無線傳感網(wǎng)圖書定位系統(tǒng)的算法研究及實(shí)現(xiàn)

劉慶敖，楊軍，王朦

（1.空軍第一航空學(xué)院，河南信陽464000；2.國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖南長沙410006）

無線傳感網(wǎng)圖書定位系統(tǒng)的算法研究及實(shí)現(xiàn)

劉慶敖1，楊軍1，王朦2

（1.空軍第一航空學(xué)院，河南信陽464000；2.國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖南長沙410006）

為提高圖書館圖書的管理效率，設(shè)計了基于RFID的無線傳感技術(shù)的圖書定位系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提出了一種基于RFID閱讀器感應(yīng)的圖書虛路徑跟蹤算法，根據(jù)標(biāo)簽識別號把跟蹤向量分成不同的向量組，解決時間冗余跟蹤向量處理、乒乓效應(yīng)處理等問題，通過標(biāo)簽路徑提取實(shí)現(xiàn)圖書的跟蹤定位。設(shè)計了具有信息采集、通訊、定位等功能的圖書定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圍繞低功耗核心，給出傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，具有良好的部署性和擴(kuò)展性。完成原型系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，驗證了系統(tǒng)的有效性。

圖書定位系統(tǒng)；無線射頻技術(shù)；無線傳感網(wǎng)；虛路徑跟蹤算法

長期以來，傳統(tǒng)的圖書館主要采用人工方式對圖書進(jìn)行日常管理，處理過程繁瑣、效率低下。條形碼技術(shù)出現(xiàn)后，與計算機(jī)相結(jié)合提高了圖書管理的效率。但是，條形碼只能通過掃描儀識別圖書，無法實(shí)時跟蹤圖書的位置，如果出現(xiàn)圖書錯架、亂架，或讀者故意藏書，單純的條形碼技術(shù)就無法解決圖書定位和盤點(diǎn)方面的困難。

無線傳感網(wǎng)（WSN，Wireless Sensor Networks）是新型無線通信網(wǎng)，由大量集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成全分布式網(wǎng)絡(luò)，具有易擴(kuò)展、自組織、健壯性和實(shí)時性等特點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)能以無線方式收集各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后提交管理系統(tǒng)分析處理。

幾種常見識別技術(shù)的性能比較如表1所示。其中，射頻識別技術(shù)(RFID，Radio Frequency Identification)以無線射頻方式對目標(biāo)進(jìn)行非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信加以識別，跟傳統(tǒng)的識別技術(shù)相比有非接觸式、不用人工干預(yù)就能完成信息輸入及處理、更大的寫讀距離、更大的容量、可同時識別多個目標(biāo)、信息可擦寫等明顯優(yōu)勢。

表1 幾種常見識別技術(shù)的性能比較表

把RFID閱讀器同無線傳感網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來，組建基于RFID的無線傳感網(wǎng)，并設(shè)計一個能跟蹤定位粘有RFID標(biāo)簽的圖書基于RFID的虛路徑跟蹤算法。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于RFID的無線傳感網(wǎng)圖書定位系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由安裝RFID閱讀器的傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和信息處理中心組成。

圖1 基于RFID的無線傳感網(wǎng)圖書跟蹤定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RFID閱讀器在書架上按矩陣排列，與無線傳感節(jié)點(diǎn)連接。RFID閱讀器周期性發(fā)出讀標(biāo)簽指令，通過天線轉(zhuǎn)換成電磁信號傳播出去。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品通過閱讀器的可識讀區(qū)域時，標(biāo)簽收到閱讀器的電磁信號，對讀寫器的射頻能量進(jìn)行整流以生成保持標(biāo)簽工作所需的小部分能量，然后解調(diào)讀寫器的指令，并通過反向散射將指令的處理結(jié)果反射給讀寫器，閱讀器接收這些信息后進(jìn)行解碼，獲得電子標(biāo)簽的內(nèi)容信息。

無線傳感節(jié)點(diǎn)接收RFID閱讀器讀取的數(shù)據(jù)，分布眾多的RFID閱讀器節(jié)點(diǎn)組成AdHoc網(wǎng)[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線方式把RFID閱讀器收集到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸至各匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和整合后，送到信息處理中心進(jìn)行分析處理，并根據(jù)用戶指令查詢相應(yīng)結(jié)果。

對于圖書館書架和閱覽區(qū)，難以部署密集的有線鏈路?；赗FID的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以不依賴其他基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施獨(dú)立組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，具有良好的部署性和擴(kuò)展性[2]。

2 一種基于RFID閱讀器的圖書虛路徑跟蹤算法

本文提出一種基于RFID閱讀器的圖書虛路徑跟蹤算法，利用位置固定且已知的RFID讀取器實(shí)現(xiàn)對處于動態(tài)并帶RFID標(biāo)簽的書籍位置的跟蹤定位。

該算法的依據(jù)是：RFID系統(tǒng)的讀取距離很短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連接RFID閱讀器的WSN節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑。當(dāng)RFID閱讀器感知到一個RFID標(biāo)簽時，該標(biāo)簽一定在這個閱讀器的讀寫范圍之內(nèi)。RFID虛路徑跟蹤算法就是用讀到的閱讀器的地理位置來表示標(biāo)簽的地理位置[3]。把被讀取（即被跟蹤）的RFID標(biāo)簽的標(biāo)簽識別ID、閱讀器的感知時間及讀取該標(biāo)簽信息的RFID閱讀器識別號等3個參數(shù)的集合叫做跟蹤向量。每讀取到一個標(biāo)簽就生成一個跟蹤向量，同時把讀到的數(shù)據(jù)發(fā)到信息處理中心以計算跟蹤路徑。

圖2 基于RFID閱讀器的圖書虛路徑圖

如圖2所示，中以成矩陣分布的黑框點(diǎn)表示聯(lián)網(wǎng)后的RFID閱讀器中的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)貼有RFID標(biāo)簽的物體從該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)（1,1）行進(jìn)到（4,1），其實(shí)際路徑由圖中實(shí)線示出，這時標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)被（1,1）、（4,1）兩個節(jié)點(diǎn)的RFID讀取器感測并讀取到標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。在實(shí)際中路徑會呈現(xiàn)出不規(guī)則性，因此定位到和實(shí)際路徑完全相同的路徑是不可能的，所以特定的精度要求在系統(tǒng)中只能得到近似滿足。在RFID讀取器網(wǎng)絡(luò)中，標(biāo)簽從（1,1）行進(jìn)到（4,1）的實(shí)際路徑由連接兩個節(jié)點(diǎn)的虛直線來表示。因此，該圖顯示的路徑被計算出的虛擬路徑是：

粘有RFID標(biāo)簽的物品在無線網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動的時候會觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的閱讀器生成一系列的跟蹤向量，當(dāng)系統(tǒng)收集到足夠的跟蹤向量后，標(biāo)簽所經(jīng)過的路徑就可以用虛路徑跟蹤算法依據(jù)這些跟蹤向量計算出來。虛路徑跟蹤算法具體有四個步驟：

2.1 跟蹤向量分組

依據(jù)標(biāo)簽識別號將跟蹤向量進(jìn)行分組，把相同標(biāo)簽識別號的向量歸入同一個向量組中，這樣就保證不同向量組內(nèi)包含的標(biāo)簽識別號肯定是不同的。向量組和RFID標(biāo)簽一一對應(yīng)，每個向量組之間是互不關(guān)聯(lián)的。系統(tǒng)先獨(dú)立計算出各個向量組，再計算在無線網(wǎng)中的標(biāo)簽的跟蹤向量[4]。

跟蹤向量根據(jù)閱讀器感測到標(biāo)簽的時間來排序，其時間順序如下：

2.2 時間冗余的跟蹤向量處理

如果在同一時間不同的閱讀器感測到了同一個RFID標(biāo)簽，產(chǎn)生了多個跟蹤向量，當(dāng)標(biāo)簽位于多個讀寫器的感應(yīng)范圍，會產(chǎn)生多條記錄信息[5]。將RFID的覆蓋范圍分成3個區(qū)，分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，每個區(qū)域設(shè)置一個區(qū)域核心，如圖3中的A1、A2、B1、B2、C1、C2所示。在A區(qū)內(nèi)，每個標(biāo)簽只能被1個閱讀器識別，以閱讀器的編號表示標(biāo)簽的位置，如A1、A2。在B區(qū)內(nèi)，每個標(biāo)簽被兩個閱讀器同時識別，以區(qū)域的中心點(diǎn)B1、B2標(biāo)示。在C區(qū)內(nèi)，每個標(biāo)簽被三個閱讀器同時識別，以區(qū)域的中心點(diǎn)C1、C2標(biāo)示。

管理系統(tǒng)需要根據(jù)接收時間對接收的標(biāo)簽向量進(jìn)行整合，把具有相同時間的標(biāo)簽向量組合成一個標(biāo)簽向量，如下所示。

對于某個時刻存在多個閱讀器標(biāo)識的情況，根據(jù)閱讀器標(biāo)識的關(guān)系，確定標(biāo)簽的關(guān)系。如圖3所示，閱讀器A1和A2同時檢測到標(biāo)簽，則標(biāo)簽的位置在B1；閱讀器A4和A5同時檢測到標(biāo)簽，則標(biāo)簽的位置在B8；閱讀器A3、A5、A6同時檢測到標(biāo)簽，標(biāo)簽的位置在C4。

圖3RFID冗余感應(yīng)區(qū)域的劃分圖

2.3 乒乓效應(yīng)的處理

當(dāng)標(biāo)簽在相鄰的區(qū)域交替出現(xiàn)，會出現(xiàn)乒乓效應(yīng)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生多條跟蹤向量記錄。這些記錄中有冗余信息，需要進(jìn)行壓縮。如圖4所示，標(biāo)簽在A1和B1之間反復(fù)變化，則系統(tǒng)根據(jù)變化的過程對記錄信息進(jìn)行壓縮：

圖4 乒乓效應(yīng)路徑壓縮處理圖

2.4 標(biāo)簽移動路徑提取

經(jīng)過上述3個步驟的處理，將每個時刻的跟蹤向量映射為該時刻的區(qū)域中心，將區(qū)域中心點(diǎn)按照時間順序連接，就可以得到標(biāo)簽的移動路徑。例如標(biāo)簽經(jīng)過的區(qū)域中心依次為：A1、B1、A2、B5、A5、B6、C4，則路徑圖如圖5所示。

圖5 標(biāo)簽移動路徑提取圖

3 圖書跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

如圖6所示，列出了無線傳感網(wǎng)圖書定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。閱讀器在書架上排列成矩陣，每個RFID閱讀器都能夠根據(jù)同時讀取的多個RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)生成跟蹤向量，之后把數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)置于閱讀器的通信模塊，經(jīng)無線傳感網(wǎng)將再把數(shù)據(jù)傳送至管理服務(wù)器，以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)圖書的跟蹤定位。系統(tǒng)主要包括下面幾部分功能：

1）信息采集

系統(tǒng)通過成矩陣固定在書架上的RFID閱讀器實(shí)時采集標(biāo)簽信息，是該系統(tǒng)的基本功能。

2）通訊

系統(tǒng)實(shí)時收集到的各種數(shù)據(jù)傳遞至管理服務(wù)器的任務(wù)由該網(wǎng)絡(luò)中的通信模塊完成。

3）跟蹤定位

管理服務(wù)器根據(jù)貼有RFID標(biāo)簽書目的路徑閱讀器向量，通過虛擬路徑算法確定圖書的位置以及移動路徑。

圖6 無線傳感網(wǎng)圖書定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

由于MSP430F2618單片機(jī)具有超低功耗的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用其作為處理器模塊，而和其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換、收發(fā)數(shù)據(jù)的無線通信模塊則采用CC2520射頻收發(fā)器[6]。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖7，從圖中可以看出傳感器節(jié)點(diǎn)主要組成部分有：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。

圖7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.3 傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計

無線傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖8，其組成部分主要有：基于CC2480芯片的通信模塊、MSP430F2618處理器、1O/100Mbps以太網(wǎng)口、閃存、JTAG調(diào)試端口。數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和發(fā)送控制指令給傳感器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)由匯聚節(jié)點(diǎn)來完成[7]。這種節(jié)點(diǎn)有兩個顯著特點(diǎn)：一是具有較快的運(yùn)行速率，二是具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此對低功耗、響應(yīng)及時等指標(biāo)有較高要求的跟蹤定位系統(tǒng)非常適用。

圖8 圖書跟蹤定位系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件主要由無線網(wǎng)關(guān)軟件、無線傳感網(wǎng)路由和終端節(jié)點(diǎn)軟件組成。路由節(jié)點(diǎn)的功能是采集各終端節(jié)點(diǎn)的信息，并將這些信息發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)；傳感器節(jié)點(diǎn)軟件的功能是采集、處理、發(fā)送RFID閱讀器信息；匯聚節(jié)點(diǎn)的功能是接收、解析、封裝路由節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，傳輸至管理服務(wù)器[8]。

3.4 圖書跟蹤定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在Windows平臺下基于Visual studio開發(fā)環(huán)境、利用C++語言完成圖書跟蹤定位原型系統(tǒng)，管理界面如圖9所示。

圖9 圖書跟蹤定位系統(tǒng)管理界面圖

圖書館分為閱讀區(qū)和藏書區(qū)，閱讀區(qū)每張書桌上設(shè)有1個RFID閱讀器，藏書區(qū)每個書架上設(shè)有2個RFID閱讀器，當(dāng)內(nèi)置電子標(biāo)簽的圖書在移動時，會不斷觸發(fā)閱讀器響應(yīng)，閱讀器對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞給管理服務(wù)器，管理服務(wù)器對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合記錄。管理員通過圖書跟蹤定位系統(tǒng)查詢指定圖書的位置和變化軌跡。圖書處于書架和書桌上，當(dāng)圖書放錯架時，系統(tǒng)會高亮顯示“錯架”，并標(biāo)注當(dāng)前位置。由于定位精度問題，該系統(tǒng)只能定位到某一書架或者書桌，為圖書管理員縮小搜索的范圍。如圖9所示，圖書801221192129備放錯架，突出顯示。

4 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)是一種新型無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以不依賴其他基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施獨(dú)立組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，具有良好的部署性和擴(kuò)展性。把無線傳感網(wǎng)技術(shù)和無線射頻技術(shù)互相融合以組建閱讀器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計基于RFID的虛路徑跟蹤算法，解決定位過程的時間冗余跟蹤向量處理問題和移動的乒乓效應(yīng)問題，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實(shí)現(xiàn)的圖書跟蹤定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和開放性。

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Algorithms study and implementation of book positioning system based on Wireless Sensor Network

LIUQing-ao1,YANGJun1,WANGMeng2
（1.PLAAir Force No.1 Aviation University,Xinyang,Henan,China 464000; 2.College ofComputer,National UniversityofDefense Technology,Changsha,Hunan,China 410006）

To improve the management efficiency of library books,this paper designed a structure of book positioning system based on wireless sensor technology of radio frequency identification(RFID),and proposed a virtual path tracking algorithm based on RFID reader.The trackingvector was divided intodifferent vector groups according to the tag identification number,which solves the problems of time-redundant tracking vector processing and ping-pong effect processing.Furthermore,the tracking and positioning of the books were realized by label path extraction.The structure of the book positioning system with the functions of information gathering, communication and positioning was designed,and the hardware structure of the sensor node and sink node was given around the low power core,which has good deployment and expansibility.The prototype system was designed and implemented to verify the effectiveness ofthe system.

book trackingsystem;RFID;WSN;virtual path trackingalgorithm

10.3969/j.issn.2095-7661.2017.01.009】

TP212.9

A

2095-7661（2017）01-0030-04

2016-12-26

劉慶敖（1972-），男，湖南岳陽人，空軍第一航空學(xué)院圖書館副研究館員，碩士，研究方向：圖書情報、自動控制。