基于RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤問(wèn)題研究

1 引言

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（以下通稱(chēng)RFID技術(shù)）。RFID是利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息的，它是自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。RFID具有一次處理多個(gè)標(biāo)簽并可將處理狀態(tài)寫(xiě)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(diǎn)。因此，近年來(lái)RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、國(guó)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(duì)整個(gè)社會(huì)信息化水平的提高，以及加強(qiáng)國(guó)防安全等產(chǎn)生廣泛的影響，其前景是非?？捎^的。[1][2]

盡管RFID也會(huì)經(jīng)常被描述成一種基于標(biāo)簽的，并用于識(shí)別目標(biāo)的傳感器，但是相對(duì)于通常意義上的傳感器，RFID讀寫(xiě)器還是有很多缺點(diǎn)。因?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)簽所能存儲(chǔ)的僅僅是一個(gè)唯一的識(shí)別碼，并不能實(shí)時(shí)感應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的改變。而且，RFID系統(tǒng)的讀寫(xiě)范圍也受到讀寫(xiě)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(wèn)題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量功率低、體積小、價(jià)格便宜、具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般密集布設(shè)在無(wú)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(jiǎn)稱(chēng)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(mén)的研究領(lǐng)域。WSN整合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)，并且能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)、感應(yīng)、收集周?chē)沫h(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(lái)越高的需求，RFID和WSN整合和集成已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。其一，新一代RFID標(biāo)簽，尤其是主動(dòng)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(duì)個(gè)體傳感器或目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。傳感和識(shí)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(duì)物理世界的狀態(tài)有更深刻的認(rèn)識(shí)，并用以指導(dǎo)或改變?nèi)藗兣c物理環(huán)境的交互方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)劃的對(duì)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(shí)別。盡管RFID和WSN在很多方面都有不同，但是兩者都是通過(guò)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(xiě)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(lèi)。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(wèn)題的解決，得到了較好的實(shí)驗(yàn)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(xiě)器（Read/Write Device）、天線（Antenna）以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換、管理的計(jì)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(wú)源兩種，存儲(chǔ)著需要被識(shí)別物品的相關(guān)信息，通常被放置在需要識(shí)別的物品上，它所存儲(chǔ)的信息通常可被讀寫(xiě)器通過(guò)非接觸方式獲取。讀寫(xiě)器由無(wú)線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成，由讀寫(xiě)器讀出的標(biāo)簽信息可以通過(guò)計(jì)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(lái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通信傳輸?shù)裙δ堋Ｗx寫(xiě)器可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)連接，以便實(shí)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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(SINK節(jié)點(diǎn))和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點(diǎn)按多跳方式進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量微小、低功耗、低價(jià)格的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都在有限的能力和存儲(chǔ)空間基礎(chǔ)上運(yùn)行具有并發(fā)操作、環(huán)境監(jiān)測(cè)、無(wú)線通信等特征的應(yīng)用程序。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)各類(lèi)傳感、通信裝置與其所處的環(huán)境實(shí)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(jì)算能力有限、動(dòng)態(tài)性、分布式以及以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)。

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)