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(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RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)、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(duì)整個(gè)社會(huì)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?？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(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(jì)算、自動(dòng)控制技術(shù)、無線通訊技術(shù)，并且能夠?qū)崟r(shí)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(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(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?？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(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?。讀寫器可以通過標(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)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(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)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(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(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、無線通信等特征的應(yīng)用程序。這些節(jié)點(diǎn)通過各類傳感、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)

        RFID技術(shù)和WSN技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，WSN可以監(jiān)測四面八方感應(yīng)到的各種信息，但對(duì)物品的標(biāo)識(shí)能力卻有所缺乏，RFID技術(shù)強(qiáng)大的標(biāo)識(shí)物品的能力正好可以彌補(bǔ)；RFID抗干擾性較差，而且無源RFID的有效讀取距離一般小于10m，如果能利用WSN長達(dá)100M的有效距離，將會(huì)拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍。將RFID和WSN進(jìn)行集成應(yīng)用，會(huì)極大地推動(dòng)兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。 目前國內(nèi)外對(duì)RFID與WSN的集成技術(shù)研究，主要集中在集成傳感器的RFID標(biāo)簽、集成的體系架構(gòu)、以及集成的應(yīng)用開發(fā)等方面。但是，對(duì)于將RFID讀寫器集成到傳感器網(wǎng)絡(luò)中體系架構(gòu)的研究目前還只是抽象的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

        RFID 的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與網(wǎng)絡(luò)集成，目前RFID網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始逐步走向成熟。將傳感器節(jié)點(diǎn)集成到RFID系統(tǒng)中可以獲取更多所需的環(huán)境信息，并且可以擴(kuò)大RFID系統(tǒng)的識(shí)別范圍。因此我們?cè)O(shè)計(jì)RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        我們可以利用這一RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位研究。這一網(wǎng)絡(luò)擁有大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID讀寫器，傳感器節(jié)點(diǎn)可以用來精確的監(jiān)控移動(dòng)目標(biāo)的周圍環(huán)境，同時(shí)RFID讀寫器可以用來確定目標(biāo)的移動(dòng)軌跡，并防止目標(biāo)進(jìn)入限制區(qū)域。

圖3 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

3 目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)

        移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位是最近在供應(yīng)鏈領(lǐng)域新涌現(xiàn)出的一個(gè)研究內(nèi)容。目前在這一問題中，WSN應(yīng)用的比較廣泛。

        典型的RFID系統(tǒng)，只能提供有限范圍內(nèi)的單品目標(biāo)跟蹤。例如在倉儲(chǔ)管理中，通常是在安全區(qū)域的大門進(jìn)出口處安裝RFID讀寫器設(shè)備，經(jīng)過此處的物品可同時(shí)一次性進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證。所有安裝了標(biāo)簽的托盤或者物品就在這一刻被確定了當(dāng)前的位置。

        由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、價(jià)格低廉、采用無線通信方式，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機(jī)，具有自組織性、魯棒性和隱藏性等特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動(dòng)目標(biāo)的定位和跟蹤。但是傳感器節(jié)點(diǎn)存在很多硬件資源的限制，還經(jīng)常遭受外界環(huán)境的影響，無線鏈路受到干擾，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤應(yīng)用具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，因此引入了RFID讀寫器的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更好的解決這一問題。

        現(xiàn)代的目標(biāo)跟蹤問題中常常關(guān)注著目標(biāo)移動(dòng)的曲線，并且伴隨著大量的監(jiān)控信息，例如周圍環(huán)境的溫度，濕度等等。在RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中，RFID讀寫器負(fù)責(zé)探測并確定當(dāng)前移動(dòng)目標(biāo)的位置，以及移動(dòng)的方向，傳感器負(fù)責(zé)搜集目標(biāo)周圍的其他相關(guān)信息，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候做出報(bào)警。

圖4 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)跟蹤軌跡

4 實(shí)驗(yàn)

        在我們的實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)目標(biāo)的移動(dòng)軌跡為一條曲線，如圖4所示。我們?cè)O(shè)定一個(gè)由16個(gè)RFID讀寫器組成的4 4正方形跟蹤區(qū)域，由圖中虛心圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)。實(shí)心圓點(diǎn)代表傳感器。

        當(dāng)一個(gè)攜帶標(biāo)簽的移動(dòng)目標(biāo)如圖中所示由 移動(dòng)到 ，兩點(diǎn)之間的直線被認(rèn)為是目標(biāo)移動(dòng)的軌跡。因此，當(dāng)目標(biāo)沿著圖中的曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由相應(yīng)的RFID讀寫器確定其位置，相應(yīng)順序激活的RFID讀寫器為：

               
        在目標(biāo)的移動(dòng)過程中，如果接近其中一個(gè)傳感器，該傳感器就會(huì)搜集該目標(biāo)周圍環(huán)境的相關(guān)信息，例如溫度、濕度，并且將這些信息通過RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。圖中傳感器的作用順序?yàn)椋?/p>

5 結(jié)論

        在這篇文章中，我們提出了一個(gè)將RFID讀寫器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這一架構(gòu)可以擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋范圍并擴(kuò)展RFID信息系統(tǒng)的信息種類。我們初步將這一架構(gòu)應(yīng)用在移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位上，理論上取得一定的進(jìn)展。未來的研究重點(diǎn)放在這一框架在供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。