ISO/IEC 18000-6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特高頻RFID技術(shù)的傳輸速率是幾十到幾百kbit/s，工作于2.4 GHz頻段的ZigBee技術(shù)的傳輸速率是250 kitb/s，滿足了特高頻RFID技術(shù)對(duì)通信速率的要求；

（4）高頻RFID和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已有融合。

3.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器融合方案的關(guān)鍵問題分析

ZigBee和RFID技術(shù)是兩種不同的技術(shù)，彼此都在各自的領(lǐng)域發(fā)展，若將這兩種技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器的集成，還需要解決通信接口、協(xié)議轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵問題。

3.3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)與特高頻RFID讀寫器通信接口的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，融合ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器的智能節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)將特高頻RFID讀寫器采集到的電子標(biāo)簽信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)絑igBee無線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最后，由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器之間可通過UART，SPI，I2C通信接口方式連接[19]。

在實(shí)際中需要根據(jù)具體的應(yīng)用選擇合適的通信接口。兩模塊之間的串行通信接口電路如圖5所示。

3.3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)與特高頻RFID讀寫器通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

特高頻RFID讀寫器模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)過程中使用不同的通信協(xié)議，二者的數(shù)據(jù)單元格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容各不相同[20]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式采用IEEE 802.15.4或ZigBee協(xié)議；特高頻RFID讀寫器的射頻模塊發(fā)出的指令符合ISO/IEC 18000-6標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范格式。為了使特高頻RFID讀寫器模塊和ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行直接通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的無縫隙傳輸，需要對(duì)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，包括特高頻RFID讀寫器和ZigBee節(jié)點(diǎn)之間、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間。

（1）特高頻RFID讀寫器和ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換

特高頻RFID讀寫器向ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊傳輸標(biāo)簽信息時(shí)，讀寫器將接收到的符合ISO/IEC 18000-6協(xié)議格式的數(shù)據(jù)幀經(jīng)內(nèi)部解析提取出數(shù)據(jù)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)參數(shù)通過ZigBee協(xié)議棧打包成符合ZigBee協(xié)議格式的數(shù)據(jù)幀；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)幀被讀寫器模塊接收，讀寫器控制模塊程序解析數(shù)據(jù)幀，提取數(shù)據(jù)幀中的命令和參數(shù)，根據(jù)命令控制對(duì)無源標(biāo)簽的操作。

（2）協(xié)調(diào)器和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令時(shí)，應(yīng)在命令幀頭部添加協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以識(shí)別的幀頭標(biāo)識(shí)，當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)幀時(shí)，去掉幀頭標(biāo)識(shí)后將命令傳輸給ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)；同理當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)去掉幀頭標(biāo)識(shí)，提取數(shù)據(jù)。

3.3.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)與特高頻RFID讀寫器模塊融合方案中的能耗問題

ZigBee節(jié)點(diǎn)和特高頻RFID讀寫器的融合方案采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，部署靈活，但是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間卻存在嚴(yán)重的能耗不平衡問題：

（1）該融合架構(gòu)采用“多對(duì)一”的通信方式，路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信量大，能耗較高；

（2）與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)較近的路由器節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)和向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要消耗比其他路由節(jié)點(diǎn)更多的能量；

（3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)功耗較低，當(dāng)系統(tǒng)無任務(wù)時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)可以休眠，而RFID讀寫器目前在該系統(tǒng)中還不能休眠，使得融合系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)，耗費(fèi)能量較多。由于終端節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)槟芰肯拇M而過早的死亡，使該節(jié)點(diǎn)附近電子標(biāo)簽的信息不再受監(jiān)控。

因此如何保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的能耗均衡、延長網(wǎng)絡(luò)壽命是近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究議題。

為了解決該問題，學(xué)術(shù)界提出一些節(jié)能方案，例如通過降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率減小輸出功率，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)的連通[21]，但該方案同時(shí)也減小了節(jié)點(diǎn)間的通信距離；在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，將部分終端節(jié)點(diǎn)分配到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)周圍，使其可直接與協(xié)調(diào)器通信，減輕路由器節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)，延長路由器節(jié)點(diǎn)的壽命，達(dá)到能量均衡利用的目的[22]，但終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加意味著系統(tǒng)的成本也隨之提高。目前應(yīng)用比較成熟的節(jié)能協(xié)議是LEACH（低功耗自適應(yīng)集簇分層型）協(xié)議[23]。基于LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。圖中1和2分別為兩個(gè)簇的簇頭，標(biāo)號(hào)為1.1，1.2的終端節(jié)點(diǎn)為下輪簇頭的候選者，同理，標(biāo)號(hào)2.1，2.2，2.3的終端節(jié)點(diǎn)也是下輪該簇簇頭的候選者。

LEACH算法優(yōu)于傳統(tǒng)的靜態(tài)聚類算法，具有以下特點(diǎn)：

（1）可以在網(wǎng)絡(luò)中的局部設(shè)置簇完成局部的協(xié)作操作。

（2）通過巡回的方式選擇簇頭，當(dāng)簇頭選定后，該簇中剩下的節(jié)點(diǎn)將是下一個(gè)簇頭的候選者，這樣系統(tǒng)的能量負(fù)擔(dān)被分散于簇中所有的節(jié)點(diǎn)之間。

（3）簇中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直接通信。

但該算法中還存在以下不足：

（1）LEACH協(xié)議簇頭的選擇是隨機(jī)的，可能會(huì)造成能量較低的節(jié)點(diǎn)被當(dāng)作簇頭，較大的通信量和較遠(yuǎn)的傳輸距離會(huì)加速該簇頭的死亡。

（2）在LEACH協(xié)議中，當(dāng)簇頭和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，根據(jù)公式（1）[24]：

ETX=Eelec×l+εamp×l×d2 （1）

其中：ETX其是發(fā)送l位數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)消耗的能量；l是從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的大??；d是通信節(jié)點(diǎn)之間的距離。隨著通信量l和通信距離d的增大，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量也就越大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過早死亡。因此，所使用的通信協(xié)議取決于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無線電參數(shù)。

3.3.4 融合系統(tǒng)的應(yīng)用

雖然，國內(nèi)外對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合研究仍處于發(fā)展階段，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合方案為很多應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新的方向。

文獻(xiàn)[25]將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID讀寫器結(jié)合設(shè)計(jì)的手持讀寫器通過無線網(wǎng)絡(luò)與電腦連接，將奶牛養(yǎng)殖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿菰聪到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛養(yǎng)殖過程生命周期信息的準(zhǔn)確、快速查詢，加強(qiáng)對(duì)奶牛的現(xiàn)代化管理。姬五勝等人[26，27]設(shè)計(jì)的基于ZigBee和高頻RFID技術(shù)的豬肉可溯源系統(tǒng)，憑借其較高的靈活性、低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、良好的人機(jī)交互界面優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生豬養(yǎng)殖、屠宰、物流運(yùn)輸和豬肉銷售等信息的全程跟蹤，可降低豬肉產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，滿足了消費(fèi)者對(duì)豬肉生產(chǎn)相關(guān)信息知情的需求。梁龍等人[28]設(shè)計(jì)的分布式考勤系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)和RFID技術(shù)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別功能使考勤系統(tǒng)的部署簡(jiǎn)單易行，提高了維護(hù)工作的效率，省去了樓宇布線的成本。除此之外，融合系統(tǒng)還被應(yīng)用在物流、醫(yī)療、供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié) 語

本文通過介紹RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合現(xiàn)狀，提出了一種融合ZigBee和特高頻RFID技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該融合方案將ZigBee和RFID讀寫器的融合節(jié)點(diǎn)作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，該終端節(jié)點(diǎn)具有射頻識(shí)別和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)功能，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別距離變長，傳輸距離變遠(yuǎn)，從而擴(kuò)展了ZigBee技術(shù)、特高頻RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，將特高頻RFID技術(shù)和ZigBee技術(shù)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，該網(wǎng)絡(luò)中無線RFID讀寫器（終端節(jié)點(diǎn)）具有無線特性，識(shí)別距離長，傳輸距離遠(yuǎn)，有很多典型的技術(shù)應(yīng)用。但是該系統(tǒng)也有明顯的不足，終端節(jié)點(diǎn)能量消耗較大，如何降低能耗并使無線RFID讀寫器終端節(jié)點(diǎn)具有休眠特性是一個(gè)技術(shù)難題。

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