基于RFID传感器网络的目标跟踪问题研究

1 引言

        射频识别（RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术（以下通称RFID技术）。RFID是利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的，它是自动识别领域的一个重要分支。RFID具有一次处理多个标签并可将处理状态写入标签、不受大小及形状限制、耐环境性强、穿透性强、数据的记忆容量大、可重复利用等许多优点。因此，近年来RFID技术已经被广泛应用于社会、经济、国防等众多领域，在制造业、服务业等诸多行业中显示出巨大的发展潜力与应用空间，并将对整个社会信息化水平的提高，以及加强国防安全等产生广泛的影响，其前景是非常可观的。[1][2]

        尽管RFID也会经常被描述成一种基于标签的，并用于识别目标的传感器，但是相对于通常意义上的传感器，RFID读写器还是有很多缺点。因为一个标签所能存储的仅仅是一个唯一的识别码，并不能实时感应当前环境的改变。而且，RFID系统的读写范围也受到读写器与标签之间距离的影响。因此提高RFID系统的感应能力，扩大RFID系统的覆盖能力是亟待解决的问题。

        无线传感器网络（WSN）是由大量功率低、体积小、价格便宜、具有通信与计算能力的微小传感器节点构成的“智能”自治测控网络系统，一般密集布设在无人值守的监控区域，能够根据环境自主完成指定任务，其目的是协同地感知、采集、处理网络覆盖范围内的信息并将其提供给用户（以下简称WSN）。目前WSN已经受到了全世界的大范围关注，成为了热门的研究领域。WSN整合了传感器技术、嵌入式计算、自动控制技术、无线通讯技术，并且能够实时的检测、感应、收集周围的环境信息。[3][4]

        随着RFID和WSN技术的发展以及各领域应用越来越高的需求，RFID和WSN整合和集成已成为必然的发展趋势。其一，新一代RFID标签，尤其是主动RFID标签通常已经嵌入了传感功能。此外，基于传感器网络的应用中，常常需要对个体传感器或目标对象进行发现和识别。传感和识别技术集成，加上全局IT和通信系统的配置，能让人们对物理世界的状态有更深刻的认识，并用以指导或改变人们与物理环境的交互方式，实现对许多领域更为有效的交互和管理，如后勤管理、远程医疗、环境监控、住宅管理与控制、安全维护以及工业应用等领域。

        RFID和WSN的应用领域有所不同。大部分的WSN都是应用在有计划的对物理环境进行监控的系统中，而RFID则是应用在供应链中的单品识别。尽管RFID和WSN在很多方面都有不同，但是两者都是通过信息技术与物理世界相联系，具备相结合的条件。
本文在充分研究了RFID和WSN技术的基础上，提出了将RFID读写器与传感器网络相整合的RFID传感器网络。这一网络不仅可以扩大RFID系统的覆盖范围并且可以扩展RFID信息系统的信息种类。我们还初步将这一RFID传感器网络应用于目标跟踪问题的解决，得到了较好的实验结果。

2 RFID传感器网络

2.1 RFID 系统

        典型的RFID系统如图1所示，是由电子标签（Tag）、读写器（Read/Write Device）、天线（Antenna）以及负责数据交换、管理的计算机系统等组成。[5]

图1 典型RFID系统组成

        电子标签分为有源和无源两种，存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可被读写器通过非接触方式获取。读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成，由读写器读出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。RFID天线就是阅读器和标签用来发送能量的装置，目标是传输最大的能量进出标签芯片。计算机系统通常用于对数据进行管理，完成通信传输等功能。读写器可以通过标准接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传输功能。

2.2 WSN系统

        传感器网络结构如图2所示[6]，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点(SINK节点)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织方式构成网络。传感器节点监测到的数据沿着其它传感器节点按多跳方式进行传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。无线传感器网络由大量微小、低功耗、低价格的传感器节点组成，每个传感器节点都在有限的能力和存储空间基础上运行具有并发操作、环境监测、无线通信等特征的应用程序。这些节点通过各类传感、通信装置与其所处的环境实现交互。传感器网络一般具有小尺寸和低功耗、能量有限、通信和计算能力有限、动态性、分布式以及以数据为中心等特点。

图2 传感器网络体系结构

2.3 RFID传感器网络

        RFID技术和WSN技术具有不同的技术特点，WSN可以监测四面八方感应到的各种信息，但对物品的标识能力却有所缺乏，RFID技术强大的标识物品的能力正好可以弥补；RFID抗干扰性较差，而且无源RFID的有效读取距离一般小于10m，如果能利用WSN长达100M的有效距离，将会拓展RFID技术的应用范围。将RFID和WSN进行集成应用，会极大地推动两项技术的应用。 目前国内外对RFID与WSN的集成技术研究，主要集中在集成传感器的RFID标签、集成的体系架构、以及集成的应用开发等方面。但是，对于将RFID读写器集成到传感器网络中体系架构的研究目前还只是抽象的架构设计。

        RFID 的一个发展趋势是与网络集成，目前RFID网络已经开始逐步走向成熟。将传感器节点集成到RFID系统中可以获取更多所需的环境信息，并且可以扩大RFID系统的识别范围。因此我们设计RFID传感器网络，网络结构如图3所示。

        我们可以利用这一RFID传感器网络对移动的目标进行跟踪定位研究。这一网络拥有大量的传感器节点和RFID读写器，传感器节点可以用来精确的监控移动目标的周围环境，同时RFID读写器可以用来确定目标的移动轨迹，并防止目标进入限制区域。

图3 RFID传感器网络体系结构

3 目标跟踪系统

        移动目标的跟踪定位是最近在供应链领域新涌现出的一个研究内容。目前在这一问题中，WSN应用的比较广泛。

        典型的RFID系统，只能提供有限范围内的单品目标跟踪。例如在仓储管理中，通常是在安全区域的大门进出口处安装RFID读写器设备，经过此处的物品可同时一次性进行识别验证。所有安装了标签的托盘或者物品就在这一刻被确定了当前的位置。

        由于传感器节点体积小、价格低廉、采用无线通信方式，以及传感器网络部署随机，具有自组织性、鲁棒性和隐藏性等特点，无线传感器网络非常适合于移动目标的定位和跟踪。但是传感器节点存在很多硬件资源的限制，还经常遭受外界环境的影响，无线链路受到干扰，网络拓扑结构动态变化，而传感器网络的移动目标跟踪应用具有很强的实时性，因此引入了RFID读写器的传感器网络，可以更好的解决这一问题。

        现代的目标跟踪问题中常常关注着目标移动的曲线，并且伴随着大量的监控信息，例如周围环境的温度，湿度等等。在RFID传感器网络中，RFID读写器负责探测并确定当前移动目标的位置，以及移动的方向，传感器负责搜集目标周围的其他相关信息，并在适当的时候做出报警。

图4 RFID传感器网络中目标跟踪轨迹

4 实验

        在我们的实验中，假设目标的移动轨迹为一条曲线，如图4所示。我们设定一个由16个RFID读写器组成的4 4正方形跟踪区域，由图中虚心圆点标识。实心圆点代表传感器。

        当一个携带标签的移动目标如图中所示由 移动到 ，两点之间的直线被认为是目标移动的轨迹。因此，当目标沿着图中的曲线运动时，由相应的RFID读写器确定其位置，相应顺序激活的RFID读写器为：

               
        在目标的移动过程中，如果接近其中一个传感器，该传感器就会搜集该目标周围环境的相关信息，例如温度、湿度，并且将这些信息通过RFID传感器网络及时传送给计算机管理系统。图中传感器的作用顺序为：

5 结论

        在这篇文章中，我们提出了一个将RFID读写器与无线传感器网络相结合的RFID传感器网络架构，这一架构可以扩大系统的覆盖范围并扩展RFID信息系统的信息种类。我们初步将这一架构应用在移动目标的跟踪定位上，理论上取得一定的进展。未来的研究重点放在这一框架在供应链系统中的实际应用。