1 引言
射頻識別（RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)（以下通稱RFID技術(shù)）。RFID是利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)信息的,，它是自動識別領(lǐng)域的一個重要分支。RFID具有一次處理多個標簽并可將處理狀態(tài)寫入標簽,、不受大小及形狀限制,、耐環(huán)境性強、穿透性強,、數(shù)據(jù)的記憶容量大,、可重復(fù)利用等許多優(yōu)點。因此,，近年來RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會,、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?jié)摿εc應(yīng)用空間，并將對整個社會信息化水平的提高,，以及加強國防安全等產(chǎn)生廣泛的影響,，其前景是非常可觀的[1][2],。
盡管RFID也會經(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讀寫器還是有很多缺點,。因為一個標簽所能存儲的僅僅是一個唯一的識別碼，并不能實時感應(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簽之間距離的影響。因此提高RFID系統(tǒng)的感應(yīng)能力,，擴大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、價格便宜,、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構(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),、嵌入式計算,、自動控制技術(shù)、無線通訊技術(shù),，并且能夠?qū)崟r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。其一,，新一代RFID標簽,，尤其是主動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(yīng)用中,，常常需要對個體傳感器或目標對象進行發(fā)現(xiàn)和識別。傳感和識別技術(shù)集成,，加上全局IT和通信系統(tǒng)的配置,，能讓人們對物理世界的狀態(tài)有更深刻的認識，并用以指導(dǎo)或改變?nèi)藗兣c物理環(huán)境的交互方式,，實現(xiàn)對許多領(lǐng)域更為有效的交互和管理,，如后勤管理、遠程醫(yī)療,、環(huán)境監(jiān)控,、住宅管理與控制、安全維護以及工業(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)用在有計劃的對物理環(huán)境進行監(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)不僅可以擴大RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍并且可以擴展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)用于目標跟蹤問題的解決,，得到了較好的實驗結(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，是由電子標簽（Tag）,、讀寫器（Read/Write Device）,、天線（Antenna）以及負責(zé)數(shù)據(jù)交換、管理的計算機系統(tǒng)等組成[5],。
圖1 典型RFID系統(tǒng)組成
電子標簽分為有源和無源兩種,，存儲著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,，由讀寫器讀出的標簽信息可以通過計算機以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行管理和信息傳輸,。RFID天線就是閱讀器和標簽用來發(fā)送能量的裝置，目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片,。計算機系統(tǒng)通常用于對數(shù)據(jù)進行管理,，完成通信傳輸?shù)裙δ堋Ｗx寫器可以通過標準接口與計算機通信網(wǎng)絡(luò)連接,，以便實現(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,、匯聚節(jié)點(SINK節(jié)點)和管理節(jié)點,。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點按多跳方式進行傳輸,，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點,。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理,，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,、低價格的傳感器節(jié)點組成,，每個傳感器節(jié)點都在有限的能力和存儲空間基礎(chǔ)上運行具有并發(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)點通過各類傳感、通信裝置與其所處的環(huán)境實現(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、通信和計算能力有限,、動態(tài)性,、分布式以及以數(shù)據(jù)為中心等特點。
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,，WSN可以監(jiān)測四面八方感應(yīng)到的各種信息,，但對物品的標識能力卻有所缺乏，RFID技術(shù)強大的標識物品的能力正好可以彌補,；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100M的有效距離,，將會拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍,。將RFID和WSN進行集成應(yīng)用，會極大地推動兩項技術(shù)的應(yīng)用,。 目前國內(nèi)外對RFID與WSN的集成技術(shù)研究,，主要集中在集成傳感器的RFID標簽、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,。
RFID 的一個發(fā)展趨勢是與網(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,，并且可以擴大RFID系統(tǒng)的識別范圍,。因此我們設(shè)計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)對移動的目標進行跟蹤定位研究,。這一網(wǎng)絡(luò)擁有大量的傳感器節(jié)點和RFID讀寫器，傳感器節(jié)點可以用來精確的監(jiān)控移動目標的周圍環(huán)境,，同時RFID讀寫器可以用來確定目標的移動軌跡,，并防止目標進入限制區(qū)域。
圖3 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
3 目標跟蹤系統(tǒng)
移動目標的跟蹤定位是最近在供應(yīng)鏈領(lǐng)域新涌現(xiàn)出的一個研究內(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)的單品目標跟蹤,。例如在倉儲管理中,，通常是在安全區(qū)域的大門進出口處安裝RFID讀寫器設(shè)備，經(jīng)過此處的物品可同時一次性進行識別驗證,。所有安裝了標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)點體積小、價格低廉,、采用無線通信方式,，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機，具有自組織性,、魯棒性和隱藏性等特點,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動目標的定位和跟蹤。但是傳感器節(jié)點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)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化,，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動目標跟蹤應(yīng)用具有很強的實時性,，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)代的目標跟蹤問題中常常關(guān)注著目標移動的曲線,，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讀寫器負責(zé)探測并確定當(dāng)前移動目標的位置,，以及移動的方向，傳感器負責(zé)搜集目標周圍的其他相關(guān)信息,，并在適當(dāng)?shù)臅r候做出報警,。
圖4 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標跟蹤軌跡
4 實驗
在我們的實驗中，假設(shè)目標的移動軌跡為一條曲線,，如圖4所示,。我們設(shè)定一個由16個RFID讀寫器組成的4 4正方形跟蹤區(qū)域，由圖中虛心圓點標識,。實心圓點代表傳感器,。
當(dāng)一個攜帶標簽的移動目標如圖中所示由 移動到 ，兩點之間的直線被認為是目標移動的軌跡,。因此,，當(dāng)目標沿著圖中的曲線運動時,，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：
在目標的移動過程中,，如果接近其中一個傳感器,，該傳感器就會搜集該目標周圍環(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)及時傳送給計算機管理系統(tǒng)。圖中傳感器的作用順序為：
5 結(jié)論
在這篇文章中,，我們提出了一個將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)可以擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍并擴展RFID信息系統(tǒng)的信息種類。我們初步將這一架構(gòu)應(yīng)用在移動目標的跟蹤定位上,，理論上取得一定的進展,。未來的研究重點放在這一框架在供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。