基于物聯(lián)網(wǎng)的沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)移動報警判斷算法優(yōu)化

劉清松,劉 揚(yáng)

(北京建筑大學(xué) 智慧城市研究所，北京102616)

0 引言

面對廣告繁多且更新變化快的問題，沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)給監(jiān)管人員提供一個實(shí)時監(jiān)測牌匾的集管理、監(jiān)測、預(yù)警為一體的平臺，從而漸漸替代了組織人員定期巡查、耗時耗力且效率低下的現(xiàn)狀。因此，對于牌匾移動情況實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測變得更加迫切，但由于RFID射頻系統(tǒng)自身存在的問題以及外界自然環(huán)境影響[1]，往往會導(dǎo)致大量的牌匾拆卸而發(fā)生移動的錯誤報警，嚴(yán)重影響執(zhí)法和巡檢人員的判斷。如果不能大幅度地提高移動報警的精確度，不僅不能改變?nèi)藛T定期巡查的情況，反而會增加巡檢人員的任務(wù)量，因而解決好移動報警誤報的問題便成了沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)能否真正運(yùn)行的關(guān)鍵。而提高精度的關(guān)鍵在于判斷機(jī)制的優(yōu)化，優(yōu)化前的判斷機(jī)制為主要依靠數(shù)據(jù)入庫服務(wù)進(jìn)行判斷，其原理是對30 min內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行讀取，解析三軸加速度X、Y、Z值，并對同一標(biāo)簽相鄰時間點(diǎn)的X、Y、Z值進(jìn)行比較以180為判斷值，拋出最終異常值。該機(jī)制無法排除外界和自身噪聲誤差的影響，導(dǎo)致報錯情況嚴(yán)重。優(yōu)化后的判斷機(jī)制：在單純的入庫服務(wù)后根據(jù)真實(shí)的誤報數(shù)據(jù)添加了相應(yīng)的消除部分誤差的判斷算法，已達(dá)到優(yōu)化的目的。

1 沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)基本組成

沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)是一個實(shí)時監(jiān)測牌匾的集管理、監(jiān)測、預(yù)警為一體的平臺。其基本組成主要分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分有基站和RFID標(biāo)簽以及后臺服務(wù)器組成。軟件部分由沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)、RFID數(shù)據(jù)接收服務(wù)、數(shù)據(jù)入庫服務(wù)等組成。沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸來接收數(shù)據(jù)[2-3]，具體的工作原理是標(biāo)識卡進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的頻射信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)，解讀器讀取信息并解碼后，送至基站進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的處理，基站運(yùn)用 SIM卡，通過 GPRS 將解析的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，由RFID數(shù)據(jù)接收服務(wù)進(jìn)行接收，隨后數(shù)據(jù)入庫服務(wù)實(shí)時將解析數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

圖1 基于射頻識別的廣告牌匾監(jiān)測流程示意圖

2 沿街牌匾監(jiān)測系統(tǒng)移動報警誤報分析

2.1 標(biāo)簽內(nèi)加速度傳感器本身系統(tǒng)因素

① 系統(tǒng)低頻響應(yīng)差

這有兩方面的原因：加速度傳感器低頻響應(yīng)的截止頻率不夠低，與傳感器配套使用的恒流電壓源或電荷放大器的截止頻率不夠低。

② 系統(tǒng)低頻信噪比差

出現(xiàn)這個情況大多是由于加速度傳感器的低頻噪聲大，這就需要選用滿足低頻信噪比指標(biāo)的傳感器。

2.2 RFID的信號碰撞問題

RFID系統(tǒng)與其他射頻系統(tǒng)一樣，基站在識別標(biāo)簽過程中存在碰撞的問題，嚴(yán)重時會影響基站的標(biāo)簽識別與通信。盡管已通過各種媒體訪問協(xié)議來防止不同類型的碰撞，使其識別和通信的錯誤率降低；但是隨著時間的積累其錯誤率也會有所增加，極端情況下會暫時無法識別標(biāo)簽，導(dǎo)致漏掉報警信息，從而對預(yù)警造成了一定影響[4]。

① 多標(biāo)簽與單閱讀器的碰撞

此類碰撞主要發(fā)生在一個閱讀器的識別區(qū)內(nèi)，一個以上的標(biāo)簽同時發(fā)出使用閱讀器的請求時。多標(biāo)簽與閱讀器間的碰撞極大，尤其是在使用被動標(biāo)簽的環(huán)境中。

② 多閱讀器與單標(biāo)簽的碰撞

此類碰撞主要發(fā)生在單個標(biāo)簽被多個閱讀器識別的情況下。這種情況下，多個閱讀器試圖獨(dú)占單個標(biāo)簽，將會導(dǎo)致標(biāo)簽間隔狀況出錯，甚至不會被識別[5-6]。

③ 閱讀器與閱讀器間的碰撞

此類碰撞是由傳統(tǒng)的頻率干擾引起的，具有相互干擾區(qū)域的多個閱讀器會被同一頻率鎖定[7]。

2.3 標(biāo)簽受潮(下雨)情況下誤報

這種情況發(fā)生在雨天，主要出現(xiàn)在個別密封狀況不是很到位的標(biāo)簽上，證明了標(biāo)簽受潮會導(dǎo)致出現(xiàn)誤報，如表1和表2所示。

表1 2017.6.13中雨

牌匾名稱數(shù)據(jù)丟失狀態(tài)移動報警次數(shù)撕毀報警次數(shù)預(yù)警時間炫世界電玩城正常3正常2017/06/12～2017/06/13

表2 2017.6.23大雨

牌匾名稱數(shù)據(jù)丟失狀態(tài)移動報警次數(shù)撕毀報警次數(shù)預(yù)警時間炫世界電玩城正常3正常2017/06/22～2017/06/23

3 關(guān)于移動報警真實(shí)數(shù)據(jù)的分析

3.1 移動報警的判斷機(jī)制

目前沿街牌匾系統(tǒng)的移動報警是由數(shù)據(jù)入庫服務(wù)進(jìn)行判斷的，其原理是對30 min內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行讀取，解析三軸加速度X、Y、Z值，并對同一標(biāo)簽相鄰時間點(diǎn)的X、Y、Z值進(jìn)行比較，以180為判斷值，拋出最終異常值。這種經(jīng)過一次判斷的異常值可能包含著硬件本身的誤報，環(huán)境對標(biāo)簽的影響等一系列因素所導(dǎo)致的誤報可能。顯然這種一次性的拋出異常就作為提供預(yù)警信息發(fā)出是不夠嚴(yán)密，且存在誤報可能的。我們可以在此判斷的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M及收集的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行二次判斷以達(dá)到盡可能過濾這種客觀環(huán)境，以及其他部分因素所造成的影響，從而降低錯誤報警的幾率。

3.2 基于錯誤報警數(shù)據(jù)的分析

針對移動誤報的情況，搜集了歷次誤報牌匾的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較大，必須進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)比對和總結(jié)，根據(jù)巡檢人員的記錄以及數(shù)據(jù)庫中所記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個比較有規(guī)律性的問題：

① 牌匾上對應(yīng)的標(biāo)簽在未發(fā)生異動的情況下，其三軸加速度值理論上為一個定值X、Y、Z,把該值定義為正常姿態(tài)下的X、Y、Z,但實(shí)際情況是其大小會在理論值的標(biāo)準(zhǔn)上下浮動15左右。

② 這些誤報的標(biāo)簽數(shù)據(jù)中正常姿態(tài)的X、Y、Z與異常報警的對應(yīng)差值僅僅在20之內(nèi)，差值之小根本就無法滿足移動報警的判斷差值為180的閾值，但為什么卻報警了？以下表3、表4為各牌匾移動誤報數(shù)據(jù)。

表3 XXXX1廣告牌匾移動報警數(shù)據(jù)

狀態(tài)信息CardIDXYZ正常姿態(tài)11．0．3．105241-13-10異常報警姿態(tài)11．0．3．105255-14-10異常報警姿態(tài)11．0．3．105254-13-8

表4 XXXX2廣告牌匾移動報警數(shù)據(jù)

狀態(tài)信息CardIDXYZ目前姿態(tài)11．0．3．11811-6-254正常姿態(tài)11．0．3．11812-4-264異常報警姿態(tài)11．0．3．11813-4-275異常報警姿態(tài)11．0．3．11813-3-265

經(jīng)過思考不難推斷：對30 min內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行讀取，解析三軸加速度X、Y、Z值，并對同一標(biāo)簽相鄰時間點(diǎn)的X、Y、Z值進(jìn)行比較，拋出最終異常值。大量的數(shù)據(jù)也可分析出受環(huán)境或硬件本身影響的數(shù)值是突然出現(xiàn)一個異常值而后直接正常引起移動報警，而非持續(xù)出現(xiàn)異常。其出現(xiàn)異常情況如圖2所示模擬情況。

圖2 異常數(shù)據(jù)模擬

3.3 基于真實(shí)移動報警數(shù)據(jù)分析

通過表5和表6的真實(shí)數(shù)據(jù)可以清楚地發(fā)現(xiàn)其標(biāo)簽正常姿態(tài)下的X、Y、Z與異常報警姿態(tài)下的相對差值會變得比較大，表5的相對差值的最大值為75，而表6的相對差值最大值為246，由此可以嘗試通過設(shè)定一個新的閾值對這種移動誤差進(jìn)行二次的判斷，但是通過這兩個真實(shí)實(shí)例無法確定其具體的可以判斷真正移動的閾值，只能證明真實(shí)的移動報警會有相對比較大的相對差值。為此必須通過大量的模擬拆卸實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證一個相對準(zhǔn)確的閾值。

表5 XXXX3廣告牌匾移動真實(shí)報警數(shù)據(jù)

狀態(tài)信息CardIDXYZ正常姿態(tài)11．0．3．1758-8-248異常報警姿態(tài)11．0．3．175-67-39-243

表6 XXXX4廣告牌匾移動真實(shí)報警數(shù)據(jù)

狀態(tài)信息CardIDXYZ正常姿態(tài)11．0．3．104-237-4-15異常報警姿態(tài)11．0．3．1049242-13

3.4 模擬拆卸實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證更加精確的閾值范圍，選取一個與普通牌匾差不多大小的木板，將RFID標(biāo)簽固定在木板的側(cè)面(與實(shí)際硬件部署一致)，并將此木板懸掛于墻上，待其靜止，打開RFID接收服務(wù)和RFID基站進(jìn)行接收信號，然后分別對其進(jìn)行多次模擬不同程度上的拆卸過程來記錄其各種情況下整個過程的X、Y、Z值的變化規(guī)律，從大量數(shù)據(jù)中抽取了其最小到最大閾值中的情況，如表7、表8所示，模擬實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)

表7 閾值較小的模擬數(shù)據(jù)

時間TX加速度值Y加速度值Z加速度值12：03：02243-49012：03：18318-405712：03：31207-2010112：0355171-2212712：04：1111619-312：04：3363371412：04：5524926-5

表8 閾值較大的模擬數(shù)據(jù)

時間TX值Y值Z值12：31：052490412：31：23250-2512：31：372039931712：31：5220283-3412：32：21287-226312：32：57249-114

如圖4和圖5所示，通過這組模擬的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)X、Y、Z方向的加速度值在隨著拆卸的過程都在不斷發(fā)生變化，X方向發(fā)生的變化比較明顯，根據(jù)移動報警的原始機(jī)制，每行讀取，后一行對應(yīng)的X、Y、Z相對進(jìn)行相減運(yùn)算，當(dāng)差值超過180時拋出后一條數(shù)據(jù)，這樣在最后一條(249，26，-5)這組數(shù)據(jù)會被拋出，被認(rèn)定為異常報警數(shù)據(jù)，再進(jìn)行二次判斷機(jī)制，即將異常數(shù)據(jù)與最開始正常時的姿態(tài)(243，-49，0)的值進(jìn)行相對應(yīng)的相減運(yùn)算，得到最大值即為一個判斷閾值，此處Y對應(yīng)差值最大為75。

圖4 閾值較小的模擬數(shù)據(jù)折線圖

圖5 閾值較大的模擬數(shù)據(jù)折線圖

這組數(shù)據(jù)是模擬的拆卸過程力度比較大的一種，因?yàn)橛械牡赇伵曝乙驗(yàn)椴辉俳?jīng)營，便可能采取比較暴力的拆卸，通過這組數(shù)據(jù)的折線圖可以明顯看到其X、Y、Z三個方向的值比上一組數(shù)據(jù)變化要更加顯著，通過這種模擬可以盡量得到閾值范圍中盡可能大的值，根據(jù)首次的移動報警判斷機(jī)制可以得出在(20，399，317)和(202，83，-34)這兩組數(shù)據(jù)會拋出為移動報警的異常值。然后再通過二次判斷的運(yùn)算得出最大值分別為401和351，選取最大值為最大閾值，即為401。這樣便可以暫且以75為二次判斷的判斷閾值，即大于等于75即可認(rèn)為真實(shí)的移動報警。

4 移動報警機(jī)制算法及流程

假設(shè)有n條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)都有X、Y、Z三個值，將該標(biāo)簽正常姿態(tài)下的X、Y、Z分別稱為X正常、Y正常、Z正常，前一條數(shù)據(jù)為Xi、Yi、Zi，則后一條數(shù)據(jù)為Xi+1、Yi+1、Zi+1。 然后定義一個函數(shù)F(X)=MAX(X、Y、Z)，即取括號中元素最大值。

① 正常姿態(tài)X正常、Y正常、Z正常值的獲取

即獲取同精度獨(dú)立觀測值的算術(shù)平均值，以一個牌匾上的標(biāo)簽為例，假設(shè)在一段時間內(nèi)測得N條數(shù)據(jù),可以得到N個X、Y、Z,則：

(1)

(2)

(3)

② 首次移動判斷

F2(X,Y,Z)=MAX(Xi+1-X,Yi+1-Y,Zi+1-Z)。

(4)

對文件中的n條數(shù)據(jù)遍歷運(yùn)算，當(dāng)F1(X、Y、Z)>180時拋出(Xi+1,Yi+1,Zi+1)即認(rèn)為此為初次判斷的移動報警異常值。

③ 二次移動判斷

在首次判斷的基礎(chǔ)上對拋出的初次判斷異常值進(jìn)行再次判斷。

F2(X,Y,Z)= MAX(Xi+1-X正常,Yi+1-Y正常,
Zi+1-Z正常)。

(5)

對拋出的初次判斷異常值進(jìn)行F2(X、Y、Z)運(yùn)算，當(dāng)F2(X、Y、Z)>75時拋出(Xi+1,Yi+1,Zi+1)為最終真實(shí)移動報警數(shù)據(jù)。移動報警判斷流程如圖6所示。

圖6 移動報警判斷流程

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

將兩種預(yù)警方式全都打開其短信發(fā)送功能，用以測試其準(zhǔn)確性上的差異性，即通過單純首次報警便發(fā)送短信的機(jī)制和通過二次報警收到的預(yù)警兩種方式。通過單純首次報警便發(fā)送短信的機(jī)制收到的預(yù)警短信數(shù)：從2017.5.23～2017.6.25 共19條，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前判斷發(fā)送的預(yù)警短信

通過二次報警收到的預(yù)警短信數(shù)：從2017.5.23～2017.6.25 準(zhǔn)確說共3條，如圖8所示。而就準(zhǔn)確性而言首次判斷的預(yù)警19條中成功預(yù)警1條，成功率1/19。而二次判斷收3條，1條為成功，此時不能簡單地說它的成功率為1/3,因?yàn)槠渑懦?6條有問題的錯誤預(yù)警，且此3條中的后兩條即錯誤報警的2條為6.13號和6.23號大雨標(biāo)簽進(jìn)水所造成的，且為同一標(biāo)簽，且該標(biāo)簽現(xiàn)場證明已發(fā)現(xiàn)其個體防水存在問題造成，其他67個標(biāo)簽無此X、Y、Z數(shù)值突變現(xiàn)象，故該標(biāo)簽X、Y、Z數(shù)值突變?yōu)閭€別現(xiàn)象，只需更換掉該異常標(biāo)簽便可去除此單一故障標(biāo)簽引起的誤報情況，其二次判斷準(zhǔn)確性還是很高的。

圖8 優(yōu)化后判斷發(fā)送的預(yù)警短信

6 結(jié)束語

影響標(biāo)簽移動報警誤報的原因很多，例如電子標(biāo)簽的系統(tǒng)低頻響應(yīng)差、系統(tǒng)低頻信噪比差以及外界的各種環(huán)境因素都會對其造成影響。雖說RFID射頻技術(shù)作為比較穩(wěn)定的技術(shù)，但是對于長時間部署的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其錯誤的次數(shù)會隨著時間的持續(xù)而增加。硬件上存在的誤差可能無法真正解決，因?yàn)樵倬艿膬x器也存在誤差，但是可以通過測繪中平差的思想，對其誤差進(jìn)行一系列的“平差”處理，便可以盡可能地在原有基礎(chǔ)上提高精度和準(zhǔn)確性，從而滿足工程的需求。

[1] 王志偉,閆秀霞,孫寶連.RFID技術(shù)應(yīng)用研究綜述及研究趨勢展望[J].物流技術(shù),2014,33(9):1-5,10.

[2] 王洪鐘,武利亞.信息化城市管理的成功實(shí)踐——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于戶外廣告監(jiān)管系統(tǒng)[J].城市管理與科技,2009,11(4):46-49.

[3] 徐兵,王晗.基于GIS的城市數(shù)字交通管理信息系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)[J].計算機(jī)與數(shù)字工程,2005 (12):16-18,42.

[4] 王永.RFID系統(tǒng)中的碰撞問題研究[D].上海：華東師范大學(xué),2009.

[5] 李劍丹.RFID系統(tǒng)中多閱讀器環(huán)境下防碰撞問題的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2014.

[6] 李雪,陸百川,李政.RFID系統(tǒng)多閱讀器防碰撞問題研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,31(3):435-438,442.

[7] 陳敏,殷瑞祥.RFID系統(tǒng)中閱讀器碰撞問題的研究[J].金卡工程,2005(4):30-33.