基于RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤問題研究

1 引言

射頻識別（RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)（以下通稱RFID技術(shù)）。RFID是利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的，它是自動識別領(lǐng)域的一個重要分支。RFID具有一次處理多個標(biāo)簽并可將處理狀態(tài)寫入標(biāo)簽、不受大小及形狀限制、耐環(huán)境性強(qiáng)、穿透性強(qiáng)、數(shù)據(jù)的記憶容量大、可重復(fù)利用等許多優(yōu)點。因此，近年來RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、國防等眾多領(lǐng)域，在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等諸多行業(yè)中顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，并將對整個社會信息化水平的提高，以及加強(qiáng)國防安全等產(chǎn)生廣泛的影響，其前景是非常可觀的。[1][2]

盡管RFID也會經(jīng)常被描述成一種基于標(biāo)簽的，并用于識別目標(biāo)的傳感器，但是相對于通常意義上的傳感器，RFID讀寫器還是有很多缺點。因為一個標(biāo)簽所能存儲的僅僅是一個唯一的識別碼，并不能實時感應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的改變。而且，RFID系統(tǒng)的讀寫范圍也受到讀寫器與標(biāo)簽之間距離的影響。因此提高RFID系統(tǒng)的感應(yīng)能力，擴(kuò)大RFID系統(tǒng)的覆蓋能力是亟待解決的問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量功率低、體積小、價格便宜、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)，其目的是協(xié)同地感知、采集、處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的信息并將其提供給用戶（以下簡稱WSN）。目前WSN已經(jīng)受到了全世界的大范圍關(guān)注，成為了熱門的研究領(lǐng)域。WSN整合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算、自動控制技術(shù)、無線通訊技術(shù)，并且能夠?qū)崟r的檢測、感應(yīng)、收集周圍的環(huán)境信息。[3][4]

隨著RFID和WSN技術(shù)的發(fā)展以及各領(lǐng)域應(yīng)用越來越高的需求，RFID和WSN整合和集成已成為必然的發(fā)展趨勢。其一，新一代RFID標(biāo)簽，尤其是主動RFID標(biāo)簽通常已經(jīng)嵌入了傳感功能。此外，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，常常需要對個體傳感器或目標(biāo)對象進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和識別。傳感和識別技術(shù)集成，加上全局IT和通信系統(tǒng)的配置，能讓人們對物理世界的狀態(tài)有更深刻的認(rèn)識，并用以指導(dǎo)或改變?nèi)藗兣c物理環(huán)境的交互方式，實現(xiàn)對許多領(lǐng)域更為有效的交互和管理，如后勤管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、住宅管理與控制、安全維護(hù)以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。

RFID和WSN的應(yīng)用領(lǐng)域有所不同。大部分的WSN都是應(yīng)用在有計劃的對物理環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)中，而RFID則是應(yīng)用在供應(yīng)鏈中的單品識別。盡管RFID和WSN在很多方面都有不同，但是兩者都是通過信息技術(shù)與物理世界相聯(lián)系，具備相結(jié)合的條件。
本文在充分研究了RFID和WSN技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了將RFID讀寫器與傳感器網(wǎng)絡(luò)相整合的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)不僅可以擴(kuò)大RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍并且可以擴(kuò)展RFID信息系統(tǒng)的信息種類。我們還初步將這一RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤問題的解決，得到了較好的實驗結(jié)果。

2 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1 RFID 系統(tǒng)

典型的RFID系統(tǒng)如圖1所示，是由電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Read/Write Device）、天線（Antenna）以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換、管理的計算機(jī)系統(tǒng)等組成。[5]

圖1 典型RFID系統(tǒng)組成

電子標(biāo)簽分為有源和無源兩種，存儲著需要被識別物品的相關(guān)信息，通常被放置在需要識別的物品上，它所存儲的信息通?？杀蛔x寫器通過非接觸方式獲取。讀寫器由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成，由讀寫器讀出的標(biāo)簽信息可以通過計算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。RFID天線就是閱讀器和標(biāo)簽用來發(fā)送能量的裝置，目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。計算機(jī)系統(tǒng)通常用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通信傳輸?shù)裙δ?。讀寫器可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)連接，以便實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.2 WSN系統(tǒng)

傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(SINK節(jié)點)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點按多跳方式進(jìn)行傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量微小、低功耗、低價格的傳感器節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點都在有限的能力和存儲空間基礎(chǔ)上運行具有并發(fā)操作、環(huán)境監(jiān)測、無線通信等特征的應(yīng)用程序。這些節(jié)點通過各類傳感、通信裝置與其所處的環(huán)境實現(xiàn)交互。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般具有小尺寸和低功耗、能量有限、通信和計算能力有限、動態(tài)性、分布式以及以數(shù)據(jù)為中心等特點。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.3 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)