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