基于无线传感器网络节点的RFID系统节能研究*

谢 昕，吴 颖，张 磊，刘觉夫

（华东交通大学信息工程学院，江西南昌 330013）

0 引言

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术［1］是利用射频信号通过交变磁场或电磁场的空间耦合来实现无接触式的信息传递以达到自动识别的目的。RFID系统主要由电子标签和读写器两部分组成，在无源电子标签应用中，RFID读写器通常采用电池供电，通过连续不断地发出射频磁场，以保证到达标签随时可获得能量发送信息，这将导致RFID读写器能量的大量消耗。

无线传感器网络是由随机部署在监测区域的大量微小节点通过内部的传感器感知周围环境信息，并以自组网多跳的方式进行无线通信的一种网络系统。传感器节点虽然也采用电池供电，但具有高效的节能管理机制。为了高效利用RFID系统的有限电能，本文提出一种集成无线传感器网络节点的RFID系统节能方案，在传感器节点结构的基础上，采用一种类似于传感器节点的节能控制机制，通过节点对能量的高效利用延长整个系统的电池寿命。

1 RFID系统构成与工作原理

RFID系统组成如图1所示。电子标签由耦合元件、芯片及微型天线组成。标签存储有唯一的RFID编码，用来标识目标对象;读写器用来读取或写入标签信息。当无源电子标签进入读写器的读写区域后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量，反馈给读写器标签信息;有源电子标签主动发送某一频率的信号，读写器接收标签信号并转发至后台管理系统进行数据处理。

2 无线传感器网络节点的节能管理

无线传感器网络节点通常由传感器单元、处理器单元、无线收发单元和能量供应单元四部分组成。传感器单元内部包含传感器和A/D转换器，负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器单元控制整个传感器节点的运行，存储和处理自身采集的数据;无线收发单元通过无线方式与其他传感器节点通信，交换控制信息和数据;能量供应单元为传感器节点的其他单元提供所需能量，通常传感器节点采用电池供电。

图1 RFID系统Fig 1 RFID System

因此，采用一种特殊的节点能量控制机制［2，3］:当传感器节点既没有数据需要发送也没有数据需要接收时，通过自身处理器将其配置为睡眠模式，关闭节点的某些模块，降低节点的能量消耗;当有数据需要发送或接收时，再恢复工作模式继续工作。

3 基于传感器节点的RFID系统设计方案

本方案将RFID读写器集成到无线传感器网络节点中，取代原有的传感器单元，形成读写器智能节点。具体设计方案如图2所示。读写器智能节点以类似传感器节点的组网方式与RFID电子标签实现无线通信。

图2 读写器智能节点Fig 2 Intelligent reader node

在上述组网结构下，读写器智能节点能够像传感器节点一样以自组织多跳的方式部署在网络中。根据处理器发出的指令，RFID读写器通过射频方式读取标签信息，并转发至处理器进行处理，然后根据需要通过存储器进行缓存处理;电源的管理方案同样受处理器的控制，采用一种类似无线传感器网络节点的节能方式，根据需要将读写器智能节点的工作状态分为4种:

1）当读写器模块读取到标签信息或者无线收发模块有数据需要接收时，智能节点将进入读状态;

2）当读写器模块需要对标签写入信息或者无线收发模块需要发送数据时，智能节点将进入写状态;

3）当读写器模块和无线收发模块没有读（写）数据请求时，智能节点将进入等待状态;

4）当智能节点处在等待状态一定时间后仍然没有数据请求时，智能节点将进入睡眠状态。

经过处理器的协调工作，读写器智能节点在读状态和写状态下与传感器节点的能耗基本保持一致，而引入的等待状态与睡眠状态则避免了电能的无谓浪费，从而达到节能的目的。

4 仿真计算与结果分析

实验方案采用SK—WSN—I无线传感器网络节点模块和SK—RFID—TRF796X—II读写器模块作为平台。根据测量得到的系统参数［4，5］来计算RFID读写器电池的使用寿命。考虑到一些参数在实际应用中存在一定的波动性，所以，在实验中对这些参数加入了适当的高斯噪声值，以保证参数的稳定。另外，为了保证实验结果数据的可靠性，实验中对每个指标进行100次的Matlab仿真实验，最后根据平均值确定结果［6，7］。

4．1 普通RFID读写器的电池使用寿命

读写器的电源采用两节干电池，提供的总电压V=3．3 V，并加入均值为0．2 V的高斯噪声α，以保证工作电压不超过3．6 V的供电上限;读写器的输出功率P=250 mW。另外，电池的生命周期也取决于电池的类型。实验选用高质量的AA电池，总容量大约为W=2200 mAh。如果RFID读写器持续不断地工作，电池的使用寿命只能维持

Matlab仿真结果如图3所示。

图3 普通RFID读写器电池寿命Fig 3 Battery life of common RFID reader

单个普通RFID读写器在连续工作的情况下，根据图3，可以计算出电池的平均寿命仅仅能维持H=30．0237 h。

结果表明:普通RFID读写器应用大约30h后会因为电池能量的耗尽而无法正常工作，若频繁更换电池，则代价太高，无法满足低成本应用的要求。

4．2 读写器智能节点的电池使用寿命

根据实际情况，读写器智能节点中的处理器单元和无线收发单元属于一个整体，本文将其命名为“中心模块”。读写器模块从睡眠模式被唤醒需要花费大约10 ms，期间由于没有发出射频磁场，所以，只有很低的电流消耗。基于以上考虑，实验仿真参数设置如表1所示。

实验采取只读取标签（暂不考虑标签写入），工作时间即为读状态时间与等待状态时间之和。假定读写器智能节点的工作占空比为X=1%（占空比即工作时间与总时间之比），中心模块处于读状态的占空比为X/10，读写器模块处于读状态的占空比也为X/10，则整个读写器智能节点处于等待模式的占空比为8X/10。

表1 仿真参数设置Tab 1 Setting of simulation parameter values

根据以上数据，可求得读写器智能节点中读写器模块的平均工作电流为

中心模块的平均工作电流为

则整个读写器智能节点的电池寿命为

通过Matlab仿真得到读写器智能节点电池寿命如图4。

图4 读写器智能节点的电池寿命Fig 4 Battery life of intelligent reader node

经计算得到，读写器智能节点的电池平均寿命为N=10367 h，约 1．1834 a。

通过对比，普通RFID读写器由于没有任何节能控制机制，使它几乎一直处于工作状态，所以，电池供电只能维持大约30h。将RFID读写器集成到无线传感器网络节点中，网络的使用占空比为1%，在没有标签信息的情况下，读写器智能节点进入低功耗的睡眠状态，避免了无谓的能量损耗。

5 结论

通过研究将RFID系统的读写器集成到无线传感器网络节点中，取代原有的传感器模块，使传感器节点的节能控制机制应用到RFID系统。仿真实验和计算结果证明:本文提出的改进方案有效地提高了RFID读写器电池的使用效率，平均使用时间从约为30h提高到1．2 a左右，大大延长了电池的使用寿命，改善了RFID系统的节能性能。

［1］ 吴永祥．射频识别（RFID）技术研究现状及发展展望［J］．微计算机信息，2006，22（11－2）:234－236．

［2］ 刘 娅．无线传感器网络能量模型及其仿真研究［D］．成都:电子科技大学，2008:5．

［3］ 杜玉红，张晓敏，蔡成闻．无线传感器网络能量均衡自适应分簇算法［J］．传感技术学报，2007，20（7）:1616 －1619．

［4］ TRF7960，TRF7961 multi-standard fully integrated 13．56 MHz RFID analog front end and data-framing reader system［DB/OL］．［2008—06—16］．http:∥www．ti．com/．

［5］ CC2530F32，CC2530F64，CC2530F128，CC2530F256［DB/OL］．［2009—05—18］．http:∥www．ti．com/．

［6］ 范文兵，葛 峥，王 耀．超高频RFID系统设计与仿真［J］．计算机工程，2010，36（17）:90 －92．

［7］ Sean T．Strategy for RFID validation and verification using softwaredefined instrumentation［J］．Microwave Journal，2007，50（12）:66 －74．