基于距離-信號模型的RFID數(shù)據(jù)清洗算法*

吳新淼,李少波,唐向紅,黃海松

(貴州大學(xué) a教育部現(xiàn)代制造技術(shù)重點實驗室；b.機械工程學(xué)院 ,貴陽 550003)

基于距離-信號模型的RFID數(shù)據(jù)清洗算法*

吳新淼a,b,李少波a,b,唐向紅a,b,黃海松a,b

(貴州大學(xué) a教育部現(xiàn)代制造技術(shù)重點實驗室；b.機械工程學(xué)院 ,貴陽 550003)

針對RFID數(shù)據(jù)讀取不確定性造成的數(shù)據(jù)冗余和臟數(shù)據(jù)現(xiàn)象，文章通過標(biāo)簽不同時刻的信號強度估算標(biāo)簽移動的速度和過程時間，利用估算的結(jié)果清除冗余數(shù)據(jù)和臟數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出過程并行執(zhí)行。該方法大大提升了冗余數(shù)據(jù)和臟數(shù)據(jù)清理效果，縮短了算法的執(zhí)行時間，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。仿真實驗表明，文中提出的方法與傳統(tǒng)RFID數(shù)據(jù)清洗算法相比，數(shù)據(jù)清洗效果優(yōu)勢顯著，所需處理時間和空間大幅降低。證明了該算法的可行性。

RFID；數(shù)據(jù)清洗；數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)輸出；并發(fā)執(zhí)行

0 引言

無線射頻識別( radio frequency identification)應(yīng)用系統(tǒng)是由儲存信息標(biāo)簽、采集設(shè)備閱讀器、信息處理應(yīng)用幾個部分構(gòu)成，是一種依靠射頻信號產(chǎn)生感應(yīng)電流激活標(biāo)簽向閱讀器發(fā)射儲存信息的無需接觸的自動化識別技術(shù)[1]。在無線射頻識別系統(tǒng)中，由于標(biāo)簽與閱讀器的特性以及環(huán)境的影響，使RFID原始數(shù)據(jù)存在臟數(shù)據(jù)、冗余讀等問題，并且這些數(shù)據(jù)都是海量的，因此對于RFID原始數(shù)據(jù)的處理是必須的，也是重要的。

文獻[2]提出一種在線清洗框架系統(tǒng)，對多讀和漏讀具有一定的效果，但是由于算法在粒度和滑動窗口的設(shè)置給應(yīng)用范圍帶來了一定的局限性，不利于算法的推廣。文獻[3]提出一種自適應(yīng)確定窗口大小的方法 SMURF ,該方法根據(jù)每個紀元內(nèi)標(biāo)簽的閱讀率和概率論的方法動態(tài)調(diào)整滑動窗口的大小。但是該方法有可能會導(dǎo)致標(biāo)簽數(shù)據(jù)重復(fù)存儲，消耗大量的系統(tǒng)內(nèi)存，導(dǎo)致內(nèi)存溢出，同時也可能造成多讀和漏讀數(shù)據(jù)的問題。文獻[4]提出了一種KAL-RFID數(shù)據(jù)清洗算法，在一定上程度減少了單個閱讀器消極讀、積極讀和延遲問題，但是該算法的隨機性對結(jié)果帶來一定的誤差，同時也沒有解決好冗余讀問題。文獻[5]提出了一種基于偽事件的數(shù)據(jù)清洗算法PSCleaning，該方法中滑動窗口大小的設(shè)置具有隨機性，不利于算法的擴展同時有可能會導(dǎo)致冗余讀。文獻[6] 提出了基于噪音過濾算法和基于hashtable的有序噪音過濾算法，以及基于冗余過濾算法和基于hashtable的冗余過濾算法，雖然該算法對噪音和冗余數(shù)據(jù)有一定的效果，但是由于滑動窗口長度的設(shè)置會導(dǎo)致冗余數(shù)據(jù)。文獻[7]提出了一種自適應(yīng)時間閥值的RFID數(shù)據(jù)清洗算法，該算法中的平均閱讀率的設(shè)置具有很大的隨機性，不同的環(huán)境對閱讀率有很大的影響，從而會造成標(biāo)簽冗余數(shù)據(jù)。

針對如上文獻介紹方法的不足之處，本文提出了一種通過考慮標(biāo)簽在閱讀器輻射范圍中的過程時間(Process Time)，同時將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出分開并發(fā)執(zhí)行的方法，解決了RFID原始數(shù)據(jù)存在的臟數(shù)據(jù)、冗余問題、緩存過大的問題，也提高了算法的運行效率。

1 相關(guān)定義

通常情況下，標(biāo)簽數(shù)據(jù)在預(yù)處理中，都是以一定的數(shù)據(jù)格式被傳輸，標(biāo)準(zhǔn)形式為S(SEPC,RID,timestamp)，其中SEPC為標(biāo)簽的EPC編碼，RID為閱讀器ID，timestamp為標(biāo)簽被采集到的時間戳，本文針對不同緩存隊列，采取不同的數(shù)據(jù)存儲格式。

定義1 ：RFID數(shù)據(jù)的不確定性。

①臟數(shù)據(jù)(DirtyData)：由于周圍環(huán)境的金屬，水，以及標(biāo)簽間沖突的影響，導(dǎo)致了閱讀器對標(biāo)簽的讀取產(chǎn)生誤差，出現(xiàn)了EPC值不正確的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，即臟數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)冗余(DataRedundancy)：閱讀器對其讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽進行多次讀取操作，這樣一個標(biāo)簽數(shù)據(jù)就產(chǎn)生了多個重復(fù)的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)冗余。

③漏讀(NegativeRead)：閱讀器沒有讀到在其讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，即產(chǎn)生了標(biāo)簽數(shù)據(jù)漏讀。

定義2 ：過期性。描述的是標(biāo)簽數(shù)據(jù)在一個緩存隊列中存在的時間長度，例如標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過期時間是13點50分6秒2毫秒，現(xiàn)在時間是13點50分6秒3毫秒，此時標(biāo)簽數(shù)據(jù)就達到過期了，緩存隊列就會刪除這條過期的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，有利于消除冗余數(shù)據(jù)問題，同時也有利于消除數(shù)據(jù)內(nèi)存占有量。

定義3 ：真實數(shù)據(jù)。指的是在讀取緩存隊列中，過期標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取次數(shù)大于或等于重復(fù)閥值μ的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，其中重復(fù)閥值μ是一個標(biāo)簽數(shù)據(jù)被閱讀器采集的次數(shù)，按照已有的經(jīng)驗，一般定義為2。

定義4：過程事件(Process Events)。描述的是貼標(biāo)簽物品從進入閱讀器到離開閱讀器移動的軌跡的過程。

圖1表示了閱讀器正常工作時，其工作輻射的垂直面映射，其中θ為閱讀器讀取范圍的輻射角度，h為閱讀器離貼標(biāo)簽物品的垂直距離，L是過程路程。

圖1 閱讀器輻射范圍

定義5：過程速度(Process Speed)。描述的是貼標(biāo)簽物品在過程事件(Process Events)內(nèi)移動速度V。

定義6：過程路程(Process Distance)。描述的是貼標(biāo)簽物品在過程事件(Process Events)中所移動的距離，如圖1所示，L是過程路程，由幾何關(guān)系可知L=2×h×tan(θ/2)。

定義7：過程時間(Process Time)。描述的是貼標(biāo)簽物品穿過過程路程(Process Distance)所需要的時間T，由s=v×t的關(guān)系，可知T=L/V= 2×h×tan(θ/2)/V，單位是毫秒。

2 距離-信號強度模型

目前，常用的傳播路徑損耗模型有自由空間傳播模型，對數(shù)距離路徑損耗模型和對數(shù)常態(tài)分布模型等。室內(nèi)無線傳播受室內(nèi)環(huán)境變動和室內(nèi)無線信號覆蓋的距離的影響，因此本文用對數(shù)傳播路徑損耗模型來描述本文算法的無線信號傳播模型[8]。

(1)

式中，PL(d)表示距離讀寫器為d的標(biāo)簽所接收到的信號強度，n是路徑損耗指數(shù)，d0是近似地參考距離，d是讀寫器與標(biāo)簽之間的距離，?是服從正態(tài)分布的隨機變量。在實際的應(yīng)用中我們一般采用簡化的模型

(2)

通過公式(2)我們知道距離與信號強度的關(guān)系，為了簡化計算，取d0的距離為1m，則進一步簡化公式(2)得

PL(d)=PL(1)-10nlg(d)

(3)

式中，我們把PL(d)改寫成RSSId，PL(1)改寫成RSSI1，整理得

(4)

(4)式反應(yīng)了信號強度與距離的關(guān)系，n是經(jīng)驗值，RSSI1是一個測量值，都是一個常數(shù)。根據(jù)已知獲取的電子標(biāo)簽的信號強度值就能得到電子標(biāo)簽距離閱讀器的距離。

3 自適應(yīng)過期時間數(shù)據(jù)清洗算法

3.1 清洗框架

本算法清洗框架主要由數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出兩部分組成，兩部分是并發(fā)執(zhí)行的。其中，數(shù)據(jù)處理是對閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行去臟數(shù)據(jù)處理、確定標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過期時間的和冗余處理。數(shù)據(jù)輸出是通過定時器定時對去讀取緩存隊列中的數(shù)據(jù)進行過期標(biāo)簽的檢測以及真實數(shù)據(jù)的輸出，當(dāng)有過期標(biāo)簽數(shù)據(jù)時，通過比較器判斷過期標(biāo)簽數(shù)據(jù)是否是真實標(biāo)簽，從而輸出提交到上層應(yīng)用系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)處理算法結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)處理由沖突檢測機制、計算器、轉(zhuǎn)換器、讀取緩存隊列構(gòu)成，具體的清洗結(jié)構(gòu)如圖2

其中，讀取隊列用于存儲經(jīng)過去計算器處理的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)格式為(EPC,RSSI,timestamp,N,expiretime)，其中EPC為標(biāo)簽的EPC編碼值，RSSI為標(biāo)簽接受到閱讀器發(fā)射的信號強度值，timestamp為標(biāo)簽被采集到的時間，expiretime為標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過期時間。

沖突檢測機制是檢查有無相同標(biāo)簽數(shù)據(jù)，首先從閱讀器獲取一個標(biāo)簽數(shù)據(jù)Q，通過比較在讀取緩存隊列中是個含有該相同標(biāo)簽數(shù)據(jù)來判斷是否沖突，首先，當(dāng)有沖突時，獲取讀取緩存沖突標(biāo)簽數(shù)據(jù)P的N值，當(dāng)N值為1時，新進入的標(biāo)簽數(shù)據(jù)Q必須經(jīng)過計算器處理，然后修改讀取緩存隊列中P的expiretime時間，N值，使P(expiretime)=Q(expiretime)、P(N)=P(N)+1；當(dāng)N值大于1時，通過修改讀取緩存隊列中沖突標(biāo)簽數(shù)據(jù)的N值，使P(N)=P(N)+1；無沖突時，將數(shù)據(jù)Q經(jīng)過轉(zhuǎn)換器處理讀取緩存要求的格式直接插入讀取緩存隊列末尾，其中Q(expiretime)首先為默認一個適當(dāng)值。

圖2 數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換器是用于對閱讀器讀取的新數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換處理，使之統(tǒng)一，利于標(biāo)簽數(shù)據(jù)的處理。

計算器是計算標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過期時間expiretime，通過結(jié)合距離-信號強度傳播模型，計算標(biāo)簽過程速度V和過程時間T。具體思想：首先取首次被連續(xù)采集兩次標(biāo)簽數(shù)據(jù)的信號強度值RSSI，根據(jù)距離-信號強度傳播模型中公式(4)計算出標(biāo)簽在t1時刻和t2時刻處分別離閱讀器的距離d1和d2：

(5)

(6)

如圖1，由圖型幾何知識，計算得標(biāo)簽首次被連續(xù)讀取的不同位置的間隔距離a：

(7)

(8)

T=

然后由expiretime= timestamp+T，計算出expiretime，將計算出來的expiretime加入到(EPC, RSSI,timestamp,N,expiretime)，然后保存到讀取緩存隊列的末尾。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理算法描述

算法的流程圖如圖3，具體的流程步驟如下

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

(1)開始。

(2)初始化參數(shù)數(shù)據(jù)。

(3)啟動閱讀器讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

(4)獲取閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)Q和RSSI值。

(5)Q數(shù)據(jù)經(jīng)過去臟處理后進入到?jīng)_突檢測機制進行檢測，當(dāng)有沖突時，轉(zhuǎn)至步驟(6)，否則，轉(zhuǎn)至步驟(8)。

(6)判斷讀取緩存隊列中和Q數(shù)據(jù)是沖突標(biāo)簽數(shù)據(jù)P的N值，當(dāng)N值大于1時，轉(zhuǎn)至步驟(9)，當(dāng)N值等于1時，轉(zhuǎn)至步驟(7)。

(7)將獲得的Q數(shù)據(jù)以及和P數(shù)據(jù)進行計算器處理，計算標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過期時間expiretime，轉(zhuǎn)至步驟(9)。

(8)Q數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器處理，轉(zhuǎn)換成讀取緩存隊列要求的數(shù)據(jù)格式(EPC,RSSI,timestamp,N,expiretime)，其中expiretime在標(biāo)簽首次被采集到時設(shè)置一個足夠大的默認時間，轉(zhuǎn)至步驟(9)。

(9)根據(jù)相應(yīng)的條件，增加數(shù)據(jù)或者修改讀取緩存隊列中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟(10)。

(10)是否繼續(xù)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，如果是繼續(xù)讀取，轉(zhuǎn)至步驟(3)，否則轉(zhuǎn)至步驟(11)。

(11)結(jié)束。

3.3 數(shù)據(jù)輸出

3.3.1 數(shù)據(jù)輸出算法結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)輸出有定時器、去冗余緩存隊列、過期檢測、比較器組成。具體的數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)如圖4

定時器是用來控制定時從讀取緩存隊列中獲取過期的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并輸出到過期檢測機制進行處理，從而將達到要求的數(shù)據(jù)輸出到應(yīng)用系統(tǒng)的一個過程。

過期檢測機制是處理讀取緩存隊列中數(shù)據(jù)的過期性，具體的處理過程是獲取系統(tǒng)當(dāng)前時間NowTime，通過比較當(dāng)前數(shù)據(jù)與讀取緩存隊列中標(biāo)簽數(shù)據(jù)的expiretime的大小來判定標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過期，當(dāng)NowTime大于或者等于expiretime，輸出此數(shù)據(jù)，否則不輸出。

圖4 數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)

比較器主要判斷從過期檢測機制輸?shù)臉?biāo)簽數(shù)據(jù)N與規(guī)定閥值μ比較，從而判斷標(biāo)簽數(shù)據(jù)是否是真實的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，是真實數(shù)據(jù)就輸出并提交到上層應(yīng)用系統(tǒng)，不是真實數(shù)據(jù)，則不輸出到上層應(yīng)用系統(tǒng)。

3.3.2 數(shù)據(jù)輸出算法描述

算法的流程圖如圖5，具體的流程步驟如下：

(1)開始。

(2)初始化數(shù)據(jù)設(shè)置。

(3)判斷去冗余噪音緩存隊列是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)至步驟(9)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)至步驟(4)。

(4)讀取緩存隊列中標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)過過期檢測，如果有過期數(shù)據(jù)，至步驟(5)，否則，轉(zhuǎn)至步驟(8)。

(5)獲取過期標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

(6)過期數(shù)據(jù)經(jīng)過比較器處理，結(jié)果是真實標(biāo)簽數(shù)據(jù)的，轉(zhuǎn)至步驟(7)，否則 轉(zhuǎn)至步驟(8)。

(7)輸出過期標(biāo)簽數(shù)據(jù)到上層應(yīng)用系統(tǒng)，然后轉(zhuǎn)至步驟(8)。

(8)刪除讀取緩存對中獲得的過期標(biāo)簽數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟(9)。

(9)結(jié)束。

圖5 輸出流程

4 實驗及算法結(jié)果分析

4.1 實驗準(zhǔn)備

實驗?zāi)康氖菧y試本文所提出的算法的性能，證明其適用性。試驗方法是通過標(biāo)簽穿過某倉庫閱讀器型號為CCS2026A的環(huán)境所生成的測試數(shù)據(jù)，然后在處理器為AMD Phenom(tm)Ⅱ×4810 Processor 2.6GHz 、內(nèi)存為2GB的PC機上完成對獲得的測試數(shù)據(jù)進行MATLAB的仿真處理。通過和現(xiàn)有經(jīng)典算法SMURF算法[3]比較來判別該算法的整體性能，從而證明該算法的適用性。

試驗要求的具體裝置：閱讀器型號為CCS2026A，處理器為AMD Phenom(tm)Ⅱ×4810 Processor 2.6GHz 、內(nèi)存為2GB的PC機，大量的測試RFID標(biāo)簽。表一是部分試驗條件的主要參數(shù)。

表1 實驗條件主要參數(shù)及說明

4.2 算法結(jié)果分析

本算法結(jié)果主要從算法緩存大小、輸出標(biāo)簽數(shù)據(jù)個數(shù)、執(zhí)行算法所用時間的角度來分析，通過和經(jīng)典smurf算法的比較來檢驗本文算法的可行性。

從圖6可以看出，傳統(tǒng)的smurf算法緩存大小會隨著標(biāo)簽個數(shù)的增加成倍數(shù)的增大，而本文算法的增長速度卻相比較慢，與傳統(tǒng)的smurf算法相比呈現(xiàn)差距比較大，節(jié)約緩存了空間，產(chǎn)生這結(jié)果是由于本文算法通過將相同數(shù)據(jù)用次數(shù)N值來表示和定期的刪除過期的標(biāo)簽數(shù)據(jù)的方法來節(jié)約緩存空間，從而達到了提高緩存空間的利用率，驗證了方法的可行性。

圖6 緩存大小

從圖7可以看出，經(jīng)典smurf算法和本文算法在標(biāo)簽數(shù)據(jù)輸出個數(shù)時差異不是很大，但是經(jīng)典smurf算法隨著標(biāo)簽的增多，出現(xiàn)了一定的冗余標(biāo)簽數(shù)據(jù)，而本文算法基本上和真實數(shù)據(jù)保持了一致，反應(yīng)了本文算法通過考慮標(biāo)簽在閱讀器輻射范圍內(nèi)的過程時間來消除冗余數(shù)據(jù)的辦法的可行性，從而提高了標(biāo)簽數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖7 數(shù)據(jù)輸出

圖8是從算法運行的時間來比較的一個仿真結(jié)果，從圖中可以看出，本文算法相比于經(jīng)典的sumrf算法，運行的時間得到了減少，說明了本文算法將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出并行處理來節(jié)約算法時間的方法是可行的，從而提高了算法的運行效率，提高了效率。

圖8 算法所用時間

5 結(jié)論

本文針對目前傳統(tǒng)的RFID數(shù)據(jù)清洗算法的一些不足之處，將距離-信號模型運用到數(shù)據(jù)清洗算法中，計算出標(biāo)簽的過程時間，同時將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出分開并行執(zhí)行，運用定時器定時循環(huán)的支持數(shù)據(jù)輸出，縮短了算法的執(zhí)行時間，提高了效率。實驗證明了該算法相比于傳統(tǒng)的SUMRF算法在緩存空間、冗余數(shù)據(jù)清除、算法運行方面，都具有一定的優(yōu)勢，具有很好的可行性。

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(編輯 李秀敏)

A Cleaning Algorithm of RFID Data Based On Distance - Signal Model

WU Xin-miaoa,b,LI Shao-boa,b,TANG Xiang-honga,b,HUANG Hai-songa,b

(a. Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology, Ministry of Education；b.College Of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003 ,China)

In order to handle redundant data and “dirty” data caused by uncertainty of RFID data reading ,this paper proposed a new method ,which estimated the speed of RFID tags movement and process time according to the signal strength of RFID tags at different times and then cleaned redundant data and dirty data based on the results of the estimation. The method ran processing and output of data in parallel. This method greatly enhances the cleaning effect of redundant data and dirty data and shortens the execution time. It also improves accuracy and validity of data. The results of simulation experiments showed that the proposed method, compared with traditional RFID data cleaning algorithm, has the advantages at the effect of data cleaning and greatly reduced time and space of processing. The method is proved to be feasible.

RFID；date cleaning；date processing；date output；concurrent execution

1001-2265(2014)05-0087-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.022

2013-08-19;

2013-09-23

國家科技支撐計劃課題(2012BAF12B14)；貴州省重大科技專項(黔科合重大專項字(2012)6018)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目(黔科合 J字[2011]2196號)

吳新淼(1986—)，男，湖北咸寧人，貴州大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為先進制造模式與信息系統(tǒng)，(E-mail)wuxinmiao86@126.com；李少波(1973—)，男，湖南岳陽人，貴州大學(xué)博士生導(dǎo)師，主要研究方向為先進制造模式與信息系統(tǒng)、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及系統(tǒng)等，(E-mail)lishaobo@gzu.edu.cn。

TH166;TG65

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