【文章內(nèi)容簡介】 技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為內(nèi)部電路供電，其作用距離相對有源較短，但壽命長且工作環(huán)境要求不高。（3）根據(jù)標簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類標簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式即標簽是通過何種形式方法與讀頭之間進行數(shù)據(jù)交換，據(jù)此RFID可分為主動式、被動式和半主動式。主動式標簽用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器；被動式標簽使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用閱讀器的載波來調(diào)制自己的信號，該類技術(shù)適合用在門禁或交通應(yīng)用中，因為閱讀器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的標簽。在有障礙物的情況下，用調(diào)制散射方式，閱讀器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動方式的標簽發(fā)射的信號僅穿過障礙物一次，因此主動方式工作的標簽主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離更遠（可達100m）。（4）根據(jù)標簽的可讀性分類射頻標簽內(nèi)部使用的存儲器類型不一樣，可以分為可讀寫卡(RW)，一次寫入多次讀出卡(WORM)和只讀卡(RO)，只讀卡標簽內(nèi)一般只有只讀存儲（ROM）和隨即存儲器（RAM）和緩沖存儲器，而可讀寫卡一般還有非活動可編程記憶存儲器。這種存儲器除了存儲數(shù)據(jù)功能外，還具有在適當條件下允許多次寫入數(shù)據(jù)的功能。（5）根據(jù)RFID系統(tǒng)標簽和讀頭之間的通信工作時序分類時序指的是讀頭和標簽的工作次序問題，即是讀頭主動喚醒標（RTF， Reader Talk First）還是標簽首先自報家門（TTF，Tag Talk First）的方式。一般來說，無源標簽一般是TTF方式，TTF系統(tǒng)通信協(xié)議比較簡單，防沖撞能力更強，速度更快。 RFID的基本原理圖25 RFID 的基本原理框圖電子標簽和閱讀器之間通過天線架起空間電磁波傳輸?shù)耐ǖ?。通過射頻信號的耦合將電子標簽上的數(shù)據(jù)傳送給閱讀器。標簽和閱讀器之間的信息交互是采用詢問應(yīng)答的方式進行的，因此必須有嚴格的時序關(guān)系，時序由閱讀器提供。標簽和閱讀器之間可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，標簽存儲的數(shù)據(jù)信息采用對載波的負載調(diào)制方式想閱讀器傳送，閱讀器給標簽的命令和數(shù)據(jù)通常采用載波間隙、脈沖位置調(diào)制、編碼調(diào)制等方法實現(xiàn)傳送。圖26 射頻識別體統(tǒng)模型 RFID的基本工作流程射頻識別系統(tǒng)的基本工作流程是（針對無緣系統(tǒng)）：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡講自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。 射頻信號的耦合類型無線射頻識別操作中的一個關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)的傳輸轉(zhuǎn)換，它發(fā)生在RFID標簽與閱讀器之間，成為耦合（Coupling）。這是通過天線進行的，RFID標簽和閱讀器都有各自的天線。在大多數(shù)無線射頻識別系統(tǒng)中，耦合可以利用電磁波（反向散射），也可以利用磁（感應(yīng)），所用的方法取決于應(yīng)用需求，如成本的高低、尺寸的大小、適度速度、讀取范圍和精確度等。標簽和閱讀器之間的射頻信號的耦合類型如下：①電感耦合。（典型工作頻率：125 kHz、255 kHz、13。56 kHz，典型10～20cm）變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。②電磁反向散射耦合。（典型工作頻率：433 kHz、915 kHz、2。45 kHz、5。8 kHz，典型3～10m）雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位系統(tǒng)和算法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被譽為21世紀最有影響力的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一，傳感器節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多數(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，在目標監(jiān)測與跟蹤、基于位置信息的路由等，節(jié)點的位置信息也是不可缺少的。作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的大規(guī)模見此和追蹤任務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的性能評價標準和分類方法，著重綜述了今年來該領(lǐng)域具有代表性的算法及系統(tǒng)的原理和特點，并指出未來的研究方向。微電機系統(tǒng)（microelectromechanism system，簡稱 MEMS ）、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的進步孕育了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，簡稱 WSN ）。通過部署大量傳感器節(jié)點至目標區(qū)域，WSN 將改變我們與客觀世界的交互方式。從軍事應(yīng)用、目標追蹤、環(huán)境監(jiān)測到空間探索，WSN 的未來應(yīng)用將超出我們的想象力。對于大多數(shù)應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)時沒有意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定時間”，實現(xiàn)對外部目標的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節(jié)點位置信息還可以提高路由效率，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，想部署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡一集網(wǎng)絡(luò)拖布的自配置。而人工部署和為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝 GPS 接收器都會受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現(xiàn)。因此必須采用一定的機制與算法實現(xiàn) WSN 的自身定位。圖31 WSN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等各項技術(shù)。由傳感器、感知對象和觀測者組成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三要素，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀測。其應(yīng)用已經(jīng)由軍事領(lǐng)域擴展到了醫(yī)療衛(wèi)生、遠程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)和工業(yè)等領(lǐng)域。WSN 結(jié)構(gòu)如圖31所示。大量傳感器布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近， 能通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐步地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由到匯聚節(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WSN 進行配置和管理，發(fā)布檢測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖32 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)和算法的定性分類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括大量的節(jié)點，對每個節(jié)點精確定位的布置是難以實現(xiàn)的。而缺少位置信息的傳感數(shù)據(jù)，通常無法使用甚至沒有意義?；谝苿有艠说奈粗?jié)點定位有很多優(yōu)點，如定位成本低、容易達到很高的定位精度、易于實現(xiàn)三維定位等。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)和算法的分類有以下幾種：（1）絕對定位與相對定位。絕對定位于物理定位類似，定位結(jié)果是一個坐標位置，如經(jīng)緯度。而相對定位通常是以網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點為參考，建立整個網(wǎng)絡(luò)的相對坐標系統(tǒng)。（2）物理定位與符號定位。經(jīng)緯度就是物理位置，而某個節(jié)點在建筑物得123號房間就是符號位置。一定條件下，物理定位和符號定位可以相互轉(zhuǎn)換。與物理定位相比，符號定位適用于某些特定的應(yīng)用場合。（3）集中式計算與分布式計算定位。集中計算是指把所需信息傳送到某個中心節(jié)點，并在哪里進行節(jié)點定位計算的方式；分布式計算是指一來節(jié)點間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點自行計算的定位方式。（4）移動信標與固定信標定位。移動信標節(jié)點是一類裝備了GPS或其他定位裝置的可移動節(jié)點，它在移動的過程中周期性發(fā)布自己的位置信息?；谝苿有艠说奈粗?jié)點定位有很多優(yōu)點，如定位成本低、容易達到很高的定位精度、可實現(xiàn)分布式定位計算、易于實現(xiàn)三維定位等。而固定信標節(jié)點是一類裝備了GPS或其他定位裝置的不可移動節(jié)點。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)和算法評價標準從1992年 ATamp。T Laboratories Cambridge 開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng) Active Badge至今，研究者們一直致力于這一領(lǐng)域的研究。事實上，已有許多系統(tǒng)和算法能夠解決 WSN 自身定位問題。但是，每種系統(tǒng)和算法都用來解決不同的問題或支持不通過的應(yīng)用，他們在用于定位的物理現(xiàn)象、網(wǎng)絡(luò)組成、能量需求、基礎(chǔ)設(shè)施和時空的復(fù)雜性等許多方面有所不同。WSN 自身定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響其可用性，如何評價他們是一個重要的問題，下面定性地討論幾個常用的評價標準。（1）定位精度。定位技術(shù)首要的評價指標就是定位精度，一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例表示。例如，定位精度為20%表示定位誤差相當于節(jié)點無線射程的20%。也有部分定位系統(tǒng)將二維網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域劃分為網(wǎng)格，其定位結(jié)果的精度也就是網(wǎng)格的大小，如微軟的 RADAR , Wireless Corporation 的 Radio Camera 等。（2）規(guī)模。不同的定位系統(tǒng)或算法也許可在園區(qū)內(nèi)、建筑物內(nèi)、一層建筑物或僅僅是一個房間內(nèi)實現(xiàn)定位。另外，給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或在一段時間內(nèi)，一種技術(shù)可以定位多少目標也是一個重要的評價指標。例如，RADAR 系統(tǒng)僅可在建筑物的一層內(nèi)實現(xiàn)目標定位，劍橋的 Active Office 定位系統(tǒng)每200ms 定位一個節(jié)點。（3）錨節(jié)點密度。錨節(jié)點定位通常依賴人工部署或GPS實現(xiàn)。人工部署的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制，還嚴重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴展性。而是用 GPS 定位，錨節(jié)點的費用會比普通節(jié)點高兩個數(shù)量級，這意味著及時僅有10%的節(jié)點是錨節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)的價格也將增加10倍。因此，錨節(jié)點密度也是評價定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標之一。（4）節(jié)點密度。在 WSN 中，節(jié)點密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費用的增加，而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。節(jié)點密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示。許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響，如 DVHop 算法僅可在節(jié)點密集部署的情況下合理地估算節(jié)點位置。（5）容錯性和自適應(yīng)行。通常，定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備。但在真實應(yīng)用場合中常會有諸如以下的問題：外界環(huán)境中存在嚴重的多徑傳播、衰減、非視距（nonlineofsight ，簡稱 NLOS）、通信盲點等問題；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于周圍環(huán)境或自身原因（如電池耗盡、物理損傷）而出現(xiàn)失效的問題；外界影響和節(jié)點硬件精度限制早晨各節(jié)點或使用其他高精度的測量手段常常是十分困難或不可行的。因此，定位系統(tǒng)和算法的軟、硬件必須具有很強的容錯性和自適應(yīng)性，能夠通過自動調(diào)整或重構(gòu)糾正錯誤、適應(yīng)環(huán)境、減小各種誤差的影響，以提高定位精度。（6）功耗。功耗是對 WSN 的設(shè)計和實現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點電池能量有限，因此在保證定位精度的前提下，與功耗密切相關(guān)的定位所需的計算量、通信開銷、存儲開銷、時間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標。（7）代價。定位系統(tǒng)或算法的代價可從幾個不同方面來評價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間?？臻g代價包括一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量、硬件尺寸等。資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點設(shè)備的總費用。上述7個性能指標不僅是評價 WSN 自身定位系統(tǒng)和算法的標準，也是其設(shè)計和實現(xiàn)的優(yōu)化目標。為了實現(xiàn)這些目標的優(yōu)化，有大量的研究工作需要完成。同時，這些性能指標是相互關(guān)聯(lián)的，必須根據(jù)應(yīng)用的具體需求做出權(quán)衡，以選擇和設(shè)計合適的定位技術(shù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及算法簡析無線定位技術(shù)是用來測量處于無線網(wǎng)絡(luò)中移動物體(人和物)位置的測量方法或計算方法。節(jié)點定位算法分為兩類: 基于距離(range based)的定位算法和距離無關(guān)(range free)的定位算法前者需要測量節(jié)點間的距離和角度信息，再使用三邊測量法、三角測量法等來計算節(jié)點位置；后者僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點定位，降低了對節(jié)點硬件的要求，但是定位誤差也相應(yīng)地有所增加。 基于距離的定位算法及定位技術(shù)（1）TOA(Time of Arrival)到達時間（TOA）技術(shù)通過測量信號傳播時間來測量距離。在兩個節(jié)點時間同步的前提下，發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個信號給接收節(jié)點,同時發(fā)送一個同步信息，告知接收節(jié)點信號發(fā)送的時間，接收節(jié)點接收信號的同時接收同步信號，并記錄接收信號的時間。在已知信號傳播速度的條件下，根據(jù)信號的傳播時間來計算與發(fā)送節(jié)點間的距離，然后，利用三邊測量或極大似然估計算法計算出節(jié)點位置。TOA的精確性高，但也要求節(jié)點間保持精確的時間同步，因此,對傳感器節(jié)點的硬件和功耗的要求也相當高。TOA定位只需要收發(fā)節(jié)點的同步，對帶寬的消耗小,適用于窄帶系統(tǒng)的定位。在 TOA 方法中，若電波從錨節(jié)點到未知節(jié)點的傳播時間為，電波傳播速度為，則錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離為。TOA 要求接收信號的錨節(jié)點或未知節(jié)點知道信號開始傳輸?shù)臅r刻，并要求節(jié)點有非常精確的時鐘。這種方式在絕大多數(shù)的WSM的應(yīng)用中是很難實現(xiàn)的。（2）TDOA(Time Difference of Arrival)時間差（TDOA）是最為流行的一種定位方法， 在GSM和CDMA中應(yīng)用廣泛。事先確定接受端位置的三維坐標，通過測量同一信號到達任意兩個接收端的時間差,或兩種不同信號到達同一節(jié)點所產(chǎn)生的時間差，可以計算發(fā)射點與接收端的距離差。根據(jù)這個差值和兩個接收端的位置構(gòu)建一個雙曲線，確定一個2D平面坐標，至少需要2個雙曲線(TDOA值),3D環(huán)境則至少需要3個值。TDOA方法不要求知道信號傳播的具體時間，還可以消除或減少在所有接收機上由于信道產(chǎn)生的共同誤差，在通常情況下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成離服務(wù)基站近的移動臺發(fā)射功率小，使得相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差。由于這種方法不是采用到達的絕對時間來確定節(jié)點的位置，降低了對時間同步的要求，但是仍然需要較精確的計時功能，并且硬件上要有超聲波發(fā)送和接受裝置，增加了節(jié)點的成本和體積，同時由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布密集和無線通信范圍小的特點，這種方法大規(guī)模的應(yīng)用難度較大。（3）AOA(Angle of Arrival)到達角（AOA）方法需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加智能天線(SA)才可實現(xiàn)，由兩個或更多基站通過測量接受信號的到達角來估計移動用戶的位置。接收機通過天線陣列測出電波的入射角，從而構(gòu)成一根從接收機到發(fā)射機的徑向連線，即測位線，移動臺的二維位置坐標可通過兩根測位線的交點獲得。通過計算信號到達任意兩個接收端各自的入射角度，以及從接收端引出的兩條射線的交點，可以得到發(fā)射點的位置。在障礙物較多的環(huán)境中，由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大，定位精度較低，尤