物聯網是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。

    近年來，全球主要發(fā)達國家和地區(qū)紛紛拋出與物聯網相關的信息化戰(zhàn)略。2002年4月，韓國提出“e-Korea”戰(zhàn)略；2004年，日本提出“U-Japan”計劃；2006年6月，新加坡公布了“智慧國2015”大藍圖；2008年底IBM向美國政府提出的“智慧地球”戰(zhàn)略，2009年6月歐盟啟動“物聯網行動計劃”等，都是利用各種信息技術來突破互聯網的物理限制，以實現無處不在的物聯網絡。目前世界各國正處于技術研發(fā)階段，美國、歐盟等都在投入巨資深入探索研究物聯網。我國在物聯網領域的布局較早，中科院10年前就啟動了傳感網研究，目前國內多家科研單位正加緊研發(fā)物聯網技術，2009年8月，中國提出了“感知中國”。

    物聯網的應用領域非常廣泛，如智能交通、智能電網、智能監(jiān)控、遠程醫(yī)療、環(huán)境保護、公共安全和物品管理等等，涉及到生活的方方面面。

    超市倉儲管理系統(tǒng)是物品管理中的典型實例，在這個系統(tǒng)中經常需要同時獲得物品的基本信息和環(huán)境參數，對于食品存儲要求更嚴格，不但要獲取食品的生產商、生產日期等基本信息，還要獲取食品所處的環(huán)境參數，如溫度、濕度等。這些信息都要由物聯網的感知層獲取，在感知層中主要有2種網絡：RFID網絡和WSN，RFID網絡獲取食品的生產商、生產日期等基本信息：WSN獲取食品所處環(huán)境溫度、濕度等參數。存在的問題是如何將兩種數據很好地融合，保證兩種數據融合正確性的同時要盡可能地減少數據量，這樣更能適應WSN要求低能耗特性。

    通過分析，兩者是有共同點的，即都是將物理世界的信息轉換成信息世界的數據，無線傳感器節(jié)點(WSNd)和RFID最終將融合為一體。文獻提出了融合方法，但是也存在以下不足：1)不支持被動式標簽，較高的產品生產成本；2)傳輸的數據量較大，增加了傳感器節(jié)點的負擔。從物聯網感知層的角度出發(fā)，本文提出的融合方法將很好地解決這些問題。

    1 物聯網架構

    物聯網具有3個特性：1)全面感知，即利用RFID、傳感器等隨時隨地獲取物品的信息；2)可靠傳遞，是通過各種電信網絡和互聯網融合，將物品的信息實時準確地傳遞出去；3)智能處理，利用云計算、模糊識別等各種計算方式對海量數據和信息進行分析處理，對物品實施智能化控制。這就構成了物聯網的三層模式：感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。

    其中，感知層包括RFID、傳感器等數據采集設備，包括數據接入到網關之前的傳感器網絡，對于目前關注較多的RHD網絡來講，用來感知RFID信息的感應器、掃描儀和貼在物品上的RFID標簽屬于物聯網感知層的一種網絡。這種檢測信息是RFID標簽的內容，如高速公路不停車收費系統(tǒng)、超市倉儲管理系統(tǒng)都是基于這類結構的物聯網。用于環(huán)境信息收集的WSN由無線傳感節(jié)點和接入網關組成，無線節(jié)點感知信息(如溫度、濕度等)，并自行組網傳遞到上層網關接入點，由網關將收集到的信息通過網絡層提交到后臺處理。環(huán)境監(jiān)控、污染監(jiān)控都是這類結構的感知層網絡的應用。網絡層是建立在現有的移動通訊網和互聯網基礎上，對感知數據進行處理和管理。應用層利用經過分析處理的感知數據為用戶提供豐富的特定服務，物聯網的應用可分為監(jiān)控型、查詢型、控制型和掃描型等。

    2 無線傳感器節(jié)點(WSNd)和RFID數據融合

    本節(jié)以無線溫度傳感器節(jié)點和RFID作為研究對象進行分析，提出將兩種數據結構融合的方法(該方法同樣適用于濕度傳感器或光照傳感器)，并和已提出的方法進行對比分析。

    2．1 WSNd的數據結構

    WSN是由大量傳感器節(jié)點組成，通過無線通信技術形成的自組織網絡系統(tǒng)。因為WSN由無線傳感器節(jié)點組成，這也形成了自身的限制和特點，如傳感器節(jié)點攜帶能量少、通信能力有限、計算和存儲能力有限等問題。以無線溫度傳感器節(jié)點為研究對象，其數據結構如圖2所示。

    溫度傳感器節(jié)點數據包有20個字節(jié)，但其中15個暫時未被使用。第1個字節(jié)存放節(jié)點ID；第2個字節(jié)存放不同應用程序的類型；第3個字節(jié)標記從某個節(jié)點發(fā)出包的次序號；第4～5字節(jié)存放環(huán)境的溫度；第6～20個暫時未被使用。

    2．2 RFID的數據結構

    RFID是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性，實現對被識別物品的自動識別。RFID系統(tǒng)一般由電子標簽(tag)和閱讀器(reader)2個部分組成。基于RHD系統(tǒng)能夠識別物體這一特性，RHD在物聯網的研究中得到了足夠的重視，在物聯網的應用中，電子標簽由生產商生產產品時附著在被識別產品的表面或者嵌入到產品內部，電子標簽內的識別信息通過某種編碼結構編碼成電子產品編碼(EPC)。目前最常見的EPC有64位、96位2種，表1列出了編碼方式，當帶有電子標簽的被識別物品處于閱讀器可識別范圍內時，閱讀器自動以無接觸的方式將電子標簽中的EPC讀取出來，從而實現自動識別物品的功能。

    表1為EPC-64和EPC-96兩種編碼結構列表，表中分別列出了兩種編碼結構將EPC編碼分成四段的名稱、所占位數和取值范圍。

    2．3 WSNd和RFID數據結構融合方法
    
    將WSN和RHD技術融合的目的就是實現用戶能同時準確地獲取物品的基本信息和所處的環(huán)境狀態(tài)的需求，顯然，怎么建立物品所處的環(huán)境狀態(tài)和EPC編碼的映射關系成了關鍵，文獻提出了緊密耦合方式和松散耦合方式，但是這兩種方式都會增加WSN傳輸的數據量，增加WSN的傳輸負擔，本文提出的融合方法實現了融合之后減少傳輸的數據量。
    
    將WSN和RHD技術融合，本文的思路是建立一種屏蔽底層差異的機制結構——數據融合器，如圖3所示，WSN負責采集RHD的EPC編碼，然后將EPC編碼寫到WSNd數據包中進行融合。

    傳感器節(jié)點的邏輯結構如圖4，它通過RHD天線發(fā)射射頻信號，當貼有電子標簽的貨物存儲到倉庫并且在WSNd作用范圍內時產生感應電流，并將自身編碼信息通過卡內置天線傳輸出去，RFID天線接收到載波信號并傳輸到RFID閱讀器，閱讀器對接收到的信息按照相應的編碼標準進行編碼(本文以EPC-96標準為例)，然后通過RS-232接口將EPC編碼傳輸到傳感器節(jié)點的數據存儲芯片中，和傳感器節(jié)點進行數據融合。 

    將WSNd數據包和EPC編碼融合的數據結構如圖5所示，通過主控制器發(fā)出指令，將EPC-96編碼寫到WSNd數據包的第6～17個字節(jié)中，即將EPC-96編碼寫到WSNd第6～17這12個未使用的字節(jié)中，這樣即達到了將兩種數據融合的目的，又可以提高數據傳輸的有效率。融合后的數據可以在WSN中通過節(jié)點傳輸，最終到達基站，就達到了同時獲取物品的基本信息和環(huán)境參數。

{$page$}

    3 性能評價和實例應用

    3．1 性能評價
    
    文獻提出的將WSNd和RFID融合的方法，包括兩種方式：緊密耦合方式和松散耦合方式，緊密耦合方式是針對價格較高的主動式標簽，而且在融合之后也增加了傳輸的數據量；松散耦合方法是針對被動式標簽，但該方式使數據的冗余量更大。本文提出的WSNd和RFID融合的方法，以1個WSNd的數據包和1個EPC-96編碼為例計算，表2列出了它們的比較。

    在對食品的存儲中要獲取的最重要的數據是食品上標簽的EPC編碼和所處環(huán)境溫度，因此，本文定義傳輸數據的有效率=(EPC編碼的字節(jié)數+所處環(huán)境溫度字節(jié)數)／融合后的總字節(jié)數，從上表可以明顯地發(fā)現，本文提出的WSNd和RFID融合的方法在以下兩點作出的改進：1)該方法減少了數據冗余量，融合后的字節(jié)數減少，使傳輸數據的有效率有了明顯的提高，同時減少了數據存儲量；2)該方法支持被動式標簽，降低了產品的生產成本。

    3．2 實例應用

    在感知層融合RFID網絡和WSN采集數據的方法是使物品的EPC和所在環(huán)境參數建立映射，并將其應用于超市倉儲管理系統(tǒng)。因為本文重點研究物聯網感知層數據融合，所以在設計倉儲管理系統(tǒng)時主要關注數據融合的效果，對于物聯網結構中的中間件、ONS和EPCIS不做重點討論。

    在實驗中為每個物品貼上一張電子標簽(本實驗采用的是96位的無源ISO-18000-6B型標簽)，使每個物品獲得一個獨一無二的EPC，本實驗的流程如下：
    1)將EPC所對應物品的詳細信息和屬性存儲在EPCISRepository中；
    2)在物品的存儲過程中，讀寫器獲取多個無線傳感器網絡覆蓋區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)和大量的EPC編碼信息，通過融合器處理之后將數據存儲到EPCIS Repository中；
    3)當用戶要查詢某個物品某個時刻的基本信息和環(huán)境狀態(tài)時，就可以把物品的EPC或者名稱作為關鍵字，經過EPCIS的映射便可在EPCIS Repository中找到相關記錄和詳細信息；
    4)如果用戶要求獲取即時環(huán)境狀態(tài)，也可以通過發(fā)出請求，由讀寫管理器發(fā)出命令，要求讀寫器讀取最新環(huán)境狀態(tài)，再進行一些融合處理，把數據存儲到EPCIS Repository之后，轉到3)。圖6畫出了本實驗的流程圖。

    本實驗采用Microsoft Access2003作為存儲融合EPC和物品所處環(huán)境溫度的數據庫，在體系結構中起EPCISRepository的作用。當用戶要獲取物品所處的環(huán)境信息或者即時信息時，可以通過倉儲管理系統(tǒng)查詢，如圖7所示。

    4 結論

    本文首先介紹物聯網的發(fā)展背景和基本原理，再結合感知層的WSN和RFID網絡與超市倉儲管理系統(tǒng)的實際需要發(fā)現存在的問題。本文提出的將無線傳感器節(jié)點數據和RFID數據融合的方法將物品所處的環(huán)境參數和EPC建立映射關系，和已提出的融合方法相比明顯地減少了傳輸的數據量，并且適用于被動式標簽。一方面更適應傳感器節(jié)點攜帶能量少、通信能力有限、計算和存儲能力有限等問題，另一方面也降低了產品的生產成本。在超市倉儲管理系統(tǒng)的應用中表明該方法是可行的。