食品標(biāo)簽沖突檢測(cè)的防碰撞控制

陳衛(wèi)軍，黃永燦（安陽師范學(xué)院軟件學(xué)院，河南安陽455000）

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食品標(biāo)簽沖突檢測(cè)的防碰撞控制

陳衛(wèi)軍，黃永燦
（安陽師范學(xué)院軟件學(xué)院，河南安陽455000）

摘要：提出一種基于沖突檢測(cè)的食品安全標(biāo)簽防碰撞控制方法.對(duì)標(biāo)簽批量讀取，進(jìn)行數(shù)據(jù)的層次化融合，描述食品安全標(biāo)簽的沖突信號(hào)生成模型，分析食品安全追蹤標(biāo)簽沖突信號(hào)的超寬帶特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品（食物）的種植、養(yǎng)殖、加工、包裝、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售、消費(fèi)等活動(dòng)的安全控制.通過食品安全標(biāo)簽射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）進(jìn)行沖突分流控制，達(dá)到防碰撞控制的目的.仿真實(shí)驗(yàn)表明：文中方法可加快防碰撞的識(shí)別效率，降低標(biāo)簽防碰撞的機(jī)率，提高防碰撞檢測(cè)工作效率.

關(guān)鍵詞：沖突檢測(cè)；防碰撞控制；食品安全；標(biāo)簽；射頻識(shí)別技術(shù)

近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使食品安全的網(wǎng)絡(luò)信息追蹤和識(shí)別技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用.在食品安全追蹤過程中，需要根據(jù)物資標(biāo)簽批量讀取技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，食品標(biāo)簽批次和計(jì)量具有復(fù)雜性和不規(guī)則性，導(dǎo)致標(biāo)簽信息沖突碰撞，需要進(jìn)行防碰撞控制.食品安全標(biāo)簽防碰撞控制算法在保證食品安全追蹤應(yīng)用過程中具有重要意義［1］.傳統(tǒng)方法中，對(duì)食品安全追蹤標(biāo)簽防碰撞控制方法采用碼元幀格式掃頻射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）達(dá)到?jīng)_突分流控制的目的，在擴(kuò)展損失呈突變衰減時(shí)，碰撞控制容錯(cuò)效果不好.許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)［2－6］.本文提出一種基于沖突檢測(cè)的食品安全標(biāo)簽防碰撞控制方法，達(dá)到防碰撞控制的目的.

1　防碰撞控制模型和沖突問題描述

1.1 食品安全標(biāo)簽防碰撞控制模型

建立食品安全標(biāo)簽防碰撞控制模型［7］.食品安全標(biāo)簽控制的分組交換網(wǎng)絡(luò)有許多組網(wǎng)方式.其中，最為典型的是AD Hoc組網(wǎng).考慮兩種節(jié)點(diǎn)k獲得未編碼分組P的機(jī)會(huì)：通過鏈路（k，i）將P傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)i，假設(shè)食品安全追蹤網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能體為L(zhǎng)i｛i＝1，2，…，CL｝，網(wǎng)絡(luò)建模為一個(gè)有向圖G＝｛V，E｝，其中，V為節(jié)點(diǎn)集合，E為鏈路集合.由此得到食品安全標(biāo)簽控制的節(jié)點(diǎn)傳遞模型，如圖1所示.圖1（a）中：節(jié)點(diǎn)k處的分組為P2.由于超短帶格柵狀網(wǎng)絡(luò)路由編碼同時(shí)涉及到前跳節(jié)點(diǎn)和后跳節(jié)點(diǎn)的有限功率控制，導(dǎo)致食品安全追蹤標(biāo)簽沖突.文中采用射線模型進(jìn)行鄰居節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型構(gòu)建，分析食品安全追蹤標(biāo)簽沖突信號(hào)的超寬帶特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品（食物）的種植、養(yǎng)殖、加工、包裝、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售、消費(fèi)等活動(dòng)的安全控制.生產(chǎn)、加工、銷售以及運(yùn)輸整個(gè)流通環(huán)節(jié)的任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)定義為

圖1　節(jié)點(diǎn)傳遞模型Fig.1　Node transfer model

zik＝hik（xk，uk）＋vik， i＝1，2，…，M.（1）

式（1）中：i為相應(yīng)的物資標(biāo)簽傳感器節(jié)點(diǎn).

構(gòu)建標(biāo)簽傳感網(wǎng)絡(luò)模型，采用四元組｛S1，S2，…，SL｝.通過中間件技術(shù)對(duì)標(biāo)簽批量讀取數(shù)據(jù)層次化融合，食品標(biāo)簽批量讀取和網(wǎng)絡(luò)交互過程中，采用feffecting（Nperception）＝Nsensation描述從知覺層到感覺層的反饋、預(yù)測(cè)、指導(dǎo)等操作，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布模型為

在使用RFID的無線射頻識(shí)別技術(shù)時(shí)，往往會(huì)采集到含有大量噪聲的原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)致標(biāo)簽碰撞.因此，需要進(jìn)行防碰撞控制，在信道環(huán)境惡劣（如大多普勒頻移）時(shí)的時(shí)隙分配碰撞介質(zhì)為

采用P為偽碼序列，用于時(shí)隙同步；I為標(biāo)識(shí)符，用于區(qū)分、識(shí)別當(dāng)前食品標(biāo)簽的類型的鏈路分離.通過上述分析，得到了食品安全標(biāo)簽防碰撞控制模型，為進(jìn)行防碰撞控制和沖突檢測(cè)奠定了模型基礎(chǔ).1.2 食品安全檢測(cè)標(biāo)簽的沖突問題描述

在上述模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)標(biāo)簽批量讀取數(shù)據(jù)層次化融合，描述食品安全標(biāo)簽的沖突信號(hào)生成模型，并進(jìn)行RFID沖突分流控制［8－13］.假設(shè)食品安全檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)有m個(gè)待識(shí)別標(biāo)簽，系統(tǒng)使用L叉樹，當(dāng)搜索深度為1時(shí)，食品標(biāo)簽的識(shí)別概率為

采用超高頻射頻識(shí)別技術(shù)（UHF RFID），得到標(biāo)簽數(shù)據(jù)的搜索深度的均值為

設(shè)計(jì)RFID射頻中間件技術(shù)，提高對(duì)計(jì)量器具的食品標(biāo)簽批量讀取能力，RFID射頻中間件分別包括：1）RFID網(wǎng)絡(luò)中間件；2）RFID配置中間件；3）RFID功能中間件.由此構(gòu)建食品安全標(biāo)簽的沖突信號(hào)模型，得到在約束范圍（x，x（k））內(nèi)，ck以｜mk－lk｜為最大步長(zhǎng)，在基點(diǎn)mk的兩側(cè)隨機(jī)取值，i，j分別表示食品安全標(biāo)簽控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)狀態(tài)坐標(biāo)向量，從而得到節(jié)點(diǎn)的密度為

任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)任務(wù)執(zhí)行食品安全追蹤標(biāo)簽沖突重整的有限監(jiān)測(cè)向量空間GF（q）上的約束范圍為

式（9）中：i′New＝（ei′，1，ei′2，…，ei′，D），其生成公式為式（10）中：sR為局部搜索半徑；U（1－sR，1＋sR）取（1－sR，1＋sR）之間的隨機(jī)數(shù).

當(dāng)多個(gè)食品標(biāo)簽同時(shí)存在于閱讀器的可讀范圍內(nèi)時(shí)，所有的電子標(biāo)簽都是工作在讀寫器的頻段上.因此，當(dāng)讀寫器喚醒所有標(biāo)簽后，所有標(biāo)簽在同一時(shí)間向讀寫器申請(qǐng)傳輸數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)碰撞，需要進(jìn)行防碰撞控制［13－16］.

2　沖突檢測(cè)算法的提出和防碰撞控制改進(jìn)

2.1 標(biāo)簽沖突檢測(cè)算法的提出

在食品安全跟蹤過程中，各個(gè)標(biāo)簽在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)互相干擾，導(dǎo)致標(biāo)簽EPC碼的錯(cuò)誤傳輸甚至丟失，產(chǎn)生碰撞（Collision）問題.文中采用RFID技術(shù)進(jìn)行標(biāo)簽的沖突檢測(cè).RFID技術(shù)最早新興于國外，各方面已經(jīng)發(fā)展得較為成熟.中國現(xiàn)已在零售業(yè)、金融業(yè)等行業(yè)中大規(guī)模地應(yīng)用了RFID技術(shù)，同時(shí)也涉及到校園、公共交通和地鐵等日常生活范圍［17－20］.RFID系統(tǒng)包括標(biāo)簽閱讀器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其組成原理如圖2所示.

RFID系統(tǒng)中的信息通信雙方是讀寫器和標(biāo)簽.在實(shí)際應(yīng)用中，RFID系統(tǒng)工作時(shí)，一定會(huì)出現(xiàn)多個(gè)閱讀器和標(biāo)簽共同存在的情況.此時(shí)，RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸不可避免地出現(xiàn)信道或時(shí)序重疊，容易造成傳送的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，即發(fā)生了數(shù)據(jù)碰撞.發(fā)生碰撞的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，同時(shí)存在著兩種不同的碰撞方式：一種是一個(gè)標(biāo)簽同時(shí)收到了不同閱讀器發(fā)出的指令，稱為閱讀器碰撞；另一種是一個(gè)閱讀器同時(shí)收到了多個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答的數(shù)據(jù)，稱為多標(biāo)簽碰撞.

目前的防碰撞算法在解決碰撞問題時(shí)，通常利用碰撞數(shù)據(jù)的首位或前幾位的信息.傳統(tǒng)的食品安全追蹤標(biāo)簽防碰撞控制方法采用碼元幀格式掃頻射頻識(shí)別技術(shù)達(dá)到?jīng)_突分流控制的目的，在擴(kuò)展損失呈突變衰減時(shí)，碰撞控制容錯(cuò)效果不好.文中提出一種基于沖突檢測(cè)的食品安全標(biāo)簽防碰撞控制方法.用μ定義碰撞比例，假設(shè)標(biāo)簽碼長(zhǎng)度為n，其中，有nc位產(chǎn)生碰撞.此時(shí)，碰撞因子可以表示為μ＝nc/n.如果在閱讀識(shí)別范圍內(nèi)，共有m個(gè)可以識(shí)別的標(biāo)簽，那么其中任意一位免于碰撞的概率為0.5m－1，可得

標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)有m個(gè)待識(shí)別標(biāo)簽，系統(tǒng)使用L叉樹，當(dāng)搜索深度為1時(shí)，標(biāo)簽識(shí)別概率為P（1）＝［1－L－1］m－1；當(dāng)搜索深度為k時(shí)，識(shí)別概率為

此時(shí)搜索深度的均值為

圖2　RFID系統(tǒng)組成原理Fig.2　RFID system composition principle

通過設(shè)置時(shí)間窗口的大小檢測(cè)數(shù)據(jù)是否冗余，得到時(shí)頻沖突檢測(cè)平均時(shí)隙數(shù)為

由以上分析可知：食品標(biāo)簽的數(shù)量與出現(xiàn)碰撞的概率成正比.因此，通過沖突檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品安全標(biāo)簽的防碰撞控制.

2.2 食品安全標(biāo)簽防碰撞控制算法實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)一種通過Hashtable保存不同鍵值數(shù)據(jù)的時(shí)間戳的方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)食品安全標(biāo)簽的防碰撞控制.具體有以下5個(gè)步驟.

步驟1 將空的Hashtable食品數(shù)據(jù)送入TABLE.

步驟2 判斷是否存在標(biāo)簽碰撞，碰撞因子可以表示為μ＝nc/n.如果在閱讀識(shí)別范圍內(nèi)，共有m個(gè)可以計(jì)量汲取食品標(biāo)簽的批量識(shí)別標(biāo)簽，將下一次食品數(shù)據(jù)閱讀值送入INCOMING.

步驟3 所有的電子標(biāo)簽都是工作在讀寫器的頻段上，因此，當(dāng)讀寫器喚醒所有標(biāo)簽后，如果INCOMING的時(shí)間戳大于最大窗口時(shí)間，則輸出INCOMING，同時(shí)結(jié)束一次閱讀循環(huán).

步驟4 組件通過關(guān)鍵字provides和uses申明對(duì)接口使用的方式，將食品標(biāo)簽的［INCOMING.key］升級(jí)為時(shí)間戳.

步驟5 終止循環(huán).

3　仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試文中算法在實(shí)現(xiàn)食品安全標(biāo)簽防碰撞控制和食品安全追蹤中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).采用Java語言構(gòu)建開發(fā)在開源的云計(jì)算平臺(tái)框架下進(jìn)行標(biāo)簽讀取的RFID模型.實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境為：Intel－Core3－530 1G內(nèi)存；Windows 7操作系統(tǒng).沖突信號(hào)存儲(chǔ)了100TB的內(nèi)容，每個(gè)內(nèi)容塊的大小為1 MB，統(tǒng)計(jì)表記錄了在當(dāng)前時(shí)間周期［t0，t0＋C］內(nèi)邊界路由器R2轉(zhuǎn)發(fā)給其他AS的所有interest食品安全追蹤報(bào)文的統(tǒng)計(jì)信息，C為周期長(zhǎng)度.仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：食品安全追蹤數(shù)量為1016；節(jié)點(diǎn)數(shù)目為100個(gè)；RFID頻段為13.56MHz；標(biāo)簽分布特征為雙隨機(jī)過程.在上述仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行食品安全標(biāo)簽防碰撞控制實(shí)驗(yàn)，生成的沖突信號(hào)模型，如圖3所示.對(duì)沖突信號(hào)模型進(jìn)行時(shí)頻特征分析，提取能量密度特征，結(jié)果如圖4所示.圖3，4中：t為采樣時(shí)間；t′為時(shí)延.?

圖3　食品安全追蹤標(biāo)簽沖突信號(hào)模型Fig.3　Food safety tracing label conflict signal model

圖4　沖突信號(hào)時(shí)頻能量密度特征Fig.4　Time－frequency energy density characteristics of conflict signals

根據(jù)上述特征提取結(jié)果，對(duì)標(biāo)簽批量讀取，進(jìn)行數(shù)據(jù)的層次化融合，描述食品安全標(biāo)簽的沖突信號(hào)生成模型，并進(jìn)行食品安全標(biāo)簽射頻識(shí)別技術(shù)沖突分流控制，以食品安全檢測(cè)的識(shí)別吞吐率為測(cè)試指標(biāo)，采用傳統(tǒng)方法與新方法識(shí)別速度的比較結(jié)果，如圖5所示.圖5中：η為吞吐率；n為待識(shí)別標(biāo)簽數(shù).

由圖5可知：新提出的標(biāo)簽識(shí)別比傳統(tǒng)的識(shí)別速度更快更有效率，加快了防碰撞的識(shí)別效率，減低了標(biāo)簽防碰撞的機(jī)率，提高了防碰撞檢測(cè)工作效率，避免了資源的浪費(fèi)，提高了食品安全追蹤的效率和準(zhǔn)確性.

圖5　傳統(tǒng)方法與新方法食品標(biāo)簽識(shí)別吞吐率的比較Fig.5　Comparison between traditional methods and new methods for the recognition of food labels

4　結(jié)論

食品的安全追蹤貫穿于食品種植、養(yǎng)殖、加工、包裝、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售、消費(fèi)等活動(dòng)中.在食品安全追蹤過程中，需要根據(jù)標(biāo)簽物資標(biāo)簽批量讀取技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，食品標(biāo)簽批次和計(jì)量具有復(fù)雜性和不規(guī)則性，導(dǎo)致標(biāo)簽信息沖突碰撞，需要進(jìn)行防碰撞控制.研究食品安全標(biāo)簽防碰撞控制算法在保證食品安全追蹤應(yīng)用過程中具有重要意義.

文中提出一種基于沖突檢測(cè)的食品安全標(biāo)簽防碰撞控制方法.構(gòu)建食品安全標(biāo)簽檢測(cè)模型，采用中間件技術(shù)，對(duì)標(biāo)簽批量讀取，進(jìn)行數(shù)據(jù)的層次化融合，描述食品安全標(biāo)簽的沖突信號(hào)生成模型，并進(jìn)行食品安全標(biāo)簽射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）沖突分流控制，達(dá)到防碰撞控制的目的.仿真實(shí)驗(yàn)表明：改進(jìn)的RFID標(biāo)簽防碰撞算法可以改善原有的食品標(biāo)簽RFID識(shí)別系統(tǒng)，加快防碰撞的識(shí)別效率，降低標(biāo)簽防碰撞的

機(jī)率，提高防碰撞檢測(cè)工作效率，避免資源的浪費(fèi)，提高食品安全追蹤的效率和準(zhǔn)確性，在食品安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價(jià)值.

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（責(zé)任編輯：錢筠 英文審校：吳逢鐵）

Collision Avoidance Control Based on Food Label Conflict Detection

CHEN Wei－jun，HUANG Yong－can
（School of Software Engineering，Anyang Normal University，Anyang 455000，China）

Abstract：The paper puts forward a kind of food safety label conflict detection based anti－collision control method.It may read labels bulkily，proceed with level data fusion.By describing the conflict signal generation model of food safety labels and analysis the ultra wide band characteristics of food safety traceability label conflict signal，to realize the food safety control of planting，breeding，processing，packaging，storage，transportation，sale and consumption activities.Based on the technology of radio frequency identification（RFID）of the food safety label and the conflict shunt control to achieve the purpose of anti－collision control.Simulation results show that the method may speed up the anti－collision recognition efficiency，reduce the probability of the label anti－collision and improve the anti－collision detection efficiency.

Keywords：conflict detection；collision avoidance control；food safety；tag；radio frequency identification technology

通信作者：陳衛(wèi)軍（1971－），男，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用的研究.E－mail：cwj＠aynu.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TP 309.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000－5013（2015）04－0417－05

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0417

收稿日期：2015－06－15

基金項(xiàng)目：河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿研究基金資助項(xiàng)目（112300410129）