新型Aloha算法在智能電梯門(mén)禁系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳房勝，徐金秀，李如平，吳寶勝（.安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽合肥33；.安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥30088）

新型Aloha算法在智能電梯門(mén)禁系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳房勝1，徐金秀1，李如平1，吳寶勝2
（1.安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽合肥231131；2.安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥230088）

目前絕大多數(shù)電梯功能過(guò)于簡(jiǎn)單，尤其在大酒店中，旅客流動(dòng)性較大，任何人都能夠控制電梯進(jìn)入相應(yīng)的樓層，住宿人員的安全性大大降低.針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款智能電梯門(mén)禁系統(tǒng)，將無(wú)線射頻技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合，并提出了一種新的算法——碰撞則丟棄的Aloha算法，解決了多人同時(shí)使用讀卡器而產(chǎn)生標(biāo)簽沖突的問(wèn)題，每位乘客只有通過(guò)先刷卡才能進(jìn)入相應(yīng)樓層，大大提高了旅客住宿的安全性.

智能電梯；Aloha算法；射頻識(shí)別

Wu FS,Xu JX,LiRP,etal.The Application ofNew Aloha Algorithm in IntelligentElevator AccessControl System[J].Journalof Yibin University,2015,15（6）：48-52.

隨著社會(huì)進(jìn)步的腳步加快，高層樓房的數(shù)量日益增長(zhǎng)，電梯的使用也隨之越來(lái)越廣泛.電梯已成為人們生活中不可缺少的一部分，人們對(duì)電梯門(mén)禁的要求越來(lái)越高，電梯門(mén)禁系統(tǒng)的智能化也越來(lái)越高.該系統(tǒng)結(jié)合智能控制、門(mén)禁控制等眾多現(xiàn)代化制造技術(shù)，并結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)用戶(hù)身份進(jìn)行確認(rèn)，控制與管理外來(lái)人員的乘梯問(wèn)題，目前已廣泛應(yīng)用到酒店賓館、智能建筑等領(lǐng)域，對(duì)人類(lèi)人身財(cái)產(chǎn)安全做出了重大的貢獻(xiàn)[1].

1　系統(tǒng)概述及算法研究

1.1系統(tǒng)概述

系統(tǒng)主要由射頻卡模塊、讀卡器模塊、PLC控制模塊、觸摸屏模塊四部分組成，其構(gòu)成如圖1所示[2].PLC控制模塊以三菱FX2N系列PLC作為主控器件，結(jié)合RFID技術(shù)，設(shè)計(jì)出讀卡器與主控器件PLC的串口通訊，并利用RS232串行口將讀卡器上識(shí)別的信息發(fā)送給PLC，判斷是否具有權(quán)限：如有權(quán)限，即可控制電梯樓層選擇與呼叫功能；沒(méi)有權(quán)限的人員則不能控制電梯，也不能使用呼叫功能，從而實(shí)現(xiàn)門(mén)禁的作用，提高住宿安全性.但如遇有人拜訪、忘帶射頻卡或射頻卡損壞等特殊情況，本系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)了一款通過(guò)觸摸屏輸入密碼的方法，進(jìn)而控制電梯[3].

圖1　電梯門(mén)禁系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)完成以下功能[4]：

（1）射頻卡權(quán)限的設(shè)定．乘客將射頻卡貼近電梯讀卡器上，系統(tǒng)自動(dòng)判斷射頻卡的權(quán)限，自動(dòng)識(shí)別卡內(nèi)信息并自動(dòng)選擇乘客所要到達(dá)的層數(shù)，如果用戶(hù)未被授權(quán)，則不能呼叫與操縱電梯，從而實(shí)現(xiàn)電梯門(mén)禁的智能控制.

（2）臨時(shí)密碼的設(shè)定．如果射頻卡丟失，或者有來(lái)訪者需要乘用電梯，采用輸入密碼控制電梯，在電梯口安裝一個(gè)西門(mén)子smart700 IE系列觸摸屏，進(jìn)行密碼輸入，如密碼正確，則可控制電梯，該密碼是由管理員設(shè)定的一次性臨時(shí)密碼.

（3）IC卡級(jí)別的設(shè)定．按照不同級(jí)別的需要，將射頻卡設(shè)定為管理員卡、普通人員卡和臨時(shí)用戶(hù)卡，卡片種類(lèi)不同，其授予的權(quán)限也不同[5].

1.2Aloha防沖突算法

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果在電梯讀卡器有效信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)多位乘客刷卡使用電梯，則射頻卡會(huì)同時(shí)向電梯讀卡器發(fā)出信號(hào)，射頻卡與讀卡器之間的數(shù)據(jù)傳輸將受到干擾，讀卡器無(wú)法識(shí)別正確的卡片，從而出現(xiàn)沖突.因此，為了快速準(zhǔn)確判斷多個(gè)射頻卡片，卡片之間的防沖突技術(shù)顯得尤為重要.

為了預(yù)防碰撞以及發(fā)生碰撞后如何處理，研究人員提出了很多非常實(shí)用的解決方法.常用的防止碰撞方法有：時(shí)分多路法（Time Division Multiple Ac?cess）、空分多路法（Space Division Multiple Access）、頻分多路法（Frequency Division Multiple Access）以及碼分多路法（Code Division Multiple Access）等.目前使用最廣泛的是時(shí)分多路法，該方法主要有兩種控制方式：標(biāo)簽控制與讀卡器控制.其中，標(biāo)簽控制成本低，應(yīng)用十分廣泛，并且其有Aloha算法，該算法比較簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)即采用該算法[6-7].

由于每張卡片的數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)間占重復(fù)發(fā)送時(shí)間的比例比較小，每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)幀之間的時(shí)間間隔會(huì)比較長(zhǎng)，因此兩張卡片的數(shù)據(jù)幀不產(chǎn)生碰撞具有一定的概率.

在公共信道中，一個(gè)單位時(shí)間T內(nèi)，傳輸通路的吞吐率S與平均發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)G的運(yùn)算公式如下所示：

式中，n為該系統(tǒng)的電子標(biāo)簽數(shù)量，Rn為單位時(shí)間T內(nèi)標(biāo)簽n發(fā)出的數(shù)據(jù)幀數(shù).

按照式1與式2，如果G=0.5，根據(jù)指數(shù)關(guān)系計(jì)算得出S的最大值為18.4％，則有81.6％的數(shù)據(jù)通道為空閑狀態(tài)，但該算法完成防止碰撞的效率代價(jià)非常高.正因如此，Aloha算法比較簡(jiǎn)易，而且對(duì)于電子標(biāo)簽數(shù)量不固定的情況非常適合，該算法作為這種防碰撞法，非常適合電子標(biāo)簽系統(tǒng)[8].

Aloha算法模型如圖2所示，模型采用了四張標(biāo)簽卡，模擬展示了部分沖突和全部沖突的現(xiàn)象.該算法是標(biāo)簽先發(fā)出信號(hào)給閱讀器，閱讀器在其識(shí)別區(qū)內(nèi)一旦接收到電子標(biāo)簽信號(hào)，電子標(biāo)簽內(nèi)部攜帶的ID號(hào)就會(huì)自動(dòng)發(fā)送給讀寫(xiě)器，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸.當(dāng)其中一個(gè)電子標(biāo)簽正在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，一旦有其他電子標(biāo)簽也進(jìn)入識(shí)別范圍，并且自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，那么就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的重疊，產(chǎn)生如圖2所示的完全沖突或部分沖突的現(xiàn)象.為解決此問(wèn)題，需要由閱讀器自動(dòng)檢測(cè)接收到的信號(hào)是否產(chǎn)生沖突，如果檢測(cè)到有沖突，閱讀器會(huì)發(fā)送一個(gè)命令，控制電子標(biāo)簽暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)設(shè)定的一個(gè)等待時(shí)間后，電子標(biāo)簽被再次重新激活，并發(fā)送ID號(hào)，從而避免沖突的發(fā)生[9-10].

圖2　Aloha算法模型圖

根據(jù)前面計(jì)算，一般的Aloha算法的數(shù)據(jù)吞吐率只達(dá)到18.4％，因此提出一種新型的Aloha算法——時(shí)隙Aloha算法，即在普通的Aloha算法的基礎(chǔ)上，將時(shí)間分隔為n個(gè)離散的大小相同的時(shí)隙，標(biāo)簽只有在每個(gè)時(shí)隙的交界處才可以發(fā)送信息.這時(shí)，電子標(biāo)簽要么發(fā)送成功，要么完全沖突，只有這兩種情況出現(xiàn)，間隔時(shí)間由T=2τ減小為T(mén)=τ，使原來(lái)一般的Aloha算法產(chǎn)生沖突的時(shí)間大大縮短[11-12].

在公式S=Ge-G中，當(dāng)G=1時(shí)，S=1/e，則可算出吞吐率S=36.8％，為該函數(shù)的最大值.通過(guò)計(jì)算得知，時(shí)隙Aloha算法的吞吐率比Aloha算法的吞吐率要高出一倍，該算法是一種隨機(jī)的、讀卡器同步控制的時(shí)分多路防碰撞算法.

該新型的時(shí)隙Aloha算法計(jì)算簡(jiǎn)單，在電子標(biāo)簽數(shù)目不定的前提下非常實(shí)用.但是通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，時(shí)隙Aloha算法的通道利用率不到40％，其利用率過(guò)低，另外，該算法對(duì)電子標(biāo)簽硬件的要求比較特殊，必須要求電子標(biāo)簽需讀卡器的同步控制[13].

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種新的處理方案，即碰撞則丟棄的Aloha算法.乘客一般對(duì)讀卡器響應(yīng)電子標(biāo)簽的時(shí)間反應(yīng)要求不高，每個(gè)電子標(biāo)簽發(fā)送信息的時(shí)間非常短，一般為毫秒級(jí)別，所以即使時(shí)間發(fā)生碰撞，乘客一般很難發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象的.以電梯承載最多20人為例，電子標(biāo)簽閱讀器安裝在電梯里面的上下樓按鍵的面板上，空間比較狹窄，能在信號(hào)范圍內(nèi)同時(shí)刷卡最多只有4到6位乘客，發(fā)生碰撞的概率非常小.假設(shè)同時(shí)刷卡人數(shù)num=5，每次碰撞發(fā)生延遲時(shí)間t=1 s，則總時(shí)間T=num×t=5 s.在當(dāng)今的電梯控制系統(tǒng)中，用戶(hù)基本上感知不到5 s的識(shí)別延遲.而且，在系統(tǒng)控制中，對(duì)信息的處理均由邏輯芯片進(jìn)行控制.邏輯芯片反應(yīng)速度快，主頻一般可達(dá)到125MHz，當(dāng)數(shù)據(jù)處理位寬是8字節(jié)時(shí)，1 s的處理速度可達(dá)1GHz.當(dāng)射頻卡發(fā)出的數(shù)據(jù)請(qǐng)求為20個(gè)字節(jié)時(shí)，芯片處理時(shí)間只需要0.1ms.而20個(gè)字節(jié)已經(jīng)是電梯乘客總數(shù)的最大值，因此出現(xiàn)碰撞的可能性非常小，如果將乘客數(shù)縮減為2人，可以算出出現(xiàn)碰撞的可能性?xún)H有十億分之一，如果采用時(shí)隙Aloha算法處理如此低的碰撞概率，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本與復(fù)雜性的提高.針對(duì)此現(xiàn)象，本文提出了一種新的處理方案，即碰撞則丟棄的Aloha算法[14-15].

碰撞則丟棄的處理方案是在讀卡器的信號(hào)輸入端，感應(yīng)模塊一旦感應(yīng)到有碰撞發(fā)生，則將目前處理的信息丟棄.待目前處理的信息丟棄后，感應(yīng)模塊繼續(xù)感應(yīng)請(qǐng)求信息，一旦感應(yīng)到有碰撞發(fā)生則再次丟棄，而再次發(fā)生碰撞的可能性會(huì)降為原來(lái)的百萬(wàn)分之一倍[16]，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性.

此算法是在感應(yīng)模塊中加一個(gè)簡(jiǎn)單的碰撞檢測(cè)模塊，當(dāng)今市場(chǎng)上碰撞檢測(cè)的感應(yīng)模塊非常多，產(chǎn)品也很成熟，價(jià)格便宜，對(duì)系統(tǒng)的成本基本不產(chǎn)生影響，而且此檢測(cè)對(duì)處理芯片的影響也微乎其微.所以，在系統(tǒng)中采用新型的碰撞則丟棄的Aloha算法.通過(guò)測(cè)試，在電梯中同時(shí)將5張射頻卡放在感應(yīng)區(qū)內(nèi)，每張卡片的信息均可準(zhǔn)確識(shí)別.

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要分為讀卡器模塊、PLC控制模塊和觸摸屏模塊三部分組成.PLC控制模塊以三菱FX2N系列PLC作為主控器件，讀卡器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻卡與PLC控制系統(tǒng)之間的通信；PLC控制模塊用來(lái)對(duì)讀卡器接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和驗(yàn)證，授權(quán)用戶(hù)相應(yīng)的電梯使用權(quán)限；觸摸屏模塊實(shí)現(xiàn)外來(lái)訪客輸入密碼與PLC控制模塊的通信.

讀卡器模塊是整個(gè)電梯門(mén)禁系統(tǒng)的核心器件，該模塊由主控芯片與其相對(duì)應(yīng)的外圍電路兩部分組成.主控芯片采用stc12csa32ad單片機(jī)進(jìn)行控制，外圍電路主要由串口通信電路、無(wú)線發(fā)送電路、射頻卡讀寫(xiě)芯片電路等組成[17].

采用芯片MFRC500實(shí)現(xiàn)射頻卡的讀寫(xiě)操作，主控芯片通過(guò)控制閱讀器進(jìn)而控制射頻卡.主控芯片與射頻卡閱讀器之間利用芯片MFRC500完成數(shù)據(jù)的傳輸，射頻卡利用其自身線圈，與天線模塊進(jìn)行LC振蕩，完成與射頻模塊的通信.主控芯片與MF RC500芯片的硬件電路圖如圖3所示，MFRC500的晶振為13.56MHz，該芯片的D0～D7口與主控芯片的P0口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；其產(chǎn)生中斷信號(hào)引腳（IRQ）以及低電檢測(cè)與復(fù)位引腳（RSTPD）分別由主控芯片的P3.2與P4.0口控制；NWR與NRD引腳分別與單片機(jī)的P3.6與P3.7口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能；TX1、TX2引腳接外部有源天線[18].

圖3　主控芯片與MFRC500芯片硬件電路圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)乘客乘坐電梯時(shí)，只需在電梯內(nèi)閱讀器上直接刷卡.閱讀器進(jìn)行判別射頻卡是否有效合法.如果同時(shí)有多位乘客刷卡，則程序調(diào)用Aloha防碰撞算法處理多位乘客刷卡沖突現(xiàn)象.

讀卡器經(jīng)初始化后，發(fā)出射頻信號(hào)，不停地搜索信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)的射頻卡信號(hào).一旦讀卡器成功搜索到射頻卡，即開(kāi)始判斷是否有沖突：如沒(méi)有，直接讀卡；如有沖突，出現(xiàn)多個(gè)電子標(biāo)簽信號(hào)，進(jìn)行防碰撞處理，本系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)的挑選出其中一個(gè)電子標(biāo)簽信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行合法性驗(yàn)證，未被選中的電子標(biāo)簽信號(hào)則重新回到準(zhǔn)備模式狀態(tài)，直到等待下一條指令的發(fā)生.卡片被選中并驗(yàn)證其合法性后，對(duì)射頻卡的級(jí)別進(jìn)行判斷，判斷該卡是管理員卡、用戶(hù)卡還是臨時(shí)卡，根據(jù)卡的級(jí)別決定對(duì)電梯功能級(jí)別的操作，最終將數(shù)據(jù)信息傳送給PLC處理器，完成電梯控制功能[19].射頻卡讀卡流程圖如圖4所示.

圖4　射頻卡讀卡流程圖

整個(gè)讀卡程序中最關(guān)鍵的是防碰撞功能的應(yīng)用.防碰撞功能的使用可以確保同一信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)，允許多張卡同時(shí)使用，根據(jù)Aloha算法防碰撞理論，能有效讀出每張卡唯一的序列號(hào)來(lái)區(qū)分其他卡.每次被選中的卡需進(jìn)行合法性驗(yàn)證和級(jí)別判定，沒(méi)被選中的卡則回到準(zhǔn)備模式狀態(tài)，等待下一條請(qǐng)求命令的到來(lái).防沖突算法流程如圖5所示.

圖5　防沖突算法流程圖

忘帶卡或者來(lái)訪客人乘坐電梯則需通過(guò)輸入密碼乘坐，本系統(tǒng)的密碼設(shè)定界面采用觸摸屏與PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，用戶(hù)輸入設(shè)定的密碼，觸摸屏將密碼傳送到PLC控制器中，PLC控制器根據(jù)輸入的密碼數(shù)值，判定操作權(quán)限并控制電梯.本系統(tǒng)選用的是西門(mén)子smart700 IE系列觸摸屏，觸摸屏編輯軟件采用WinCC flexible standard軟件.觸摸屏編輯界面將觸摸屏型號(hào)與三菱PLC型號(hào)進(jìn)行匹配連接，連接圖如圖6所示：

圖6　觸摸屏與PLC連接圖

4　結(jié)果展示

系統(tǒng)的硬件以 stc12csa32ad單片機(jī)以及MFRC500作為的讀卡器的主控芯片和讀寫(xiě)芯片；PLC軟件編程采用GX Developer軟件編寫(xiě)梯形圖；觸摸屏編輯軟件采用WinCC flexible standard軟件，觸摸屏按鍵與顯示設(shè)定界面如圖7所示；忘帶卡或者來(lái)訪客人乘坐電梯，需輸入密碼乘坐，使用者鍵入密碼界面如圖8所示；系統(tǒng)軟硬件調(diào)試與整體測(cè)試效果均滿(mǎn)足要求，最終智能電梯射頻識(shí)別部分實(shí)物圖如圖9所示.

圖7　觸摸屏按鍵顯示設(shè)定界面

圖8　鍵入密碼界面

圖9　實(shí)物圖展示

5　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)在智能電梯中的應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的電子標(biāo)簽碰撞現(xiàn)象，提出了一種新的Aloha標(biāo)簽防碰撞算法，即碰撞則丟棄的Aloha碰撞算法，通過(guò)測(cè)試，電梯同時(shí)將5張射頻卡放在感應(yīng)區(qū)內(nèi)，每張卡片的信息均可準(zhǔn)確識(shí)別，使再次發(fā)生碰撞的可能性大大降低，有效解決了多人同時(shí)刷卡發(fā)送碰撞的問(wèn)題，并且增加了乘客忘記帶卡可通過(guò)觸摸屏輸入密碼控制電梯的功能，使用簡(jiǎn)便，可廣泛應(yīng)用到酒店賓館、高檔智能小區(qū)、辦公大樓等，有力地保障乘住人員的人身財(cái)產(chǎn)安全.

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（編校：王露）

The Application of New Aloha Algorithm in Intelligent Elevator Access Control System

WU Fangsheng1,XU Jinxiu1,LIRuping1,WU Baosheng2
（1.Electronic Information Department,AnhuiBusinessVocationalCollege,Hefei,Anhui231131,China；2.CollegeofElectronic Commu?nication Engineering,AnhuiXinhua University,Hefei,Anhui230088,China）

Themajority ofelevators are too simple in function,especially those in the grand hotels,where themobility of visitors is larger.Ifanyone can control the elevator and access a given floor,the security ofaccommodation willbe greatly reduced.To solve this problem,an access control system of intelligentelevatorwas designed,which combined the radio frequency technology and PLC technology.A new algorithm：the Aloha algorithm which followed the principle of discard upon collision,was proposed to solve the issue of tab conflict whenmore than one people used a card reader at the same time.Each passenger could only enter the appropriate floor by using the card first.The safety of passenger can be im?proved greatly.

intelligentelevator；Alohaalgorithm；RFID

TP23

A

1671-5365（2015）06-0048-05

2014-11-20修回：2014-12-17

2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201312216019）；安徽省廳級(jí)自然科研項(xiàng)目（KJ2013Z105）

吳房勝（1983-），男，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-12-18 11：05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141218.1105.001.html

引用格式：吳房勝，徐金秀，李如平，等.新型Aloha算法在智能電梯門(mén)禁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].宜賓學(xué)院學(xué)報(bào),2015,15（6）：48-52.