基于RFID技術(shù)的自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法研究

許仙明 吳敏 吳靜進(jìn) 胡小兵 朱淑云

摘要：RFID技術(shù)具有安全可靠、可遠(yuǎn)距離識別等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能識別與機(jī)器人技術(shù)中。傳統(tǒng)的類標(biāo)簽算法普遍存在不足，文中基于RFID技術(shù)研究了自適應(yīng)分組的標(biāo)簽防碰撞算法。自適應(yīng)分組的標(biāo)簽防碰撞算法在一定程度上改善了多目標(biāo)標(biāo)簽的情形，提高了系統(tǒng)的識別速度，且利用了閱讀器與標(biāo)簽中的信息通道。仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法可以大幅減少能量損耗，提高識別精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)算法的不足。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)分組;標(biāo)簽防碰撞算法;RFID技術(shù);信號控制;參數(shù)設(shè)定;仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TN959.1+7-34;TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0055-04

在自動識別技術(shù)的發(fā)展中，有諸多識別技術(shù)，其有各自的優(yōu)勢。但由于射頻識別技術(shù)其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于物流、AGV、倉儲等行業(yè)，研究者也著手研究功能更加成熟的RFID技術(shù)[1-3]。

RFID技術(shù)的防碰撞算法是近年來的研究熱點(diǎn)，本文在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有RFID標(biāo)簽防碰撞技術(shù)的缺點(diǎn)和局限性，并在現(xiàn)有防碰撞算法的基礎(chǔ)上[4-6]，研究了自適應(yīng)標(biāo)簽分組的防碰撞算法。標(biāo)簽防碰撞算法的基本思路是在檢測到有其他信號源發(fā)送信號時，射頻識別系統(tǒng)內(nèi)信號發(fā)生器停止發(fā)生指令。再經(jīng)過一段時間后，若無干擾信號，則繼續(xù)發(fā)生信號，以此來減少發(fā)生碰撞的概率。仿真結(jié)果表明，基于RFID技術(shù)的自適應(yīng)分組標(biāo)簽的防碰撞算法在滿足通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，可以較好地達(dá)到防碰撞的目的，該算法具有良好的實(shí)用價值。

1 RFID基本原理

RFID又稱為射頻識別技術(shù)，射頻識別系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是中央處理系統(tǒng)、標(biāo)簽和閱讀器，各部分之間的聯(lián)系如圖1所示[7-8]。

1.1 閱讀器

閱讀器是射頻識別系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，即與標(biāo)簽進(jìn)行雙向通信，并接收其他設(shè)備發(fā)出的指令。射頻識別系統(tǒng)的工作頻率與閱讀器的工作頻率緊密相關(guān)，且構(gòu)成因果關(guān)系。閱讀器的工作頻率影響整個系統(tǒng)的頻率，系統(tǒng)的識別距離由閱讀器決定。因此，閱讀器在射頻識別系統(tǒng)中起著重要的作用，其是射頻識別系統(tǒng)的控制中心，起控制整個系統(tǒng)和處理信息的作用。

1.2 標(biāo) 簽

射頻識別系統(tǒng)的另一個重要組件是標(biāo)簽，也是防碰撞算法的核心部件。標(biāo)簽用于存儲數(shù)據(jù)，在識別系統(tǒng)中起到重要作用。其可以實(shí)現(xiàn)自動管理，自動將獲取的信號傳輸?shù)阶R別系統(tǒng)，方便用戶使用。標(biāo)簽由邏輯控制單元控制信息的存儲，其具有芯片和射頻接口。與其他的通信系統(tǒng)類似，標(biāo)簽又被稱作接收器。標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)見圖2。

1.3 中央處理系統(tǒng)

射頻識別系統(tǒng)的核心是中央處理系統(tǒng)，其是整個系統(tǒng)的控制中心。讀寫器獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)，中央處理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和處理。同時，管理內(nèi)部的存儲、控制閱讀器。典型的RFID為無源系統(tǒng)，表1為無源RFID的技術(shù)參數(shù)。

2 算法設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際的射頻識別系統(tǒng)應(yīng)用中，通常難以事先獲取標(biāo)簽的總數(shù)目，即無法根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)量確定最佳幀長。而幀長是影響整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)防碰撞算法所要用到的一個參數(shù)。在傳統(tǒng)的時隙ALOHA算法中，無法獲得最佳幀長，存在局限性[9-10]。為解決這一問題，本文提出了基于RFID技術(shù)的自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法。其通過將獲取到的標(biāo)簽進(jìn)行動態(tài)分組.來識別和確定幀長，改善時隙ALOHA算法。自適應(yīng)分組標(biāo)簽的防碰撞算法（TAAG）核心思想是合理地對標(biāo)簽進(jìn)行分組，并對標(biāo)簽進(jìn)行編號。按照一定的原則將所有標(biāo)簽進(jìn)行動態(tài)分組，通過射頻識別系統(tǒng)識別每一組的標(biāo)簽。依據(jù)系統(tǒng)的識別結(jié)果，可以估計(jì)整個系統(tǒng)的標(biāo)簽數(shù)量，獲得最佳幀長。

2.1 算法步驟

自適應(yīng)分組標(biāo)簽算法涉及標(biāo)簽的幾個工作狀態(tài)，分別為準(zhǔn)備狀態(tài)、待命狀態(tài)和靜默態(tài)[11]。

準(zhǔn)備狀態(tài)（READY）：當(dāng)系統(tǒng)處于該狀態(tài)時，標(biāo)簽處于詢問狀態(tài)，此時的標(biāo)簽準(zhǔn)備接收訪問。

待命狀態(tài)（STANDBY）：在準(zhǔn)備狀態(tài)之后，標(biāo)簽內(nèi)部將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，并通過標(biāo)簽分組，再選擇一個分組的標(biāo)簽進(jìn)行算法識別，被選中標(biāo)簽所處的狀態(tài)稱為待命狀態(tài)。

靜默態(tài)（QUIET）：在待命態(tài)之后，標(biāo)簽不再參與后續(xù)識別過程，該狀態(tài)被稱為靜默態(tài)。

在自適應(yīng)分組算法中，通過射頻識別系統(tǒng)的識別算法步驟為：當(dāng)標(biāo)簽寄存器中的數(shù)值全為0時，識別系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)簽把本身的地址發(fā)送給閱讀器;在固定的時間間隔內(nèi)，若標(biāo)簽和閱讀器之間能夠正常進(jìn)行通信，則將其看作成功時隙。

2.2 標(biāo)簽防碰撞算法

標(biāo)簽防碰撞算法的基本思路是標(biāo)簽與閱讀器發(fā)送通信時，若有其他標(biāo)簽干擾，則多個標(biāo)簽發(fā)送的信號出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，會使得物體之間發(fā)生完全或非完全碰撞。為了避免物體碰撞，在檢測到有其他信號源發(fā)送信號時，射頻識別系統(tǒng)停止發(fā)生指令。經(jīng)過一段時間后，若檢測到無干擾信號，則繼續(xù)發(fā)生信號，以此來減少發(fā)生碰撞的概率。

2.3 算法分析

自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，是用二進(jìn)制數(shù)來表示的。在傳輸過程中，最高碰撞位被傳輸?shù)缴漕l識別系統(tǒng)中，若標(biāo)簽的ID為M位，則傳輸?shù)拇螖?shù)為：

m= log2M

（1）

用二進(jìn)制位來表示碰撞信息，可以提高精確度，且在傳輸過程中，可以減少有效信息的丟失。對于任意一個標(biāo)簽的分組，若有Mi個需要識別的標(biāo)簽，系統(tǒng)則自動計(jì)算需要碰撞的次數(shù)，自動選擇搜索算法來查詢，且查詢次數(shù)公式為：

根據(jù)自適應(yīng)分組算法的特點(diǎn)，無論查詢次數(shù)和標(biāo)簽處理數(shù)據(jù)是否滿足條件，系統(tǒng)均會動態(tài)使用自適應(yīng)分組搜索，且搜索時間為：

3 算法仿真結(jié)果與分析

本節(jié)將通過仿真實(shí)例來說明自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法的優(yōu)點(diǎn)。在仿真的過程中，使用到了3個參數(shù)，用來衡量算法的性能，分別是吞吐率、Number of Slots（NoS）、Required Cycles'12'。

吞吐率：通過S時隙的數(shù)目與總時隙數(shù)目之比，其反應(yīng)了信道的使用率。

Throughput=S/S+E+C

Number of Slots：其用來描述閱讀器訪問數(shù)據(jù)庫時所花的時間。花費(fèi)的時間越短，表示算法的性能越強(qiáng)。

Required Cycles：其是描述算法性能的通信參數(shù)，表征射頻識別系統(tǒng)通信能力的強(qiáng)弱。

綜合以上3個參數(shù)，可以判斷防碰撞算法的優(yōu)劣。在本文自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法的仿真分析中，采用蒙特卡羅方法，將初始數(shù)據(jù)設(shè)為：M=4，A=4，L表示幀時隙長度。仿真對吞吐率、識別時隙數(shù)和識別周期數(shù)進(jìn)行跟蹤。圖3是本文自適應(yīng)分組算法仿真結(jié)果圖。從圖中可以看出，算法在閱讀器閱讀標(biāo)簽時，有更少的Cy-cles數(shù)目，可以減少算法使用閱讀器和標(biāo)簽的通信次數(shù)。相對于其他算法，該算法的防碰撞率更高，其使用到的標(biāo)簽數(shù)更少，這也說明了該算法的優(yōu)越性。不同算法的比較，如表2所示。

4 結(jié)語

本文基于RFID技術(shù)研究自適應(yīng)分組標(biāo)簽的防碰撞算法，通過將獲取到的標(biāo)簽進(jìn)行動態(tài)分組，來識別和確定幀長，改善了傳統(tǒng)的時隙ALOHA算法。雖然TAAG算法和TAPC算法均可維持識別精度，且有較好的應(yīng)用價值，但本文提出的自適應(yīng)算法在性能上更優(yōu)，能夠彌補(bǔ)難以獲取幀長的缺陷。其使用到的標(biāo)簽數(shù)更少，且該算法的防碰撞率更高，更具備節(jié)能性，為后續(xù)研究工作提供了理論依據(jù)。在后續(xù)研究中，將研究在大規(guī)模標(biāo)簽分組情形下，提高算法的防碰撞能力。

參考文獻(xiàn)

[1]莫崇江.一種改進(jìn)的搜索樹RFID防碰撞算法[J]電子測量技術(shù)，2018 .41（ 21）：59-62.

MO Chongjiang. An improved search tree RFID anti-collisionalgorithm [J]. Eleclronic measurement technology， 2018， 41（ 21）：59-62.

[2]王紅艷.RFID聯(lián)合路由選擇技術(shù)在自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]白動化與儀器儀表，2018（ 10）：37-39.

WANG Hongyan. Application of RFID joint routing selectiontechnology in automated logistics system [J]. Automation and in-struments. 2018（ 10）： 37-39.

[3]蘭慶慶，肖本賢.基于網(wǎng)格的密度峰值聚類算法的RFID定位[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2018，32（10）：73-78.LAN Qingqing， XIAO Benxian. RFID location based on griddensity peak clustering algorithm [J]. Journal of electronic mea-surement and instruments， 2018. 32（ 10）： 73-78.

[4]郭穩(wěn)濤，鄭劍，李兵，等.一種高效的RFID系統(tǒng)冗余閱讀器消除算法[J].東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，50（3）：72-78.

GUO Wentao， ZHENG Jian， LI Bing，et al.An efficient re-dundant reader elimination algorithm for RFID system [J]. Jour-nal of Northeast Normal Universitv （Natural science edition），2018. 50（3）：72-78.

[5]王玉青，李開宇，孫純鵬.改進(jìn)動態(tài)幀時隙ALOHA算法[J]電子科技，2012，25（7）：76-79.

WANG Yuqing， LI Kaiyu， SUN Chunpeng. Improved dynamicframe slot ALOHA algorithm [J]. Electronic science and tech-nology， 2012， 25（7）： 76-79.

[6]嚴(yán)大虎，徐楊杰.融合ZigBee的改進(jìn)射頻識別室內(nèi)定位算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018，30（ 11）：4484-4491.

YAN Dahu， XU Yangjie. Research on improved radio frequen-cy identification indoor location algorithms based on ZigBee [J].Journal of systems simulation. 2018， 30（ 11）： 4484-4491.

[7]夏英，楊雪，張旭，等.基于RFID位置語義的室內(nèi)移動軌跡聚類算法[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（白然科學(xué)版），2018.30（3）：383- 389.

XIA Ying， YANG Xue， ZHANG Xu. et al.Clustering algo-rithm of indoor moving trajectory based on location semanticsof RFID [J]. Journal of Chongqing University of Posts and Tele-communications（ Natural science edition）， 2018， 30（3）：383- 389.

[8]蔣天齊，洪濤，余忠華，等.PCB集成化RFID在電能表智能制造中的研究應(yīng)用[J]計(jì)算機(jī)測量與控制，2017， 25（2）：234-237.

JIANG Tianqi， HONG Tao. YU Zhonghua， et al.Applicationand research of energy meter intelligent manufacture based onPCB integrated RFID [J]. Computer measurement&control，2017，25（2）：234-237.

[9]張小紅，周偉輝.動態(tài)幀時隙的二進(jìn)制樹RFID防碰撞算法研究[J]系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018.30（3）：1063-1073.

ZHANG Xiaohong， ZHOU Weihui. Binary tree RFID anti-colli-sion algorithms for dVnamic frame time slot [J]. Journal of sys-tems simulation， 2018. 30（3）：1063-1073.

[10]何靜，劉冉，肖宇峰，等.融合RFID相位差和激光掃描的動態(tài)目標(biāo)定位[J]儀器儀表學(xué)報(bào)，2018.39（2）：81-88.

HE Jing， LIU Ran， XIAO Yufeng， et al.Dynamic target loca-tion combining phase difference of RFID and laser scanning[J].Chinese journal of scientific instrument. 2018. 39（2）： 81-88.

[11]韓曉菊，汪定偉.分銷網(wǎng)絡(luò)RFID使能的CONWIP策略的仿真與優(yōu)化[J]系統(tǒng)T程理論與實(shí)踐，2017，37（12）：3088-3097.

HAN Xiaoju， WANG Dingwei. Simulation and optimization ofCONWIP strategy enabled by RFID in distribution network[J]. System engineering theory and practice， 2017. 37 （12）：3088-3097.

[12]史露強(qiáng)，何怡剛，羅旗舞，等.改進(jìn)的混合查尋樹RFID防碰撞算法[J]電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2017，31（8）：1281-1288.

SHI Luqiang， HE Yigang， LUO Qiwu， et al.Improved hy-brid search tree RFID anti-collision algorithm [J]. Journal ofelectronic measurement and instruments， 2017， 31（8）：1281-1288.

作者簡介：許仙明（1981-），男，江西吉安人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器控制研究。