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物联网-智慧传输-基于WSN的EPC物联网系统的研究.pdf
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物联网-智慧传输-基于WSN的EPC物联网系统的研究.pdf
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摘要
I
基于 WSN 的 EPC 物联网系统的研究
摘要
在数字世界与物理世界高速融合的今天,EPC 物联网走’进了人’们的生’活。EPC,即
电子产品码,它实质上是产品信息
’
沟通的纽
’
带,通过
RFID
射
’
频识别技
’
术实现了对产品
信’息的自’动识别。无’线传’感器网’络 WSN 是’由大’量部’署在特’定区’域的传’感器节’点构成,
且节’点之间通’过无线多’跳自’组织的’方式进’ 行通信。本文在物’联网理’念的基’础上从 EPC
系’ 统入手,介绍了 EPC 物’联网网’络体系的组’成,包括编’码体系、射频识’别系统、信息
网
’
络系统,并分
’
析了整
’
个系统的工
’
作原理;然后介绍了无
’
线传
’
感器
’
节点的
’
结构和
’
无线
传’感器网’ 络的关’键技术。针对 EPC 物’联网系统中射频识别模块在能耗和标签重复识读
两方面的不足,将 RFID 技术与 WSN 的传感器节点进行集成,提出了’ 一种基于’WSN
的’EPC’ 物’ 联网系’统改’进方’案:将 EPC 标’签读写’器集成’到传感’器节点中,取 代原’有的传
感
’
器模块,形成读
’
写器智
’
能节点,分别从能
’
耗和标签
’
过滤机制两
’
个方面对改进
’
方案进
’
行 MATLAB 仿真实验:
①能耗:对改’进后的读写’器智能节’点采用’一种类’似传感’器节点的节’能工作方式,
将其工’作’状’态分为:读状态、写状态、等’待状态和睡’眠状态,根据需’要选择合’适的工
作状态,保
’
证了读
’
写器智能节
’
点对有限
’
能量的高
’
效利用。通过仿
’
真结果发现,读写器
’
电池的使’用寿命从 30 个小时提’高到 1.2 年,充分验’证了节能方’案的可’行性和有’效性。
②标’签过’滤:利用节’点的多’跳机制和’处理’器模块’协同工’作,读’写器智’能节点’将接
收的标’签信息’在缓’存列’ 表中进行’缓存,通过将接’收的标’签信息与缓’存列表中已’有的标
签信
’
息进行对比,接收新
’
的标签信息,放弃重
’
复识读的标
’
签信息,很大程
’
度上减少了
’
网络的信’息传输量,提高了信’ 息的转发效’率,减缓了信’息在网络中的传’ 输延迟,很好’
地解决了标’签被重’复识’读的问题。
最后对本文的研究内容和不足分别进行了总结和分析,为下一步更深层次的研究提
出展望和规划。
关键词:物联网,
RFID
,
EPC
,
WSN
,传感器节点,能耗,标签过滤
Abstract
II
RESEARCHONTHESYSTEMOFEPCINTERNETOF
THINGSBASEDONWSN
ABSTRACT
Withhigh-speedintegrationofthedigitalworldandthephysicalworldtoday,EPC
internetofthingscomesintoourlives.EPC,electronicproductcode,whichislinkofproduct
anditsinformation.ItcanrealizeautomaticidentificationofinformationthroughRFID
technology.WSNsarecomposedwithmanysensornodesdeployedinaspecificarea,and
sensornodescommunicatewitheachotherviamulti-hopandself-organized.Inthispaper,the
researchstartsfromEPCsystem,introducesthecomponentsofEPCsystem,includingcoding
systems,RFIDsystems,informationnetworks,andanalyzeshowitworks.Itintroducesthe
structureofthesensornodesandkeytechnologiesofWSN.Tothetwodeficienciesofradio
frequencyidentificationmoduleinEPCsystemwhichareenergyconsumptionandlabel
repeatreading,weproposeaWSN-basedsystemschemetoimproveitsperformance:The
EPCtagreaderisintegratedintothesensornodes,replacethesensormodule,tobeintelligent
readernodes,anddoMATLABsimulatingexperimenttotheimprovedschemeseparately
fromtwoaspectswhicharetheenergyconsumptionandthelabelfilteringmechanism:
① Onenergyconsumption:Theintelligentreadernodeusesanenergy-workingstate,
whichissimilarwiththeworkingstateofwirelesssensornode.Thestateisdividedinto
reading,writing,waitingandsleeping.Itchoosestheappropriateworkingstateaccordingto
needtoensurehighenergyefficiency.Wefindthatthelifeofthebatteryfrom30hoursriseto
1.2yearsthroughsimulatingresults,fullyverifythefeasibilityandeffectivenessoftheenergy
savingmethod.
②Onlabelfiltering:Theintelligentreadernodestoresthereceivedinformationinbuffer
listtemporarilybymultiplehopmechanismandprocessorofnodes.Comparingthereceived
informationwiththeexistedinformationinbufferlist,receivingthenewcominginformation
andgivinguptherepeatedinformation.Asaresult,thismechanismreducesthenetwork
traffictosomeextent,improvestheefficiencyandslowsdownthedelayofinformation
transmissionandthensolvestheproblemofrepeatedreading.
Finally,thepapersummarizesthecontentandanalyzesthelimitationsofresearch,and
proposestheprospectandplanningofthefurtherresearch.
KeyWords: IoT,RFID,EPC,WSN,sensornode,energyconsumption,tagfiltering
目录
III
目录
第一章绪论
........................................................................................................................
1
1.1 研究背景
...............................................................................................................
1
1.2 研究目的及内容
....................................................................................................
2
1.3 国内外相关领域的研究现状
................................................................................
3
1.4 论文的组织结构
....................................................................................................
4
第二章 基于物联网架构的 EPC 系统研究
..........................................................................
5
2.1EPC 系统组成
........................................................................................................
5
2.2EPC 编码体系
........................................................................................................
5
2.2.1EPC 编码结构
..............................................................................................
6
2.2.2EPC 编码特点
..............................................................................................
8
2.3 射频识别系统
........................................................................................................
8
2.3.1EPC 标签
......................................................................................................
8
2.3.2EPC 标签读写器
........................................................................................
10
2.3.3RFID 系统工作原理
..................................................................................
11
2.4 信息网络系统
......................................................................................................
11
2.4.1EPC 中间件
................................................................................................
12
2.4.2 对象名称解析服务 ONS
.............................................................................
12
2.4.3 实体标记语言 PML
....................................................................................
15
2.4.4EPC 信息服务 EPCIS
.................................................................................
15
2.5EPC 系统的工作原理
...........................................................................................
17
2.6 本章小结
.............................................................................................................
18
第三章 无线传感器网络中的关键技术
............................................................................
19
3.1 无线传感器网络的结构
......................................................................................
19
3.1.1 传感器节点
...............................................................................................
19
3.1.2 汇聚节点
...................................................................................................
20
3.2WSN 的关键技术
...................................................................................................
21
3.2.1 自组织管理
...............................................................................................
22
3.2.2 能耗
..........................................................................................................
22
3.2.3 多跳路由
...................................................................................................
22
3.2.4 通信协议
...................................................................................................
23
3.3 本章小结
.............................................................................................................
24
目录
IV
第四章 基于 WSN 的 EPC 物联网系统研究
........................................................................
25
4.1WSN 与 RFID 集成方案研究
.................................................................................
25
4.1.1WSN 与 RFID 集成的契机
...........................................................................
25
4.1.2WSN 与 RFID 集成方案的设计
...................................................................
25
4.2 集成方案与 EPC 物联网系统的融合
...................................................................
29
4.3 本章小结
.............................................................................................................
30
第五章 仿真实验与结果分析
...........................................................................................
31
5.1 实验平台介绍
......................................................................................................
31
5.2 集成方案的能耗仿真
..........................................................................................
31
5.2.1 普通 RFID 读写器的电池寿命仿真
..........................................................
32
5.2.2 集成方案中读写器模块执行一次读操作的耗时仿真
.............................
33
5.2.3 集成方案中读写器模块识读时的平均电流仿真
.....................................
34
5.2.4 读写器智能节点电池寿命仿真
................................................................
35
5.3 集成方案的标签过滤机制仿真分析
...................................................................
38
5.4 本章小结
.............................................................................................................
39
第六章总结与展望
..........................................................................................................
40
参考文献
..............................................................................................................................
41
个人简历 在读期间发表的学术论文
...............................................................................
44
致谢
.....................................................................................................................................
45
第一章绪论
1
第一章绪论
1.1 研究背景
在信’息时’代快’速发’展’的今天,在人与’人、人’与’物、物’与’物通信的迫切需求下,物’
联网应运’而生。物联网
[1,2]
(InternetofThings,简称 IoT),是通过射频识别技术 RFID
(RadioFrequencyIdentification)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息感知
设备,按一
’
定的协
’
议将所
’
有物
’’
体与互
’
联网连
’
接起
’
来,进行信
’
息交
’
换和通
’
信,以实
’
现智
’
能 化的 识 ’ 别 、定’ 位、跟’ 踪、监’’控’ 和’管’理的一’种网络。物’ 联网应’用十’分广’泛,遍’及智’
能交’通、环’境保’护、政’府工作、公共’安全、平安’家居、智能’消防、工业’监测、老人’护
理、个人’ 健康等多’个领’ 域。当物’联网时’代到来,人’ 类的生’活会变’ 得更’加高’ 效智能
[3]
:
司机
’
出现
’
操作
’
失误
’
时汽
’
车警
’
报器
’
会自
’
动报
’
警;公文
’
包内
’
置的
’
语音
’
系统
’
会提
’
示主
’
人忘
’
带了’ 什么’东西;衣’服内’的感知’ 装置’会根’据自’身材’质布’ 料向’洗’衣机’反馈’其对’ 水温’和颜’
色的’要求’等等。
尤其是在物流行业,伴随着商品’经济一’体化的发’展,物品的交换和运输行为也日趋
增多。特别是近二十年,第三方物流、精益物流等新
’
的物流服
’
务模式
[4]
的不断出现,迫
切要’求现有的信’息技术可以提’供更智能、更互’联、更精’准的支持’和服务。在此背景下,
自动识别技术越来越发挥出不可估量的作用,成为了链接物流产品和信息的纽带,其中
发展最为成熟的就是条码’技术。条码’技术
[5]
作’为一种最’常见的图’像识别技术,在 全世界
得到了广泛的应用和推广。但是条码
’
技术目
’
前也暴露出
’
了种种缺陷:
(1)条码’由于’其自’ 身的’特点,信息’ 容量’十分’有限,仅仅’能识’别一类’产品,而无’
法识’别单’个产’品;
(2)条码’技术’属’于可’视传’播技’术,即扫’ 描仪’必’须“看’见”条’码才’能读’取它;
(
3
)必须
’
通过逐
’
一手
’
动扫
’
描来识
’
别产品,而无法同
’
时识别
’
多个产品;
(4)如果’条码被’撕裂、污’损或者’脱落,就无’法识别’相对’ 应的’产品。
自 2004 年’以来,RFID 技’术的概’念在各大’媒体不’断涌现。它利’用射’频信’号通’过交’
变磁’场或电’ 磁场’的空’间耦’合,实现无’接触式’的信’息传递’从而’达到’自动’识别的目’的。
RFID
具
’
有以
’
下特
’
点
[6]
:
(1)可以’标识’单个’物体,而不’像条’码仅’用来’ 识别’一类物体;
(2)可以非’ 接触地’远距’离同’时识’ 别多’个物体,而条’码仅’能近’距离一个一’ 个地识’
别;
(
3
)信息
’
容量
’
非常
’
大;
(4)识’别工’作无’须人’工干’预,可工’作在’各种’ 环境’之下,具有很强的环’境适’应性。
针’ 对’RFID’ 技’ 术的种’种优势,1999 年’美国麻’省理工’学院’ 的’Auto-ID’中’心在美’国统’
一代’码委’员会’的支’持下,将 RFID’与’Internet结’合,提出了’EPC
[7]
(ElectronicProductCode,
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