門禁系統(tǒng)中的RFID時(shí)隙防沖突算法

孫 潔，趙春晨

(河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

將RFID技術(shù)應(yīng)用于門禁系統(tǒng)是門禁設(shè)備發(fā)展的一個(gè)新方向，門禁設(shè)備通過自身攜帶的RFID閱讀器，讀取帶有身份信息的電子標(biāo)簽并加以判斷，從而獲取秘鑰并以高度安全的方式進(jìn)行門控操作。

RFID射頻識別技術(shù)是一種自動(dòng)識別技術(shù)，它通過無線射頻方式獲取目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對目標(biāo)加以識別。RFID技術(shù)的構(gòu)成主要有兩部分:電子標(biāo)簽和閱讀器。被識別目標(biāo)的信息由電子標(biāo)簽承載，電子標(biāo)簽包含電子芯片和天線，電子芯片用來存儲目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)，天線用來收發(fā)無線射頻。電子標(biāo)簽的天線通過無線電波將目標(biāo)的數(shù)據(jù)發(fā)射到附近的RFID閱讀器，RFID閱讀器就會(huì)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理。

圖1 RFID門禁系統(tǒng)組成框圖

1 RFID門禁系統(tǒng)的組成

RFID門禁系統(tǒng)主要由門禁控制器、讀卡器、電控鎖、識別卡片、其他設(shè)備、傳輸部分所組成。其中控制器是門禁系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信息處理、存儲和控制;讀卡器用來讀取識別卡中的相關(guān)身份數(shù)據(jù);電控鎖是門禁系統(tǒng)當(dāng)中的執(zhí)行部件，按照不同場合的的使用要求，可將其分為電磁鎖、陽極鎖、陰極鎖;其他設(shè)備主要包括時(shí)鐘、存儲器、電源;傳輸部分是指系統(tǒng)當(dāng)中與后臺監(jiān)控設(shè)備相連的通信網(wǎng)絡(luò)。RFID門禁系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

2 門禁系統(tǒng)防碰撞

在RFID門禁系統(tǒng)中，可能會(huì)有1個(gè)以上的電子標(biāo)簽同時(shí)處于閱讀器的工作范圍內(nèi)，這樣當(dāng)有多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的干擾，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致一次傳輸?shù)氖?，因此必須制定相?yīng)的通信方式來解決這個(gè)問題。一般情況閱讀器與電子標(biāo)簽的通信方式主要有三種，分為從一個(gè)閱讀器到多個(gè)電子標(biāo)簽的無線廣播式，從多個(gè)電子標(biāo)簽到一個(gè)閱讀器的多路存取式，以及多個(gè)閱讀器給多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的形式。

碰撞問題主要發(fā)生在多路存取方式中，因此需要用到多路存取法解決防碰撞問題。在無線通信中，多路存取法主要有空分多路法(SDMA)、頻分多路法(FDMA)、碼分多路法(CDMA)和時(shí)分多路法(TDMA)。在RFID系統(tǒng)中，根據(jù)其通信的特點(diǎn)，空分法、頻分法和碼分法在應(yīng)用中受到一定的限制，只能應(yīng)用到一些特定的環(huán)境，一般系統(tǒng)主要采用時(shí)分多路法(TDMA)，而時(shí)隙法便是時(shí)分多路法的一種。

3 時(shí)隙法的分析與描述

每個(gè)電子標(biāo)簽中都存儲有唯一的二進(jìn)制代碼，閱讀器通過識別此代碼來建立與電子標(biāo)簽的通信。當(dāng)閱讀器范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽多于一個(gè)的時(shí)候，閱讀器在同一時(shí)間內(nèi)無法同時(shí)接受到這些代碼，便產(chǎn)生了沖突。而時(shí)隙法是將一段時(shí)間分成若干小段后，在分配給若干電子標(biāo)簽，使每個(gè)電子標(biāo)簽對應(yīng)于唯一的一段時(shí)隙，已解決沖突的問題。需要注意的是電子標(biāo)簽的數(shù)目和時(shí)隙的數(shù)目不一定相等，當(dāng)電子標(biāo)簽數(shù)小于時(shí)隙數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)空閑的時(shí)隙，當(dāng)電子標(biāo)簽數(shù)大于時(shí)隙數(shù)時(shí)，有些時(shí)隙會(huì)再次分配給多個(gè)電子標(biāo)簽。

對于時(shí)隙法而言，當(dāng)前時(shí)隙識別的電子標(biāo)簽數(shù)目只與前一次時(shí)隙后識別的電子標(biāo)簽數(shù)有關(guān)，即每次能夠識別的數(shù)目只取決于相鄰前一次識別的數(shù)目，因此可以通過引入馬爾可夫鏈來分析時(shí)隙法。馬爾可夫鏈?zhǔn)蔷哂旭R爾可夫性質(zhì)的離散時(shí)間隨機(jī)過程。在該過程中，在給定當(dāng)前信息的情況下，過去(即當(dāng)期以前的歷史狀態(tài))對于預(yù)測將來(即當(dāng)期以后的未來狀態(tài))是無關(guān)的。設(shè)pij=q(Xn+1=j/Xn=i)為轉(zhuǎn)移概率，下面用馬爾科夫鏈建立時(shí)隙法的數(shù)學(xué)模型。

一次時(shí)隙后識別的電子標(biāo)簽數(shù)目與前一次時(shí)隙相比有三種情況，即j＜i，j＞i，j=i，其中j是當(dāng)前識別數(shù)，i是前次識別數(shù)。

對于第一種情況j＜i不符合實(shí)際邏輯，則可知pij=0;

對于第二種情況j＞i，有如下轉(zhuǎn)移概率:

(2)式表示在固定的時(shí)間段內(nèi)恰有一個(gè)電子標(biāo)簽的時(shí)隙數(shù)量為r的概率。Nn表示n個(gè)電子標(biāo)簽被分配給N個(gè)時(shí)隙的所有分配方法;表示從N個(gè)時(shí)隙中選出r個(gè)時(shí)隙，從而建立起與同等數(shù)量的電子標(biāo)簽一對一鏈接，以成功完成數(shù)據(jù)傳輸;表示從電子標(biāo)簽中一一選出r個(gè)電子標(biāo)簽;H(N－r，n－r)表示將剩下的n－r電子標(biāo)簽分配給N－r個(gè)時(shí)隙。注意必須要排除一對一的分配情況，否則會(huì)出現(xiàn)重復(fù)，H(N－r，n－r)可帶入公式(3)計(jì)算得到。

綜合上面的敘述，可以得到時(shí)隙法的轉(zhuǎn)移概率

到此，時(shí)隙法的馬爾可夫鏈數(shù)學(xué)模型表述完成。

4 時(shí)隙法的性能表述

上面所得的轉(zhuǎn)移概率是一矩陣，記為P=［pij］，而對于馬爾科夫鏈來說，其性質(zhì)是離散的無限的，因此存在一個(gè)向量表示穩(wěn)態(tài)概率分布，記此向量為Τ=［t0，t1，……，tm］，而這個(gè)穩(wěn)態(tài)概率向量可以通過線性方程組來計(jì)算。下面給出計(jì)算公式，從而可以確定時(shí)隙數(shù)與電子標(biāo)簽識別之間存在的關(guān)系。

(8)式中T是特征值對應(yīng)的特征向量，(9)式E表示識別電子標(biāo)簽數(shù)量的數(shù)學(xué)期望。

根據(jù)上述公式，通過MATLAB軟件仿真可以得出定時(shí)隙數(shù)和標(biāo)簽識別成功率之間的關(guān)系圖如圖2所示。

在時(shí)隙數(shù)為固定值15個(gè)，一個(gè)閱讀器范圍內(nèi)電子標(biāo)簽的數(shù)目為20個(gè)的情況下，根據(jù)圖2可知，當(dāng)系統(tǒng)中只有一個(gè)電子標(biāo)簽的時(shí)候，閱讀器識別標(biāo)簽100%成功。隨著電子標(biāo)簽數(shù)量的增加，閱讀器識別標(biāo)簽的成功率有所下降，當(dāng)電子標(biāo)簽數(shù)量達(dá)到8個(gè)左右時(shí)，閱讀器成功識別率趨于平穩(wěn)，直到電子標(biāo)簽的數(shù)量為15個(gè)以上時(shí)，即開始超過給定時(shí)隙數(shù)時(shí)，閱讀器的識別率才大幅度下降。

圖2 時(shí)隙數(shù)固定識別成功率隨標(biāo)簽變化關(guān)系圖

5 小結(jié)

目前，將RFID技術(shù)應(yīng)用與門禁設(shè)備相結(jié)合是門禁系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，為了提高門禁系統(tǒng)管控效率，改善對于電子身份標(biāo)簽讀取的碰撞問題，本文描述了時(shí)隙防碰撞算法，并引用馬爾可夫鏈為電子標(biāo)簽防碰撞識別建立數(shù)學(xué)模型，通過對其性能分析得出在定時(shí)隙的情況下電子標(biāo)簽的變化與識別成功率之間的關(guān)系，從而為門禁系統(tǒng)合理規(guī)劃標(biāo)簽提供了幫助，并可以此為根據(jù)，通過改變時(shí)隙數(shù)來獲取門禁識別范圍內(nèi)同時(shí)處理的最佳電子標(biāo)簽數(shù)目。

［1］ 黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻識別(RFID)核心技術(shù)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［2］ 劉青，杜江.RFID防碰撞算法中ALOHA算法的研究［J］.科技信息信息，2012，18:113-118.

［3］ 劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論［M］.科學(xué)出版社，2011.

［4］ 崔沂峰，陳平，張景元.RFID電子標(biāo)簽防碰撞算法的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23:233-234.

［5］ 謝振華，賴聲禮，陳鵬.RFID技術(shù)和防沖撞算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43:223-225.