基于物联传感网的分布式数据融合技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 962.63KB 51 页 15积分

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摘要

物联网是一种通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描

器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换

和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目前的物联

网主要由传感网、通信网和应用系统网即感知层、网络层和应用层三部分组成，

在上述三个部分中感知层是最为重要的，因为该层直接和现实世界的信息接触，

所以，无线传感器网络和 RFID 无线射频技术将作为重点研究对象。

在RFID 的实际应用中，电子标签只能标志物体的一些基本信息，无法通过电

子标签获取物体的状态及该状态与环境之间的变化信息，而且 RFID 传输距离较

短。无线传感器网络的发展一直受到包括能量供应、数据冗余、数据延迟、突发

紧急事件实时性、节点定位等很多因素的制约。虽然，现有的路由算法和数据融

合算法分别在某一方面有一定成效，但是对于整个系统而言没有很好的均衡上述

限制条件。

针对以上问题，本文首先将 RFID 技术与 WSN 技术融合在一起，设计一种融

合后网络体系结构，在 LEACH 分簇路由算法基础上设计一种按传感器位置分簇的

路由算法；接着，在分簇的基础上提出一种簇内数据融合算法，该算法通过量化

计算将数据划分为紧急数据和非紧急数据并做标记，在融合过程中引入传感器测

量修正值并结合关系矩阵法对数据信息进行相应的融合处理；然后，采用 NS2 仿

真软件对上述路由算法和数据融合算法进行仿真，仿真结果表明，两算法有效的

降低了上述限制条件的等级。

最后，建立 RFID 数据和 SENSOR 数据关系模型，对数据进行集成管理，并

将该数据关系模型应用到仓库存储的实际应用中。

关键词：物联网设备融合分簇数据融合数据关系模型

ABSTRACT

The Internet of Things is a network, which connects any items with the Internet to

the exchange of information and communication according to the agreed protocol,

through radio frequency identification (RFID), infrared sensors, global positioning

systems, laser scanners and other sensing devices, in order to achieve intelligent

identification, location, tracking, monitor and management. Nowadays, the Internet of

Things consists of three parts: the perception layer, network layer and application layer,

in which the perception layer is the most important, because this layer always directly

contacts the real-world information. And so, wireless sensor networks and RFID radio

frequency technology become the focus of the study.

In the practical application of RFID, electronic label can only mark the basic

information of objects, and cannot obtain the status of the object and changes between

the state and environment, and meanwhile the RFID transmission distance is shorter.

The development of wireless sensor networks has been challenged and constrained by

energy supplement, data redundancy, data delay, sudden emergency real-time, node

localization, and many other conditions. Although the existing routing algorithms and

data fusion algorithm have a certain degree of success in some aspects, there is not a

good balance on the above restrictions for the entire system.

According the above problems, this paper designs a fusion RFID and WSN

technology network architecture and a sensor location clustering routing algorithm

based on LEACH clustering routing algorithm. And then we propose a cluster-in data

fusion algorithm which part data into the urgent data and non-urgent data by quantum

chemical calculations and mark them, and in the fusion process we introduced the

sensor-data of measurement and correction and make fusion process to data by

relationship matrix method. Finally, we simulate the above routing algorithm and data

fusion algorithm by the MATLAB simulation software. And the simulation results show

that the two algorithms effectively reduce the level of the above restrictions.

Finally, in order to integrated management of data, establish relationship model of

RFID data and WSN data, and the model is applied to the practical application of the

warehouse storage.

Keywords: The Internet of Things, Integration of Equipment,

Clustering , Data Fusion,Relationship Model of Data

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题背景 ..................................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................... 2

§1.3 本论文的主要工作和创新点 ..................................... 3

§1.3.1 本论文的主要工作 ......................................... 3

§1.3.2 本论文的创新点 ........................................... 4

§1.4 论文结构 ..................................................... 4

第二章 RFID 与 WSN 技术分析 ........................................... 5

§2.1 RFID 技术 .....................................................5

§2.1.1 RFID 系统结构 ............................................. 5

§2.1.2 RFID 工作原理 ............................................. 5

§2.1.3 RFID 技术目前的应用 ....................................... 6

§2.2 WSN 技术 ......................................................7

§2.2.1 传感器网络结构 ........................................... 7

§2.2.2 传感器节点结构 ........................................... 7

§2.2.4 传感器网络目前的应用 ..................................... 8

§2.3 RFID 技术与 WSN 融合的契机和挑战 ...............................8

§2.3.1 融合契机 ................................................. 8

§2.3.2 融合挑战 ................................................ 10

第三章融合的网络体系结构及路由实现 ................................. 12

§3.1 WSN 能耗分析 .................................................12

§3.2 RFID 设备与 WSN 设备之间的融合 ............................... 13

§3.2.1 RFID 电子标签与传感器节点的融合 .......................... 13

§3.2.2 RFID 电子标签与传感器网络传感节点以及无线设备的融合 ...... 14

§3.2.3 RFID 阅读器与 WSN 节点以及无线设备的融合 .................. 15

§3.3 分簇协议与网络体系结构 ...................................... 16

§3.3.1 分簇协议详解 ............................................ 16

§3.4 路由实现 .................................................... 19

第四章 WSN 数据融合 ................................................. 22

§4.1 数据融合详解 ................................................ 22

§4.1.1 数据融合的理论基础 ...................................... 23

§4.1.2 数据融合技术现状 ........................................ 24

§4.2 数据融合算法实现 ............................................ 26

§4.2.1 数据融合的指标 .......................................... 26

§4.2.2 基于分簇的簇内数据融合算法实现 .......................... 27

第五章仿真实验与分析 ............................................... 32

§5.1 硬件融合设计的仿真实验与分析 ................................ 32

§5.2 算法仿真实验和分析 .......................................... 34

§5.2.1 分簇路由算法仿真实验和分析 .............................. 34

§5.2.2 基于分簇的簇内数据融合算法仿真实验和分析 ................ 35

第六章 RFID 与 WSN 融合后的数据管理与应用 ............................ 37

§6.1 集成 RFID 数据和 SENSOR 数据的关系数据模型设计 ................ 37

§6.1.1 集成关系模型基本描述 .................................... 37

§6.1.2 动态关系数据模型 ........................................ 38

§6.1.3 实体和关系表 ............................................ 39

§6.2 该数据模型在仓库存储中的应用 ................................ 40

第七章总结展望 ..................................................... 43

参考文献 ............................................................ 44

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 48

致谢 ................................................................ 49

第一章绪论

§1.1 课题背景

随着科技飞速发展，诞生了一种新的技术—物联网，它将是未来互联网中的

一个重要组成部分，相信在不久的将来能给人民、企业甚至是整个社会带来很多

方便和机遇。目前，物联网广义的一个定义是：按照特定的协议，将各种信息传

感设备，如射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种装

置与互联网结合而形成的一个巨大网络[1-3]。通过该网络我们能够实现信息交换和

通信，从而达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一系列目的。目前的物

联网主要由传感网、通信网和应用系统网三部分组成，其中，传感网：涉及到状

态信号（模拟信号或数字信号），涉及到传感器芯片及技术、射频识别（RFID）技

术等；网络层：连接感知信号与应用系统桥梁，涉及到通信技术（有线通信和无

线通信）、互联网技术等；应用层：普遍与感知终端关系密切，主导应用层的解决

方案，往往是由感应终端厂商提供的，涉及到中间件系统、人工智能、数据处理

与分析、智能算法等[4]。在上述三个部分中感知层是最为重要的，因为该层直接和

现实世界的信息接触，所以，无线传感器网络和 RFID 无线射频技术成为研究的重

点。

无线传感器网络是由很多具有传感环境因素功能的传感节点组成，这些节点

通过寻找自身传输数据所需要的最佳路由路劲，从而自组构建一个通过多跳方式

对数据进行传输的网络。传感器网络能够实现人与自然物体或环境的远程交互。

该网络能够通过部署在监测区域中的传感节点对各种对象进行实时监测和采集，

然后传感器节点将采监测或采集的数据信息通过合适的路由直接(或经过中间节点

进行网内数据处理后)将相关信息传送到 Sink 节点，最后通过外部网络将最终的数

据信息提供给上层应用或用户，真正达到人与自然的远程交互目的。

RFID(Radio Frequency Identification，RFID)无线射频识别，是一种非接触式的

自动识别技术[5]，RFID 依靠磁场、感应等识别原理，具有无需可视传输、可复写、

存储容量大等优点。RFID 有条形码技术无法比拟的优势，所以近几年来其应用越

来越广泛，主要运用于零售、物流、生产、交通等各个行业[6]。

RFID 与WSN 技术是物联网中最重要两个技术点，如何将这两种技术有效的

结合起来实现对物品的智能化识别和管理是现在的一个热点问题。现在 RFID 和

WSN 技术都比较成熟，各自都有其独特的优点，被广泛的应用到各个领域。但是

基于物联传感网的分布式数据融合技术研究

WSN 的应用一直受到传感器节点资源限制，而且在定位跟踪方面是其难点问题，

而RFID 的应用一直受到 RFID 系统中数据传输距离短、容易受干扰等因素的限制，

而RFID 和WSN 的优缺点可以形成互补，所以，可以将 WSN 与RFID 结合起来

在物联网中发挥最大优势，实现高效的识别和管理。

§1.2 国内外研究现状

现在 RFID 技术和 WSN 技术已经被广泛的应用在各个领域，它们都是新兴起

来的技术，还有很多有待发掘的技术特点，所以关于两者的研究有很多，如何将

两种技术融合在一起达到功能互补的功效是研究重点。一方面，RFID 的应用一直

受抗干扰性较差，读写距离短等因素的制约，而 WSN 在抗干扰能力和传输距离方

面有其独特优势，刚好可以很好的解决 RFID 应用中因为这些限制因素而带来的问

题。另一方面，无线传感器网络中节点自身的位置信息对于整个网络来说是比较

重要的，无线传感器网络必须通过额外的（如 GPS）硬件设施来获取节点自身的

位置信息，这无疑增加了成本和整个网络的通信量，而 RFID 技术对节点的定位有

着很好的优势，通过 RFID 的定位跟踪技术可以很好的降低硬件设备的成本以及整

个网络中的数据通信量。

数据处理是传感器网络和 RFID 系统的核心，两者在数据处理层次结构和需要

研究的关键技术上有着很大的相似性和交叉点。

目前国内外对 RFID 技术与 WSN 技术的融合的研究才刚刚开始，但是其融

合是未来发展的一个趋势，所以，还有很多方面的结合点有待挖掘。目前关于 RFID

技术和 WSN 技术融合的研究主要集中在以下几个方面：

●RFID 与WSN 的融合

虽然现在有一些关于 RFID 与WSN 技术融合的研究，但是很多这些研究要么

随着技术的进步已经过时，要么缺少一个全面的研究分析，缺乏理论基础。在文

献[7]中提到 3类融合技术：

1．第一种类型：集成有 RFID 电子标签、传感器节点以及智能站的异构网络

架构，其中智能站用于收集 RFID 和WSN 两个网络中的数据信息。

2．第二种类型：将阅读器和传感器节点集成到一个设备中。

3．第三种类型：设计一种包含有传感器节点和电子标签的智能标签。

●RFID 和WSN 融合体系结构

RFID 系统和 WSN 系统各自的体系架构都比较成熟了，但是物联网中需要将

两者结合在一起发挥最大优势，而当前对于两者融合体系结构研究还比较少。现

在，主要有异构、分布式智能节点、智能 RFID 传感器标签等 3种RFID 与WSN

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摘要：

摘要物联网是一种通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目前的物联网主要由传感网、通信网和应用系统网即感知层、网络层和应用层三部分组成，在上述三个部分中感知层是最为重要的，因为该层直接和现实世界的信息接触，所以，无线传感器网络和RFID无线射频技术将作为重点研究对象。在RFID的实际应用中，电子标签只能标志物体的一些基本信息，无法通过电子标签获取物体的状态及该状态与环境之间的变化信息，而且RFID传输距离较短。无线传感器网络的发展一直受到包括能量...

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