基于RFID傳感器網(wǎng)絡(luò )的目標跟蹤問(wèn)題研究

1 引言

射頻識別（RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)（以下通稱(chēng)RFID技術(shù)）。RFID是利用射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)信息的，它是自動(dòng)識別領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。RFID具有一次處理多個(gè)標簽并可將處理狀態(tài)寫(xiě)入標簽、不受大小及形狀限制、耐環(huán)境性強、穿透性強、數據的記憶容量大、可重復利用等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于社會(huì )、經(jīng)濟、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)展潛力與應用空間，并將對整個(gè)社會(huì )信息化水平的提高，以及加強國防安全等產(chǎn)生廣泛的影響，其前景是非?？捎^(guān)的。[1][2]

盡管RFID也會(huì )經(jīng)常被描述成一種基于標簽的，并用于識別目標的傳感器，但是相對于通常意義上的傳感器，RFID讀寫(xiě)器還是有很多缺點(diǎn)。因為一個(gè)標簽所能存儲的僅僅是一個(gè)唯一的識別碼，并不能實(shí)時(shí)感應當前環(huán)境的改變。而且，RFID系統的讀寫(xiě)范圍也受到讀寫(xiě)器與標簽之間距離的影響。因此提高RFID系統的感應能力，擴大RFID系統的覆蓋能力是亟待解決的問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）是由大量功率低、體積小、價(jià)格便宜、具有通信與計算能力的微小傳感器節點(diǎn)構成的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò )系統，一般密集布設在無(wú)人值守的監控區域，能夠根據環(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 )覆蓋范圍內的信息并將其提供給用戶(hù)（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)、嵌入式計算、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，并且能夠實(shí)時(shí)的檢測、感應、收集周?chē)沫h(huán)境信息。[3][4]

隨著(zhù)RFID和WSN技術(shù)的發(fā)展以及各領(lǐng)域應用越來(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。其一，新一代RFID標簽，尤其是主動(dòng)RFID標簽通常已經(jīng)嵌入了傳感功能。此外，基于傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用中，常常需要對個(gè)體傳感器或目標對象進(jìn)行發(fā)現和識別。傳感和識別技術(shù)集成，加上全局IT和通信系統的配置，能讓人們對物理世界的狀態(tài)有更深刻的認識，并用以指導或改變人們與物理環(huán)境的交互方式，實(shí)現對許多領(lǐng)域更為有效的交互和管理，如后勤管理、遠程醫療、環(huán)境監控、住宅管理與控制、安全維護以及工業(yè)應用等領(lǐng)域。

RFID和WSN的應用領(lǐng)域有所不同。大部分的WSN都是應用在有計劃的對物理環(huán)境進(jìn)行監控的系統中，而RFID則是應用在供應鏈中的單品識別。盡管RFID和WSN在很多方面都有不同，但是兩者都是通過(guò)信息技術(shù)與物理世界相聯(lián)系，具備相結合的條件。
本文在充分研究了RFID和WSN技術(shù)的基礎上，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 )不僅可以擴大RFID系統的覆蓋范圍并且可以擴展RFID信息系統的信息種類(lèi)。我們還初步將這一RFID傳感器網(wǎng)絡(luò )應用于目標跟蹤問(wèn)題的解決，得到了較好的實(shí)驗結果。

2 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò )

2.1 RFID 系統

典型的RFID系統如圖1所示，是由電子標簽（Tag）、讀寫(xiě)器（Read/Write Device）、天線(xiàn)（Antenna）以及負責數據交換、管理的計算機系統等組成。[5]

圖1 典型RFID系統組成

電子標簽分為有源和無(wú)源兩種，存儲著(zhù)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(xiě)器通過(guò)非接觸方式獲取。讀寫(xiě)器由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、天線(xiàn)、控制模塊及接口電路等組成，由讀寫(xiě)器讀出的標簽信息可以通過(guò)計算機以及網(wǎng)絡(luò )系統進(jìn)行管理和信息傳輸。RFID天線(xiàn)就是閱讀器和標簽用來(lái)發(fā)送能量的裝置，目標是傳輸最大的能量進(jìn)出標簽芯片。計算機系統通常用于對數據進(jìn)行管理，完成通信傳輸等功能。讀寫(xiě)器可以通過(guò)標準接口與計算機通信網(wǎng)絡(luò )連接，以便實(shí)現通信和數據傳輸功能。

2.2 WSN系統

傳感器網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示[6]，傳感器網(wǎng)絡(luò )系統通常包括傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)(SINK節點(diǎn))和管理節點(diǎn)。大量傳感器節點(diǎn)隨機部署在監測區域，通過(guò)自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)監測到的數據沿著(zhù)其它傳感器節點(diǎn)按多跳方式進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛星到達管理節點(diǎn)。用戶(hù)通過(guò)管理節點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監測任務(wù)以及收集監測數據。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由大量微小、低功耗、低價(jià)格的傳感器節點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器節點(diǎn)都在有限的能力和存儲空間基礎上運行具有并發(fā)操作、環(huán)境監測、無(wú)線(xiàn)通信等特征的應用程序。這些節點(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(dòng)態(tài)性、分布式以及以數據為中心等特點(diǎn)。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構

2.3 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò )