WSN節點定位算法與RFID在食品安全監測中的應用

薛麗瑩，王 健

(東北林業大學信息與計算機工程學院，150040)

現階段，食品安全問題已成為全社會廣泛關注的熱點話題，食品安全關乎每個人的身體健康和社會的穩定發展。要提高食品安全最直接、最有效的方法就是建立食品溯源系統。保證消費者餐桌上的食品都能明確農產品生產基地、生產過程等相關信息，不但使消費者能吃到放心的食品，而且做到有源可查。一旦食品質量在消費者端出現問題，可以通過食品標簽上的溯源碼進行聯網查詢，查出該食品的生產企業、食品的產地、具體農戶等全部流通信息，明確事故方相應的法律責任，該系統對食品安全與食品行業自我約束具有相當重要的意義。

本文主要介紹RFID和WSN融合的技術，通過標簽、閱讀器、中間件的設計，構建一個能夠對節點進行定位，以及節點及周圍環境監測的保證食品安全的完整系統［1］。進而實現對食品的追蹤和溯源，保證食品安全。

1 RFID和WSN融合技術

射頻識別即RFID(Radio Frequency IDentification)技術，又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID技術是能夠讓物品“開口說話”的一種技術，RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，通過無線數據通信網絡把它們自動采集到中央信息系統，實現對物品的“透明”管理。［2］隨著科技的不斷發展，自動化不斷為人們的生活提供方便，對目標的定位不斷成為人們的普遍需求，比如對個體的定位和對周圍環境的實時監測都要借助WSN技術和傳感器技術。

RFID技術和WSN技術是兩種不同的技術，RFID技術主要用于存儲物品的詳細位置和信息，并且保證能夠與RFID閱讀器進行信息交互，傳感器節點具有對周圍溫度、氣壓等得感知，并且實時上傳感知信息，WSN節點可以通過多跳自組織網絡對目標進行定位。當前的WSN都是分布式的無中心節點的網絡系統，大部分的研究都集中于網內數據信息處理機制，形成了一系列比較完善和成熟的傳感器網絡技術。但是目前并沒有出現一個成熟的標準體制來支持多樣化的傳感器網絡以滿足不同的用戶需求，相較而言RFID的標準體系成熟得多。無線傳感器網絡的單跳傳輸距離可以達到100～200 m，Zigbee和WLAN可以很好的支持WSN的多跳通信，多跳通信的方式也可以用于RFID中。RFID具有WSN所缺乏的物品標志能力，但是RFID不能對物品狀態以及周圍環境進行監測。如何使得RFID標簽或者閱讀器也具有多跳通信的能力以擴展RFID的工作范圍，如何使得WSN網絡具有RFID的標志能力，并將WSN對物體狀態與環境信息的監測能力賦予RFID系統，是RFID與WSN技術在物聯網下協作方式的研究重點［3］。本文討論的就是將RFID技術和無線傳感器網絡定位技術的結合，主要研究適合應用于牲畜飼養場的技術，以提高飼養的科學性，保證食品安全，另外為飼養員提供方便。

1 節點設計

從RFID技術與WSN技術相融合的應用上來看，在平時通過傳感器監測個體的體溫、周圍環境的溫度、濕度、氣壓、光線強度等數據，以及RFID閱讀器獲知生豬個體的詳細信息，WSN技術對個體位置進行定位。節點設計上需要將RFID標簽和傳感器相融合，RFID標簽作為每個個體的唯一標識，里面儲有很多個體的相關信息，而傳感器是固定在個體上用來監測個體體溫以及周圍環境的溫度、濕度以及光線強度等，使帶有傳感器的RFID標簽具有監測能力;RFID標簽與WSN節點相融合應用于定位和監測過程中，主要是將RFID標簽和WSN節點融合起來，所有節點形成一個典型的多跳自組織網絡，通信采用多級跳的形式，傳輸范圍和傳輸能力大大增強，在此網絡中應用最適合的定位算法，隨時對節點進行定位;RFID閱讀器與WSN節點相融合，融合后形成智能節點兼具RFID閱讀器和WSN節點的功能，RFID閱讀器可以閱讀網絡中的RFID標簽，而WSN節點又形成了多跳自組織網絡，使智能節點能夠在監測周圍環境的時候，對自身進行定位，將數據傳回WSN基站［4］。

2 實現對節點的定位

根據定位算法是否需要通過物理測量來獲得節點之間的距離 (角度)信息，可以把定位算法分為基于測距的 (Range-Based)定位算法和非基于測距的 (Range-Free)定位算法兩類。前者是利用測量得到的距離或角度信息來進行位置計算，而后者一般是利用節點的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計節點間的距離或角度，并完成位置估計。基于測距的定位算法總體上能取得較好的定位精度，但在硬件成本和功耗上受到一些限制。為節省功耗，本文選擇后者與此設計相結合。

本設計中，RFID閱讀器相當于錨節點，其位置已知;其他RFID標簽相當于未知節點，需要通過錨節點的位置信息來對其進行定位。本算法采用非測距算法，基于蜂窩網絡區域劃分的節點定位算法，該算法采用單元形狀為正六邊形的網絡布局，即蜂窩網絡的形狀，由于單元的幾何特征比較特殊，故每個正六邊形單元既可以進行內部劃分，且劃分區域仍然可以保證為正三角形，同時也可以向外部各向同性地拓展網絡。未知節點隨機地分布在整個網絡的邊界以內。

單元蜂窩網絡中未知節點的定位可以分為兩個步驟。

步驟一:未知節點接收來自錨節點的跳數信息。對于任意一個未知節點Pn，其會接收到來自單元中7個錨節點M1、M2、…、M7距其的跳數信息，這些跳數中的前6個元素構成節點Pn的跳數矩陣Hn。其中

第7個錨節點位于單元中心，位置比較特殊，故不在跳數矩陣中討論。由于通信半徑R在未調節參數之前，其值等于任意相鄰錨節點之間的距離。即

R=dij(其中i，j為相鄰錨節點序號)

且兩個節點之間的距離若在通信半徑范圍內，則跳數h=1。

步驟二:通過循環查找n個未知節點的跳數矩陣中跳數值為1的元素個數，來確定未知節點所在的區域，用nsum(i)來統計第i個未知節點的跳數矩陣中跳數值為1的元素個數，則一共會有以下4種情況。

圖1 nsum(i)的取值情況在單元中的分布圖Fig.1 Distribution of nsum(i)value in the unit

(1)nsum(i)=0，對應于圖1中的0區(位于單元中心錨節點附近的灰色填充區域)。

(2)nsum(i)=1，對應于圖1中的1區(位于單元頂點處錨節點附近的斜剖面線區域)。

(3)nsum(i)=2，對應于圖1中的2區(圖中沒有做標記的空白區域)下面對未知節點所在的具體區域進行定位分析。根據平均跳數值AVEhik與設定的臨界跳數值q的關系，判斷平均跳數值AVEhik與設定的臨界跳數值q的關系，確定未知節點i所在的具體區域。如圖2所示，與q的關系如下:

若AVEhi4〈q且AVEhi5〈q且AVEhi6〈q，則將未知節點i定位在2a區域中點A點;

若AVEhi4〉q且AVEhi5〉q且AVEhi6〈q，則將未知節點i定位在2b區域中點B點;

若AVEhi4〉q且AVEhi5〉q且AVEhi6〉q，則將未知節點i定位在2c區域中點C點;

若AVEhi4〈q且AVEhi5〉q且AVEhi6〉q，則將未知節點i定位在2d區域中點D點;

對于其他可能出現的情況，由于出現幾率較小，故將其他情況下未知節點i都定位在第2號正三角形區域的中點E處。

利用上述方法，位于第2號正三角形區域中的未知節點i即可完成定位。當未知節點位于其他單元區域時，同理可以實現未知節點在各自區域內的定位。

(4)nsum(i)=3，對應于圖1中的3區(位于單元頂點處錨節點到中心錨節點連線上的垂直剖面線區域)。

(5)誤差區，位于0區的周圍 (圖1中散點表示的區域)。

圖2 nsum(i)=2時節點定位算法示例圖Fig.2 Node location algorithm when nsum(i)=2

3 在實踐中應用

生產過程透明化對于食品安全來說無疑是一個基礎，所以我們將此應用于常見的牲畜飼養場中。在飼養場中，由于受到距離的限制，對電子標簽的遠距離識別要提供相應的解決方法。

無源RFID的電子標簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉換接收到的讀寫器發送的電磁波而獲得，所以其讀寫器的發射功率一般較大［5］。與之相反，有源RFID的電子標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而相應讀寫器的發射功率要求不高，而且有效閱讀距離也較前者有所增加。根據實際情況，由于飼養場內標簽與讀寫器的直線距離有時達到100 m左右，為達到標簽讀卡器等覆蓋無盲區的效果，要選用有源RFID電子標簽，能夠提供遠距離通信。

為方便飼養場自動化，提高在生豬飼養場中養殖方法的科學性，由于生豬外形基本相似，無法準確區分，所以無法獲知個體的詳細信息，如出生地點、飼養時間、身體狀況等，也不能對生豬的生活環境進行準確把握。因而，若將RFID技術和無線傳感器網絡技術應用于生豬養殖，在生豬身上貼好RFID標簽即相當于定位算法中所有未知節點，在飼養場周圍布置RFID閱讀器即充當定位算法六邊形各個頂點上得節點。飼養人員就可以通過遠程控制的方式，實時了解個體的準確位置以及身體狀況等個體信息，并通過傳感器對牲畜生活的溫度、適度、光線等進行調節，以達到最適合生豬生長的標準環境。

本文通過在具有代表性的標準飼養場實施本實驗，在生豬的耳朵上固定電子標簽，在豬舍的四個角落安裝讀寫器，并在豬舍前后設置兩個監測地點，安裝讀寫器。通過對豬舍內的溫度監測和豬的身體狀況監測，每1 h傳回一次監測數據，通過對監測數據的分析和處理，讓飼養員實時了解豬舍內的各種狀況，保證了連續的信息采集。數據傳回基站，并對數據進行處理和存儲，以便當產品溯源時提供相應完整的數據信息。在飼養場中使用本技術，不僅為飼養員的管理提供實時準確的參考數據，也為消費者提供飼養過程中的詳細信息，從根本上保證了食品安全。

4 結束語

本文所提出的將RFID技術和WSN技術相結合，技術上主要側重于對個體的位置定位和對周圍環境的監測控制。通過新技術的引入，能夠提高飼養場飼養技術的科學性，也能通過對牲畜的實時監測，提高周圍環境質量，從而達到為食品安全把關，為食品溯源提供實時有效數據的目的。在物聯網發展迅速的今天，提高人機交互能力，實現養殖生產自動化已經成為我們進入新時代的強烈要求。雖然現在RFID技術與WSN技術相融合并沒有達到很成熟的階段，正是這種情況促使我們要加快對兩種技術融合的開發、改善、應用的腳步。

［1］王 芳，君成國.WSN與RFID技術在產品監測中的應用［J］.軟件，2011，32(8):24-26.

［2］游戰清.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［3］聶 濤，陸 陽.RFID與WSN在物聯網下協同機制的分析［J］.計算機應用究，2011，26(6):2006-2010.

［4］劉國梅，王 艷.基于RFID和WSN的養殖場管理系統網絡架構［J］.農機化研究，2010，(6):193-196.

［5］林宇洪，林 森，邱榮祖.基于RFID的林產品原料追溯導流的設計［J］.森林工程，2011，27(4):34-37.