林產(chǎn)品物流RFID手持機(jī)中間件的設(shè)計(jì)

陳清耀 林敏敏 林宇洪 邱榮祖

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002）

林產(chǎn)品物流RFID手持機(jī)中間件的設(shè)計(jì)

陳清耀 林敏敏 林宇洪 邱榮祖

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002）

林產(chǎn)品物流應(yīng)用RFID管理時(shí)，存在著標(biāo)簽數(shù)量變化范圍大的問題，傳統(tǒng)固定幀時(shí)隙的抗碰撞算法效率僅為0.116。為了解決該問題，本研究選擇了空降兵DS5 UHF RFID手持機(jī)為硬件基礎(chǔ)，應(yīng)用Microsoft Visual Studio 2013作為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了林產(chǎn)品物流RFID手持機(jī)系統(tǒng)。采用抗碰撞算法進(jìn)行仿真，獲得了9條識(shí)別標(biāo)簽數(shù)據(jù)，通過幀長和識(shí)別標(biāo)簽數(shù)反推外界標(biāo)簽的總規(guī)模數(shù)，調(diào)整下一幀的幀長與之匹配，從而提高了RFID系統(tǒng)在林產(chǎn)品物流場景中的識(shí)別效率，提高至0.315。

RFID；SDK；多目標(biāo)識(shí)別；抗碰撞算法；林產(chǎn)品

2014年我國林產(chǎn)品出口總額達(dá)722.0億美元，中國已經(jīng)成為林產(chǎn)品加工大國和貿(mào)易大國［1］，隨著林產(chǎn)品國際市場的競爭加劇，國際貿(mào)易非關(guān)稅壁壘也不斷增加，提高了發(fā)達(dá)國家林產(chǎn)品市場的準(zhǔn)入門檻。中國企業(yè)加強(qiáng)林產(chǎn)品加工管理和流向追蹤，提供完整的生產(chǎn)日志，證明產(chǎn)品原料來源合法，保證質(zhì)量安全，保護(hù)消費(fèi)者利益，是應(yīng)對(duì)綠色壁壘的重要方法之一。

通過對(duì)福建省多個(gè)林產(chǎn)品企業(yè)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)林產(chǎn)品生產(chǎn)作業(yè)和物流管理大多發(fā)生在戶外，因此設(shè)計(jì)為手持機(jī)系統(tǒng)具有更廣泛的應(yīng)用空間。生產(chǎn)調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，林產(chǎn)品概念寬廣，其中木制工藝品和林副產(chǎn)品的體積差異很大，采用RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)林產(chǎn)品時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)的標(biāo)簽數(shù)量變化范圍大，通常在1～300內(nèi)隨機(jī)變化。市售RFID系統(tǒng)因?yàn)槠毡椴捎霉潭◣瑫r(shí)隙的抗碰撞算法，幀時(shí)隙被設(shè)定后，能夠適應(yīng)的標(biāo)簽變化范圍不大，因此在林產(chǎn)品生產(chǎn)作業(yè)中識(shí)別效率不高，因此還需要設(shè)計(jì)一種林產(chǎn)品物流可通用的抗碰撞算法。通過技術(shù)對(duì)比，本研究選擇超高頻（UHF）頻段的被動(dòng)式RFID識(shí)別技術(shù)，基于ALOHA的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙抗碰撞算法，設(shè)計(jì)手持機(jī)中間件，能較好地適應(yīng)標(biāo)簽數(shù)量的隨機(jī)變化。

1 硬件基礎(chǔ)概述

選擇空降兵DS5 UHFRFID手持機(jī)為硬件基礎(chǔ)，其內(nèi)置系統(tǒng)是Wince 6.0，可采用Microsoft Visual Studio 2013的智能終端開發(fā)方法，選擇C＋＋.net語言開發(fā)手持機(jī)系統(tǒng)。該手持機(jī)采用積木式架構(gòu)，可搭配符合通用串口標(biāo)準(zhǔn)的各種硬件模塊，如超高頻RFID模塊、二維碼掃描模塊、GPRSModem和WIFI模塊。實(shí)現(xiàn)不同的功能組合，每種硬件模塊的生產(chǎn)廠商都提供了軟件開發(fā)工具包二次開發(fā)庫，有效地降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。參考物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的思想，設(shè)計(jì)RFID手持機(jī)總體架構(gòu)見圖1，包含5個(gè)模塊，至底向上設(shè)計(jì)為讀卡器天線模塊、讀卡器硬件模塊2個(gè)硬件單元，和讀卡器讀寫模塊、中間件模塊、無線通訊模塊3個(gè)軟件單元。無線通訊部分選擇GPRS技術(shù)。

讀卡器天線模塊向空氣幅射電磁能量，并捕獲能量區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽信號(hào)；讀卡器硬件模塊則控制讀卡器天線模塊完成標(biāo)簽識(shí)別的工作［2］；利用C＋＋.net編寫讀卡器讀寫模塊，調(diào)用廠商提供的SDK控制硬件端讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)，同時(shí)把從硬件端獲得的標(biāo)簽號(hào)，提供給中間件模塊；中間件模塊把大量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、清洗、排序、壓縮處理，把干凈的、簡潔的標(biāo)簽數(shù)據(jù)提供給無線通訊模塊；無線通訊模塊”調(diào)用WIFI模塊或GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，最終將標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳遞給云端的應(yīng)用系統(tǒng)。

2 中間件設(shè)計(jì)

RFID中間件是RFID系統(tǒng)軟件的核心部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)RFID標(biāo)簽上所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正、揀選、匯總和運(yùn)算等工作。RFID閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)送的無線射頻信號(hào)，將數(shù)據(jù)解碼后傳給中間件。中間件將精簡數(shù)據(jù)傳給通訊模塊，減輕通訊模塊的工作負(fù)荷。中間件不僅能保證有效的數(shù)據(jù)通信，減少通信數(shù)據(jù)量，加快了傳輸速度，除此之外還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性［3］。

2.1 中間件功能分析

在物流作業(yè)中，感知層需要識(shí)別的目標(biāo)往往較多，一般通過頻繁掃描來降低漏掃率。頻繁掃描形成了海量數(shù)據(jù)，但其中絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)是冗余的，可以被合并精簡。另外，現(xiàn)代硬件技術(shù)更新?lián)Q代很快，應(yīng)用層的云端系統(tǒng)如果直接控制感知層的RFID硬件，隨著RFID硬件升級(jí)，應(yīng)用層軟件必須重新編寫，提高了軟件的維護(hù)成本。所以，引入中間件是物聯(lián)網(wǎng)軟件工程應(yīng)對(duì)硬件升級(jí)的有效策略，首先中間件降低了感知層和網(wǎng)絡(luò)層之間的通訊量，協(xié)調(diào)了硬件響應(yīng)和通訊速率之間的矛盾，提高系統(tǒng)的響應(yīng)效率；第二，中間件實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)性，因此硬件升級(jí)，只要重寫中間件即可，無需重新開發(fā)應(yīng)用層軟件［4］。

RFID中間件應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：1）阻擋系統(tǒng)外的無效數(shù)據(jù)。現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)境中越來越多的物品使用了RFID技術(shù)，捕獲的RFID數(shù)據(jù)中一部分和本系統(tǒng)無關(guān)系，所以需要阻擋這些無效數(shù)據(jù)，避免增加應(yīng)用層云系統(tǒng)不必要的工作壓力［5］。2）清洗系統(tǒng)內(nèi)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。RFID在通訊中偶爾會(huì)產(chǎn)生通訊錯(cuò)誤，中間件應(yīng)能識(shí)別并刪除這類錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。3）應(yīng)根據(jù)事件急緩程度進(jìn)行通訊等級(jí)排序，對(duì)生產(chǎn)事件的處理順序進(jìn)行優(yōu)化。4）對(duì)海量的RFID傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)合并和壓縮，合并冗余數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡(luò)通訊的壓力。5）中間件應(yīng)當(dāng)對(duì)RFID讀卡器模塊、GPRS通訊模塊等硬件具有控制能力。6）內(nèi)置優(yōu)秀的抗碰撞算法。

2.2 中間件架構(gòu)設(shè)計(jì)

中間件是傳感器硬件和云端軟件之間的通訊橋梁，中間件處在感知層和通訊層的結(jié)合處上，一端處理感知層的海量數(shù)據(jù)，一端安排通訊任務(wù)，實(shí)現(xiàn)硬件管理及通訊信息的管制［6］。本研究設(shè)計(jì)的中間件以RFID數(shù)據(jù)處理為主要任務(wù)，在DS5的基礎(chǔ)硬件結(jié)構(gòu)上搭配一維碼激光傳感器、二維碼機(jī)器視覺傳感器，并將其他傳感器納入中間件的統(tǒng)一管理，且抗碰撞算法僅對(duì)RFID讀卡器有效。設(shè)計(jì)RFID中間件的架構(gòu)見圖2［7-8］。

2.3 RFID模塊接口設(shè)計(jì)

采用C＋＋.net開發(fā)語言，對(duì)手持機(jī)讀卡器硬件模塊實(shí)現(xiàn)控制，主要涉及以下4個(gè)功能：1）打開串口且連接UHF；2）關(guān)閉串口且斷開UHF；3）實(shí)現(xiàn)抗碰撞識(shí)別；4）讀取RFID標(biāo)簽。該程序支持通過調(diào)整Q值，來改變幀長，從而為抗碰撞算法優(yōu)化提供了可能。RFID模塊接口程序流程見圖3。

2.4 GPRS模塊接口設(shè)計(jì)

DS5的硬件架構(gòu)可以同時(shí)支持GPRS和Wifi 2種無線通訊方式。在戶外作業(yè)，通常只能采用GPRS通訊方式，調(diào)用廠商SDK編寫程序，采用GPRS撥號(hào)上網(wǎng)方式，把中間件模塊精簡后的數(shù)據(jù)，向云端應(yīng)用系統(tǒng)傳送。其核心指令為：

“BOOL ret=initGPRS（）”用于判斷GPRSModem模塊的硬件是否可以啟動(dòng)；

“BOOL ret=CGPRS＿DemoApp.moduleOK（）”用于判斷是否可以實(shí)現(xiàn)GPRS的網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)連接；

“BOOL ret=CGPRS＿DemoApp.HadSIM（）”用于判斷手持機(jī)上安裝的SIM卡是否有效。

3 防碰撞算法的優(yōu)化

中間件工作效率取決于抗碰撞算法。林產(chǎn)品物流的場景中同時(shí)出現(xiàn)的標(biāo)簽數(shù)量變化范圍大，所以需要設(shè)計(jì)一種高效率的抗碰撞算法。

3.1 標(biāo)簽狀態(tài)變換分析

滿足EPC GEN2標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽必須能夠?qū)崿F(xiàn)就緒、仲裁、應(yīng)答、確認(rèn)、開放、保護(hù)以及殺死7個(gè)工作狀態(tài)［9］，基于ALOHA抗碰撞算法中標(biāo)簽狀態(tài)變換原理圖見圖4?！癈MD”指為了改變RFID標(biāo)簽狀態(tài)所需要的硬件指令，“動(dòng)作”指RFID讀卡器硬件接收到“CMD”指令后產(chǎn)生行為，“應(yīng)答”指RFID讀卡器完成行為后向上位機(jī)返回的信息。識(shí)別標(biāo)簽的流程必須在“就緒”狀態(tài)才能有效執(zhí)行，抗碰撞算法必須遵循“仲裁、應(yīng)答、確認(rèn)”3種標(biāo)簽狀態(tài)的變化原則。

3.2 碰撞概率模型分析

對(duì)幀時(shí)隙ALOHA抗碰撞算法數(shù)學(xué)分析，設(shè)讀寫器使用的幀時(shí)隙數(shù)為N，標(biāo)簽數(shù)為n（n≥2），標(biāo)簽自由選擇和讀卡器的通訊時(shí)隙，選擇同一時(shí)隙的標(biāo)簽數(shù)量R服從二項(xiàng)分布概率模型，即R～B（n，1/N）。故：

其中：P（R=1）表示1個(gè)時(shí)隙中只有1個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答的概率，此時(shí)標(biāo)簽可被識(shí)別。函數(shù)P為離散函數(shù)，不能簡單采用求導(dǎo)的方式計(jì)算極值，利用n個(gè)正數(shù)的均值不等式：

其中：a1，a2，…，an均為正數(shù)，且當(dāng)且僅當(dāng)a1= a2=…=an時(shí)，等號(hào)成立。故化簡得：

上式當(dāng)且僅當(dāng)（n-1）/N=（1-1/N），即n=N時(shí)，等號(hào)成立，P（R=1）取最大值（1-1/n）n-1。

因此，當(dāng)讀寫器每幀的時(shí)隙數(shù)N恰好和現(xiàn)場的標(biāo)簽數(shù)n相等時(shí)，單時(shí)隙的識(shí)別概率最高。當(dāng)n=N且n趨于無究大時(shí)，單時(shí)隙識(shí)別概率的極大值為：

上述數(shù)學(xué)分析還說明，標(biāo)簽數(shù)量n與幀時(shí)隙數(shù)N不匹配時(shí)，RFID讀寫器的識(shí)讀效率會(huì)下降。如標(biāo)簽數(shù)過少，形成較多的空閑時(shí)隙；而標(biāo)簽數(shù)過多，形成較多的碰撞時(shí)隙。

3.3 識(shí)別標(biāo)簽數(shù)曲線的繪制

采用MATLAB R2014a按圖4所示的標(biāo)簽變化狀態(tài)流程，編寫仿真程序，模擬標(biāo)簽的選擇通訊時(shí)隙的行為，對(duì)碰撞現(xiàn)象進(jìn)行仿真試驗(yàn)［10］。在不同幀長規(guī)模和標(biāo)簽規(guī)模時(shí)各仿真10 000次，測定各種條件下的標(biāo)簽識(shí)別平均值。圖5反映了在幀長為64的工作狀態(tài)下，標(biāo)簽變化范圍從0至512，不同的標(biāo)簽數(shù)量所對(duì)應(yīng)的識(shí)別數(shù)。同法依次做出帳長為2、4、8、16、32、64、128、256及512條件下的識(shí)別標(biāo)簽數(shù)柱形圖，存儲(chǔ)成查詢表。因此，可利用上一次識(shí)別時(shí)的幀長、識(shí)別標(biāo)簽數(shù)2個(gè)已知條件，通過查表法，反推外界標(biāo)簽規(guī)模。

3.4 反推外界標(biāo)簽規(guī)模的方法

當(dāng)讀寫器每幀的時(shí)隙數(shù)N恰好和現(xiàn)場的標(biāo)簽數(shù)n相等時(shí)，單時(shí)隙的識(shí)別概率最高［11］。本研究算法通過上一次RFID掃描時(shí)的幀長和識(shí)別標(biāo)簽數(shù)查表反推外界標(biāo)簽規(guī)模，把RFID讀卡器的幀長設(shè)定為推算值，進(jìn)行新一次掃描，并根據(jù)新的識(shí)別數(shù)據(jù)修正推算值。通過幾次推算并修正推測值后，推測的標(biāo)簽總規(guī)模將接近真實(shí)數(shù)量。由于幾次推算后，幀長已接近于外界實(shí)際的標(biāo)簽規(guī)模數(shù)，推算流程圖見圖6。該優(yōu)化算法能迅速調(diào)整ALOHA動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙的幀長，適應(yīng)林產(chǎn)品物流環(huán)境中標(biāo)簽數(shù)量變化幅度大的特點(diǎn)，提高幀中識(shí)別時(shí)隙的出現(xiàn)概率，降低幀中碰撞時(shí)隙和空閑時(shí)隙的概率，因此能提高RFID讀寫器工作效率。

4 實(shí)測與討論

識(shí)別效率公式如下：

式中：P為識(shí)別效率；為第ni幀識(shí)別時(shí)隙的數(shù)量；mi為第i幀總時(shí)隙數(shù)量。

市售的RFID系統(tǒng)因?yàn)椴捎霉潭◣瑫r(shí)隙，在標(biāo)簽數(shù)量1～300動(dòng)態(tài)變化的工作場景中，幀時(shí)隙通常被設(shè)定為128，應(yīng)用手持機(jī)設(shè)備實(shí)驗(yàn)測定識(shí)別效率僅為0.116，在林產(chǎn)品快速通過掃描區(qū)域時(shí)，容易發(fā)生漏掃現(xiàn)象。針對(duì)識(shí)別效率低的問題，本研究開發(fā)了一套林產(chǎn)品物流RFID手持機(jī)系統(tǒng)，以C＋＋.net語言對(duì)廠商提供的SDK接口進(jìn)行二次開發(fā)，并針對(duì)林產(chǎn)品物流中標(biāo)簽數(shù)量變化范圍大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種抗碰撞算法，能夠在幾次推算過程中確定外界的標(biāo)簽規(guī)模數(shù)，利用設(shè)置幀長和標(biāo)簽規(guī)模一致的方法，提高識(shí)別時(shí)隙的出現(xiàn)概率。

在標(biāo)簽數(shù)量1～300動(dòng)態(tài)變化的工作場景中，應(yīng)用手持機(jī)設(shè)備實(shí)驗(yàn)測定綜合識(shí)別效率提高至0.315，接近于ALOHA算法的理論極限值0.368。在上述抗碰撞算法的基礎(chǔ)上，還可通過使標(biāo)簽的極化方向與天線一致、使用大尺寸標(biāo)簽以及手持機(jī)外接天線等方式提高標(biāo)簽的識(shí)別效率。

UHF RFID手持終端體積小，攜帶方便，識(shí)別距離中等，具有高可靠性，低功耗，操作簡單，模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、物流管理、金融交易領(lǐng)域中。但因?yàn)槭殖謾C(jī)射頻功率有限，識(shí)別距離僅在3 m內(nèi)，最多只能進(jìn)行300個(gè)標(biāo)簽規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，日后將把該算法移值到大型RFID設(shè)備，進(jìn)行更大規(guī)模的標(biāo)簽識(shí)別測試。

［1］ 2014年全國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年報(bào)分析報(bào)告［EB/OL］.［2015-05-06］.http：//www.forestry.gov.cn/main/225/content-763186.html.

［2］ Peers Sven，Gasparin C P，Blackburn DW K etal.RFID tags for identifying and verifying agrochem icals in food traceability systems［J］.Precision Agric，2009（10）：382-394.

［3］ 單承贛，單玉峰，姚磊，等.射頻識(shí)別（RFID）原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］ 張智文.射頻識(shí)別技術(shù)理論與實(shí)踐［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［5］ 林宇洪，沈嶸楓，邱榮祖.南方林區(qū)林產(chǎn)品運(yùn)輸監(jiān)管系統(tǒng)的研發(fā)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（5）：130-135.

［6］ 郭曼，朱海鵬，酈晶.基于數(shù)據(jù)網(wǎng)格的RFID農(nóng)產(chǎn)品跟蹤與追溯系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（11）：101.

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（責(zé)任編輯 曹 龍）

Design of the RFID Handset System for Forest Products Logistics

Chen Qingyao，Lin Minmin，Lin Yuhong，Qiu Rongzu
（College of Communication and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou Fujian 350002，China）

The range ofamountof electronic tagswas excessively changed when RFID was applied in forest p roducts logisticsmanagement，and the efficiency of the traditional fixed frame time slot is on ly 0.116.To solve the prob lem，this study chose the airborne troops DS5 UHF RFID handsetas the hardware foundation and used Microsoft Visual Studio2013 as the development tool to design the RFID handset system of forest products logistics.In the paper，simulation testswere carried out by using collision-resistant algorithm，and obtained nine identification tags.the scale of the external electronic tags can be estimated through the frame length and the number of recognized tags.The identifiable efficiency of the RFID system achieved 0.315 by ad justing the frame length of the next frame.

RFID；SDK；multi-target recognition；anti-collision algorithm；forest products

S782

A

2095-1914（2016）02-0146-06

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.025

2015-09-08

福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目（K5314005A）資助；福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510389079）資助。

第1作者：陳清耀（1992—），男，碩士生。研究方向：交通運(yùn)輸工程。Email：845721546@qq.com。

邱榮祖（1961—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：物流技術(shù)及交通運(yùn)輸。Email：419723301@qq.com。