基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)研究

李素桂，朱錦鋒，龔讓聲

基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)研究

李素桂1，朱錦鋒2，龔讓聲1

（1.廈門華天涉外職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361102；2.廈門大學(xué)，福建 廈門 361005）

在頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集過程中，常規(guī)的采集技術(shù)采樣率過高，導(dǎo)致采集操作動(dòng)態(tài)鏈接不穩(wěn)定。為了解決這一問題，提出基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)研究。采用FFT算法控制頻率分辨力，限制頻譜動(dòng)態(tài)信息的采樣率，采用RFID技術(shù)融合處理電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)，建立RFID事件處理模型，生成對(duì)應(yīng)的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集業(yè)務(wù)，根據(jù)需求的不同，配置相應(yīng)的采集規(guī)則和采集模式。在此基礎(chǔ)上，定義頻譜動(dòng)態(tài)信息通信協(xié)議，在W5300網(wǎng)口芯片的支持下，實(shí)現(xiàn)信息的采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于RFID的采集技術(shù)在采集信息過程中動(dòng)態(tài)鏈接穩(wěn)定，數(shù)據(jù)相對(duì)誤差小，數(shù)據(jù)精確度高。

RFID；頻譜動(dòng)態(tài)信息；實(shí)時(shí)采集；數(shù)據(jù)融合；頻率分辨力；動(dòng)態(tài)鏈接

現(xiàn)階段，光學(xué)和無線電技術(shù)發(fā)展非常迅速，在多個(gè)領(lǐng)域中得到了成熟的運(yùn)用，這樣良好的發(fā)展離不開各種頻譜的分析，在頻譜分析中，如何保證頻譜信息采集的實(shí)時(shí)性和可靠性始終是研究的重點(diǎn)[1-3]。射頻識(shí)別技術(shù)RFID是一項(xiàng)非常成熟的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域使用中，能夠突破空間的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫，通過無接觸的通信模式獲得目標(biāo)信息，發(fā)展到現(xiàn)在研究?jī)?nèi)容非常豐富[4]。使用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集是一個(gè)值得研究與實(shí)踐的課題。

目前研究資料顯示，在頻譜動(dòng)態(tài)信息采集中，比較常規(guī)的采集技術(shù)的方法[5]是基于次用戶優(yōu)先級(jí)的采集技術(shù)，利用優(yōu)先級(jí)機(jī)制，考慮主服務(wù)的收益和次服務(wù)的滿意度，實(shí)現(xiàn)頻譜的動(dòng)態(tài)博弈，從中采集動(dòng)態(tài)信息。但是在實(shí)際應(yīng)用中，采樣率過高，導(dǎo)致采集過程中鏈接不穩(wěn)定，出現(xiàn)鏈接中斷事故，采集數(shù)據(jù)不可靠。文獻(xiàn)[6]提到的基于STM32的頻譜測(cè)量系統(tǒng)存在相同的問題，該方法通過ADF4351和濾波器等實(shí)現(xiàn)了不同工作狀態(tài)下的頻譜信息的采集，能夠適應(yīng)室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境的切換，但是并沒有解決采樣率過高的問題。因此，設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)，解決上述常規(guī)的采集技術(shù)中存在的問題。

1 基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 控制頻率分辨力

令：

1.2 基于RFID的動(dòng)態(tài)信息融合

在使用RFID采集頻譜動(dòng)態(tài)信息時(shí)，RFID數(shù)據(jù)存在多讀、漏讀現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余或缺失，需要通過數(shù)據(jù)預(yù)處理保證數(shù)據(jù)的干凈和完整性[13]。針對(duì)RFID數(shù)據(jù)的多讀現(xiàn)象，將相隔時(shí)間短的數(shù)據(jù)刪除，同時(shí)探測(cè)RFID數(shù)據(jù)噪聲，清洗來自同一個(gè)閱讀器的數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)去除掉，消除異常數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)對(duì)RFID數(shù)據(jù)的干擾，這樣的處理方式在一定程度上也減小了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量，保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性[14-16]。針對(duì)處理后的數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)融合技術(shù)融合目標(biāo)數(shù)據(jù)，減小RFID數(shù)據(jù)讀取和傳輸過程中產(chǎn)生的誤差。

在信息融合后，以融合后的信息作為采集目標(biāo)，建立RFID處理模型，實(shí)時(shí)采集目標(biāo)信息。

1.3 建立RFID處理模型

將融合后的動(dòng)態(tài)信息作為采集目標(biāo)，在采集過程中，生成不同的RFID事件，對(duì)于RFID中間件工作過程中隨時(shí)都可能會(huì)有大量的數(shù)據(jù)通過閱讀器上傳到中間件中，通過RFID中間件的清洗、過濾處理后，再提供給后臺(tái)使用。如果沒有RFID中間件的使用，大量數(shù)據(jù)的同時(shí)采集會(huì)給用戶造成極大的負(fù)擔(dān)[19]。

通過閱讀器獲取的RFID原始事件能夠反映標(biāo)識(shí)信息是否存在，為頻譜動(dòng)態(tài)信息采集提供更多的細(xì)節(jié)。但是這些信息并不能表示完整的頻譜動(dòng)態(tài)信息采集事件。因此，整理這些雜亂的信息，通過過濾與合并操作將這些信息連接匯聚在一起，形成一個(gè)具備實(shí)際意義的RFID事件[20]，用戶在采集頻譜信息過程中，根據(jù)不同的采集需求，為RFID事件配置事件規(guī)則和事件的處理層次，從而實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集與RFID技術(shù)的有效融合。

根據(jù)采集事件的聚合程度，將事件分為簡(jiǎn)單事件和復(fù)雜事件，在進(jìn)入到RFID中間件后，將事件分為異常事件和常規(guī)事件，建立RFID處理模型的目的，就是分辨出采集過程中RFID事件，以此采取針對(duì)性的處理措施。

在RFID插件獲得信息后，用戶讀取RFID電子標(biāo)簽的時(shí)間間隔，過濾標(biāo)簽數(shù)據(jù)，整合出過濾后的數(shù)據(jù)報(bào)告，向上級(jí)匯報(bào)。在每個(gè)電子標(biāo)簽的閱讀周期內(nèi)，對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫操作由RFID中間件控制接口實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，使用閱讀器可以從電子標(biāo)簽內(nèi)讀取到目標(biāo)信息，目標(biāo)信息經(jīng)過閱讀器被傳輸?shù)絉FID中間件上，整個(gè)讀寫過程中的周期是可控的。用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置。RFID會(huì)把一個(gè)完整事件內(nèi)的所有標(biāo)簽信息匯聚起來，在經(jīng)過過濾后，生成一個(gè)ECReport信息，這一信息規(guī)定了RFID事件周期及數(shù)據(jù)報(bào)告產(chǎn)生的格式，在使用RFID采集信息過程中，RFID事件處理器定義了信息采集的規(guī)則和模式，由此才能完整頻譜動(dòng)態(tài)信息的采集。

1.4 采集頻譜動(dòng)態(tài)信息

頻譜動(dòng)態(tài)信息的采集，使用自頂向下的高通濾波模塊和辨向技術(shù)模塊實(shí)現(xiàn)，使用高通濾波模塊消除高頻干擾對(duì)動(dòng)態(tài)信息的干擾，使用辨向技術(shù)模塊保證數(shù)據(jù)的精度。由于頻譜動(dòng)態(tài)變化過程中，頻譜信息容易受到干擾，最明顯的干擾就是電磁干擾，這兩者會(huì)影響采集信號(hào)脈沖產(chǎn)生毛刺，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)精度。因此，采用一種高頻數(shù)字技術(shù)濾除脈沖干擾。高頻濾波過程如圖1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免在采樣率為臨界值時(shí)的脈沖信號(hào)受到外部干擾，被高頻濾波清除掉，減小判斷的工作時(shí)鐘，選用40個(gè)工作時(shí)鐘周期作為判斷依據(jù)，將小于此數(shù)據(jù)的脈沖濾除掉。

圖1 高頻濾波示意圖

采用差分信號(hào)接口將采集模塊與待采集目標(biāo)相連接，通信協(xié)議定義如下：幀頭表示為0Xa1，幀尾表示為0X5a，整個(gè)采集信號(hào)包含5個(gè)字節(jié)，去掉幀頭和幀尾，中間3個(gè)字節(jié)分別是高8位數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位、低8位數(shù)據(jù)。設(shè)置同步信號(hào)為1kHz，同步時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)采集，下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

在上述通信協(xié)議的支持下，使用W5300網(wǎng)口芯片控制數(shù)據(jù)通信，在采集頻譜信息前，將W5300網(wǎng)口芯片的狀態(tài)設(shè)置為TCP/IP服務(wù)器狀態(tài)，偵聽采集方發(fā)出的連接請(qǐng)求。在上位機(jī)發(fā)送連接請(qǐng)求后，在采集端和待采集端建立起TCP/IP連接，接收數(shù)據(jù)采集單元所發(fā)送的1kHz同步時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集。

2 基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)以往采集技術(shù)存在死鏈的情況，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中以提出的基于RFID的采集方法和兩種常規(guī)的采集方法作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過動(dòng)態(tài)鏈接性能實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證采集方法的性能。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，準(zhǔn)備統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 頻組掃描

以可編程交直流信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)頻率為基準(zhǔn)，使用頻譜檢測(cè)插件掃描頻譜，獲得待采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。頻組掃描界面如圖2所示。

在頻組掃描后，將得到的頻譜數(shù)據(jù)分為低頻段數(shù)據(jù)和高頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，使用不同的信息采集方法采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用計(jì)算機(jī)自帶的監(jiān)控插件監(jiān)督整個(gè)采集過程，在采集結(jié)束后分析各個(gè)采集方法的實(shí)際性能。

表1 低頻段和高頻段數(shù)據(jù)

2.2 動(dòng)態(tài)鏈接性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在采集過程中，待采集的一方和采集的一方需要建立起鏈接，通過鏈接才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。以動(dòng)態(tài)鏈接性能作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，使用不同的采集方法采集準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在采集過程中設(shè)置計(jì)算機(jī)自帶的監(jiān)控插件監(jiān)控整個(gè)采集過程，實(shí)時(shí)輸出動(dòng)態(tài)鏈接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同采集方法動(dòng)態(tài)鏈接性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，各個(gè)采集方法中動(dòng)態(tài)鏈接輸出正常，但是在基于次用戶優(yōu)先級(jí)的采集方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果中存在3次沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的事故，說明此時(shí)鏈接中斷，出現(xiàn)短暫的異常，數(shù)據(jù)采集情況并不可靠；基于STM32的頻譜測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中存在相同的問題，并且鏈接中斷次數(shù)更多，采集過程更不可靠；與前兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，設(shè)計(jì)的基于RFID的采集方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，沒有出現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接中斷的情況，始終保持穩(wěn)定的鏈接，目標(biāo)數(shù)據(jù)在采集中呈現(xiàn)出連續(xù)性。綜上所述，設(shè)計(jì)的基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集方法動(dòng)態(tài)鏈接性能更好，在此基礎(chǔ)上，為了使采集方法的性能更加明顯，計(jì)算各個(gè)采集方法的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)誤差，進(jìn)一步驗(yàn)證各個(gè)采集方法的實(shí)際性能。

2.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，計(jì)算各個(gè)采集方法的動(dòng)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)誤差的產(chǎn)生是由于頻譜在時(shí)間的作用下，時(shí)刻發(fā)生改變，輸出的頻率是動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定信息，在采集時(shí)，各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞會(huì)產(chǎn)生不同程度的時(shí)延，在時(shí)延的影響下，采集的數(shù)據(jù)與真實(shí)的數(shù)據(jù)之間存在相對(duì)誤差。在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)誤差實(shí)驗(yàn)中，基于上述動(dòng)態(tài)鏈接實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算各個(gè)采集方法的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差，分析各個(gè)采集方法的精確程度。相對(duì)誤差計(jì)算過程如下：

(12)

圖4中顯示的方形圖案是基于次用戶優(yōu)先級(jí)的采集方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果，黑色圓形圖案是基于STM32的頻譜測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，白色圓形圖案是提出的基于RFID的采集方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比觀察圖中結(jié)果可知，在三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，只有提出的采集方法相對(duì)誤差變化較小，在誤差允許的變化范圍內(nèi)，而其它兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差變化比較大，其中基于STM32的頻譜測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最高達(dá)到了+3.0，基于次用戶優(yōu)先級(jí)的采集方法動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最高達(dá)到了-3.0。結(jié)合動(dòng)態(tài)鏈接性能實(shí)驗(yàn)共同分析，驗(yàn)證了提出的基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集方法的穩(wěn)定性，保證了頻譜動(dòng)態(tài)信息的精確程度。

3 結(jié)束語

以頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集為研究重點(diǎn)，在大量研究文獻(xiàn)和資料基礎(chǔ)上后，將RFID技術(shù)應(yīng)用到頻譜動(dòng)態(tài)信息采集中，設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的實(shí)時(shí)采集方法，在方法設(shè)計(jì)完成后，通過動(dòng)態(tài)鏈接性能實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)誤差的計(jì)算驗(yàn)證了提出的采集方法的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性，為頻譜動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集工作提供一定的技術(shù)支持和保障。

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Real-time acquisition technology of spectrum dynamic information based on RFID

LI Su-gui1，ZHU Jin-feng2，GONG Rang-sheng1

(1.Xiamen Huatian International Vocation Institute, Fujian Xiamen 361102, China; 2.Xiamen University, Fujian Xiamen 361005, China)

In the process of real-time acquisition of spectrum dynamic information, the sampling rate of conventional acquisition technology is too high, which leads to unstable dynamic link of acquisition operation. In order to solve this problem, the real-time acquisition technology of spectrum dynamic information based on RFID is proposed.Using FFT algorithm control frequency resolution, limit frequency spectrum sampling rate of dynamic information, using RFID electronic tag data fusion processing, RFID event handling model, generate the corresponding spectrum real-time dynamic information collection business, according to different requirements, the configuration of the corresponding sampling rules and patterns, based on this, The spectrum dynamic information communication protocol is defined, and the information collection is realized with the support of W5300 network interface chip.The experimental results show that the designed RFID-based acquisition technology is stable in the process of collecting information, and the data relative error is small and the data accuracy is high.

RFID；spectrum dynamic information；real-time acquisition；data fusion；frequency resolution；ynamic linking

2021-08-31

福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年科研項(xiàng)目——基于RFID的頻譜動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)研究（FJJKGZ21-045）

李素桂（1982-），女，福建安溪人，講師，本科，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子信息與通信工程應(yīng)用研究，guils982@126.com。

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