基于R F I D傳感器網(wǎng)絡(luò)的多閱讀器低功耗防碰撞算法研究

武珠琳 孫瑞雪

（重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 重慶400065）

0 引言

在RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]中，存在兩類信息碰撞問(wèn)題:一類是多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)回復(fù)一個(gè)RFID閱讀器時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題。另一類多RFID閱讀器同時(shí)閱讀同一標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題。RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)往往需要多個(gè)RFID閱讀器密集分布在同一區(qū)域，這就使多RFID閱讀器的碰撞問(wèn)題顯得更為突出。目前解決RFID傳感網(wǎng)中多RFID閱讀器碰撞問(wèn)題的典型算法中，DiCa[2]算法通過(guò)在臨近的讀寫器之間分布式的簡(jiǎn)單交互，不僅避免讀寫器間的碰撞，而且可自主改變能量狀態(tài)。單純考慮無(wú)碰撞成功讀取標(biāo)簽率，Dica很高效，然而仿真結(jié)果顯示其平均能耗高于CSMA?；贑SMA的ECO[3]算法運(yùn)作在一個(gè)由RFID讀寫器和一個(gè)mote組成的UBICON集成節(jié)點(diǎn)上，平均能耗相比較DiCa要低，但是ECO算法沒有一個(gè)同步時(shí)鐘來(lái)維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步，標(biāo)簽的讀取效率低。

由上述分析可知，已有的解決方案里面以單獨(dú)的RFID部分的防碰撞研究為主，并沒有充分發(fā)揮RFID網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本文結(jié)合以如圖1所示的智能節(jié)點(diǎn)為主的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[1]，提出一種雙信道防碰撞算法來(lái)解決上述問(wèn)題。該算法的工作原理是：智能節(jié)點(diǎn)中的RFID讀取部分向WSN網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)自己的專用采集時(shí)隙，在專用采集時(shí)隙到來(lái)時(shí)RFID閱讀器讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并最終將自己申請(qǐng)到的采集時(shí)隙再次劃分，完成標(biāo)簽的讀取，這樣能充分利用無(wú)線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，提供精確的時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)多智能節(jié)點(diǎn)的防碰撞，降低智能節(jié)點(diǎn)能耗，仿真結(jié)果表明與ECO算法相比，該算法有效地降低了RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中智能節(jié)點(diǎn)的能耗，提高了智能節(jié)點(diǎn)的讀取效率。

圖1 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)平臺(tái)示意圖

1 以智能節(jié)點(diǎn)為主的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究

目前RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，可以分為三類[4]，（1）異構(gòu)混合式網(wǎng)絡(luò)；（2）智能化的融合了傳感器的RFID標(biāo)簽組成的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)；（3）以智能節(jié)點(diǎn)為主的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。其中RFID閱讀器和WSN基站混合的異構(gòu)混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，智能基站成為整個(gè)系統(tǒng)的決定性因素，這種架構(gòu)對(duì)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸是非常有效的，不必?fù)?dān)心能源限制，但是基站復(fù)雜、昂貴、笨重且不易移動(dòng)，因此，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性并不高。本文在后兩種體系架構(gòu)中選擇以智能節(jié)點(diǎn)為主的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)為切入點(diǎn)進(jìn)行研究。

圖2 RFID傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

以智能節(jié)點(diǎn)為主的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)整體設(shè)計(jì)如圖1所示，智能節(jié)點(diǎn)的無(wú)線組網(wǎng)部分向網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)判斷是否將該智能節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，如果入網(wǎng)成功，智能節(jié)點(diǎn)的射頻讀寫部分通過(guò)ISO18000-4協(xié)議讀取標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)的主控芯片發(fā)送給無(wú)線組網(wǎng)部分，在初步處理采集到的信息后經(jīng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后交付上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)信息進(jìn)行進(jìn)一步的解析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID前端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2 基于RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)的多閱讀器防碰撞算法

該RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗軟件設(shè)計(jì)思路是通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)（WSN）信道分配專用采集時(shí)隙來(lái)控制RFID系統(tǒng)的讀取，使RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)之間的碰撞減少。并將專用采集時(shí)隙在RFID采集部分再次細(xì)化，使多標(biāo)簽被同一智能節(jié)點(diǎn)讀取時(shí)的碰撞減少，從而提高智能節(jié)點(diǎn)的讀取效率，降低智能節(jié)點(diǎn)的能耗。

2.1 采集時(shí)隙的申請(qǐng)分配過(guò)程

專用采集時(shí)間的申請(qǐng)分配過(guò)程如圖2所示：RFID閱讀器 S1～S6依次入網(wǎng)，然后向網(wǎng)關(guān)C申請(qǐng)采集數(shù)據(jù)專有時(shí)隙。首先閱讀器S1申請(qǐng)超幀中的第一個(gè)保護(hù)時(shí)隙GTS時(shí)隙為專用采集時(shí)隙，網(wǎng)關(guān)C收到RFID閱讀器S1發(fā)送的專用采集時(shí)隙請(qǐng)求后，進(jìn)行查找判斷，如果有空白的可用的時(shí)隙，就回復(fù)GTS響應(yīng)給S1,同時(shí)S1就會(huì)發(fā)送廣播給周圍鄰居閱讀器，通知周圍所有其他鄰居第一個(gè)GTS已經(jīng)被占用，其他鄰居如果要申請(qǐng)，就要申請(qǐng)其他GTS。RFID部分的數(shù)據(jù)采集通過(guò)時(shí)隙調(diào)度的機(jī)制將沖突機(jī)率最小化，提高帶寬的利用率。

專用時(shí)隙的分配原則是先申請(qǐng)先分配，首先由智能節(jié)點(diǎn)提出申請(qǐng)請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求后，查詢當(dāng)前超幀是否有足夠的容量后決定是否分配。網(wǎng)關(guān)是專用時(shí)隙的管理者，它能夠存儲(chǔ)管理專用時(shí)隙的起始時(shí)隙、長(zhǎng)度以及時(shí)隙占用者的地址等。當(dāng)設(shè)備需要釋放專用時(shí)隙時(shí)，網(wǎng)關(guān)也同時(shí)釋放。為了使智能節(jié)點(diǎn)有效的被分配和使用專用時(shí)隙，智能節(jié)點(diǎn)必須對(duì)信標(biāo)保持追蹤，維護(hù)同步狀態(tài)。

圖3 專用采集時(shí)隙的申請(qǐng)分配過(guò)程

當(dāng)閱讀器入網(wǎng)成功后，RFID采集部分分配到各自的專用采集時(shí)隙，統(tǒng)一受到WSN網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信提供精確的時(shí)鐘同步，同時(shí)也減少了閱讀器中RFID讀寫器之間的碰撞。

2.2 專用采集時(shí)隙在RFID采集部分的再次細(xì)化

在閱讀器的RFID采集部分申請(qǐng)到各自的采集時(shí)隙后，把分給閱讀器采集標(biāo)簽的時(shí)間再進(jìn)行細(xì)化，這樣一來(lái)，每個(gè)時(shí)隙都有可能出現(xiàn)空閑、識(shí)別和沖突的情況。如圖3所示：在空閑時(shí)隙中沒有標(biāo)簽上傳，在碰撞時(shí)隙中有兩個(gè)及以上的標(biāo)簽上傳，而在識(shí)別時(shí)隙會(huì)有一個(gè)標(biāo)簽上傳被正確識(shí)別。時(shí)間細(xì)化的基本思想是：將閱讀器的采集時(shí)間等分成多個(gè)離散時(shí)隙。標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的閱讀區(qū)，在每個(gè)時(shí)隙的分界處，它自動(dòng)將自身ID上傳，隨即閱讀器和標(biāo)簽開始通信。

圖4 采集過(guò)程中各時(shí)隙的情況

由于閱讀器的采集時(shí)間是以超幀為周期進(jìn)行循環(huán)的，那些因?yàn)闆_突而沒有被識(shí)別的標(biāo)簽就有機(jī)會(huì)在下一個(gè)采集時(shí)間正確被識(shí)別，這樣大大提高了智能節(jié)點(diǎn)的讀取效率。

3 智能節(jié)點(diǎn)功耗分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)所用到的智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，射頻讀寫芯片選用TI公司的CC2500射頻收發(fā)芯片。無(wú)線組網(wǎng)通信芯片選用CC2530芯片。主控芯片選用了MSP430。假設(shè)在100平米范圍內(nèi)，m個(gè)智能節(jié)點(diǎn)均勻分布，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的讀取范圍內(nèi)存在n個(gè)標(biāo)簽?；谏鲜黾僭O(shè)，可以建立如下能量模型：

單個(gè)智能節(jié)點(diǎn)讀取n個(gè)標(biāo)簽所需要的能耗如式（3-1）所示：

其中，Escan是單個(gè)智能節(jié)點(diǎn)讀取n個(gè)標(biāo)簽所需的能量，P是單個(gè)智能節(jié)點(diǎn)讀標(biāo)簽時(shí)的功率，T是這個(gè)智能節(jié)點(diǎn)讀取所有n個(gè)標(biāo)簽的平均讀取時(shí)間。

智能節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能耗如式（3-2）所示：

其中，Etx是智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送k位數(shù)據(jù)的能耗，Er是智能節(jié)點(diǎn)接收k位數(shù)據(jù)的能耗，Ee是收發(fā)器電路所需的電能，k是節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)報(bào)的大小，ω是單元距離上傳輸單元數(shù)據(jù)所需的放大器能量，r是通信節(jié)點(diǎn)之間的距離，λ是路徑損失。

當(dāng)電池中的總能量為B時(shí)，可估算智能節(jié)點(diǎn)的壽命如式（3-3）所示：

本文研究的新的防碰撞機(jī)制主要是針對(duì)智能節(jié)點(diǎn)RFID部分的碰撞問(wèn)題，因此可以通過(guò)將該機(jī)制和功耗較低的ECO多閱讀器防碰撞算法進(jìn)行對(duì)比，來(lái)客觀評(píng)估新機(jī)制的性能。新方法在閱讀器上的功耗為：

其中，Lid（bits）是一個(gè)標(biāo)簽 ID 的長(zhǎng)度，Vdata-rate（bps）是標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率而原有的RFID閱讀器防碰撞算法復(fù)雜且基于概率，可計(jì)算它的總功耗為

3.2 仿真結(jié)果

圖5 RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)多閱讀器碰撞能耗對(duì)比仿真圖

從圖5可以看出，智能節(jié)點(diǎn)的壽命隨著標(biāo)簽個(gè)數(shù)的增加而逐漸降低，當(dāng)標(biāo)簽的數(shù)目在200以內(nèi)的時(shí)，本文提出的新的雙信道防碰撞算法與原來(lái)的基于CSMA的ECO算法相比，兩種防碰撞算法的能耗相差不是很大，但當(dāng)標(biāo)簽數(shù)目超過(guò)200之后，與原有的ECO算法相比，雙信道防碰撞算法使智能節(jié)點(diǎn)的能耗大大降低，仿真結(jié)果表明,新的雙信道防碰撞算法能有效地降低智能節(jié)點(diǎn)的能耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中多RFID閱讀器同時(shí)讀取同一標(biāo)簽數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題進(jìn)行了討論，在分析了現(xiàn)有的研究多RFID閱讀器碰撞的基礎(chǔ)上，提出了一種采用無(wú)線傳感網(wǎng)（WSN）信道分配專用采集時(shí)隙來(lái)控制RFID系統(tǒng)信道讀取的雙信道防碰撞算法，該算法有效的解決了現(xiàn)有的多閱讀器防碰撞算法在應(yīng)用中存在的功耗高，時(shí)間同步難，讀取效率低等問(wèn)題。仿真結(jié)果表明,新的算法能有效地防止多RFID閱讀器的碰撞問(wèn)題，降低智能節(jié)點(diǎn)能耗。

［1］張彥,楊Laurence T.Yang,陳積明.RFID與傳感器網(wǎng)絡(luò):架構(gòu)、協(xié)議、安全與集成[M].機(jī)械工程出版社，2012.7．

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［4］Xiaoguang Zhou,Wei Long.Study on Design and Application of Wireless Sensor Network Based on Communication of Radio Frequency Identification System[C]//Proceedings of5th Conference on InternationalWireless Communications,Networking and Mobile Computing,WiCom,2009.