陳國靖

(重慶能源職業(yè)學(xué)院,重慶 402260)

RFID技術(shù)在構(gòu)建船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

陳國靖

(重慶能源職業(yè)學(xué)院,重慶 402260)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代航運(yùn)中的應(yīng)用不斷深入拓展，已經(jīng)在船舶視頻監(jiān)控領(lǐng)域、航運(yùn)物流運(yùn)輸領(lǐng)域及軍事指揮中都得到了發(fā)展。RFID技術(shù)也稱射頻識(shí)別系統(tǒng)，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。本文分析特定海洋環(huán)境對(duì)RFID系統(tǒng)的影響，重點(diǎn)研究RFID技術(shù)中防干擾算法，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的時(shí)序控制ALOHA算法，通過估計(jì)RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的概率分布及數(shù)目，自適應(yīng)的更新下一時(shí)序中的電子標(biāo)簽。最后通過仿真驗(yàn)證算法的有效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；抗干擾技術(shù)

0引言

在海洋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中 ，RFID組件通過射頻識(shí)別技術(shù)，與數(shù)據(jù)采集之間通過非接觸式方式，采用雙工通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，對(duì)船舶等目標(biāo)物進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及獲取。RFID的核心器件是其中的存儲(chǔ)器件，又稱為電子標(biāo)簽，組件中的讀寫器通過射頻無線電波來對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行控制。

在船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，RFID識(shí)別系統(tǒng)存在多個(gè)電子標(biāo)簽，對(duì)眾多的電子標(biāo)簽的協(xié)調(diào)控制就顯得特別重要。而海洋環(huán)境對(duì)發(fā)送及接受的信號(hào)，由于噪聲及衰落現(xiàn)象，交易造成干擾?，F(xiàn)代對(duì)電子標(biāo)簽的抗干擾控制已經(jīng)形成了一系列成熟算法，如二叉樹搜索法、ALOHA控制法等。而ALOHA控制法通過動(dòng)態(tài)調(diào)整電子標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，從而間接起到識(shí)別不同電子標(biāo)簽的目的，同時(shí)有效增大了信道傳輸容量，所以得到廣泛應(yīng)用。

本文研究了現(xiàn)有的ALOHA算法，并根據(jù)海洋環(huán)境噪聲及衰落干擾的特定環(huán)境，提出了一種新的時(shí)序控制ALOHA算法，通過估計(jì)RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的概率分布及數(shù)目，自適應(yīng)的更新下一時(shí)序中的電子標(biāo)簽分布。最后對(duì)新算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明新算法的有效性。

1RFID系統(tǒng)組成及工作原理

1.1　RFID系統(tǒng)模型

在船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，一個(gè)完整的RFID組件包含無線通信網(wǎng)、電子標(biāo)簽存儲(chǔ)器及讀寫控制器3個(gè)部分，如圖1所示。

1)電子標(biāo)簽—存儲(chǔ)系統(tǒng)

電子標(biāo)簽用來存放采集的數(shù)據(jù)，即船舶等目標(biāo)物的相關(guān)信息，如船舶方向坐標(biāo)、溫度及濕度等信息，現(xiàn)在電子標(biāo)簽的容量已達(dá)到296以上。RFID存儲(chǔ)系統(tǒng)通過讀寫控制器來進(jìn)行讀寫。

圖1　RFID組件結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure diagram of RFID component

2)讀寫控制器

讀寫控制器利用射頻器件發(fā)射的無線短波對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫控制，讀取的信息通過無線通信組網(wǎng)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)其他組件。

3)無線通信組網(wǎng)

主要連接RFID組件中讀寫控制器與電子標(biāo)簽的通信以及RFID組件與物聯(lián)網(wǎng)其他組件的通信。

1.2　RFID系統(tǒng)工作流程

整個(gè)RFID組件流程如下：

1)當(dāng)讀寫控制器需要進(jìn)行信息讀寫時(shí)，發(fā)射電波至發(fā)射天線，最終向外發(fā)射。

2)電子標(biāo)簽收到控制信息時(shí)，將自身攜帶的目標(biāo)物信息編碼后經(jīng)由天線向外發(fā)射。

3)當(dāng)讀寫控制器模塊接收到電子標(biāo)簽發(fā)送的目標(biāo)物載波時(shí)，先進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，再經(jīng)過解碼，得到目標(biāo)物初始信息，并經(jīng)由無線通信組網(wǎng)發(fā)送至整個(gè)組建控制中心。

4)控制中心首先根據(jù)決策信息判斷該電子標(biāo)簽的合法性，并做出相應(yīng)的處理。

5)通過無線組網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)中其他信息控制組成總控平臺(tái)，可以完成對(duì)不同標(biāo)簽的特定控制。

流程如圖2所示。

圖2　RFID組件工作流程圖Fig.2　Working flow chart of RFID components

2自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法原理

2.1　現(xiàn)有電子標(biāo)簽估計(jì)算法

現(xiàn)有的電子標(biāo)簽估計(jì)算法主要有最大似然估計(jì)法、時(shí)隙碰撞估計(jì)法及貝葉斯估計(jì)法。下面具體介紹貝葉斯估計(jì)法。

貝葉斯估計(jì)法通過對(duì)讀寫控制器接收的各電子標(biāo)簽信息的時(shí)隙、幀長(zhǎng)大小以及概率分布，利用統(tǒng)計(jì)概率模型調(diào)整對(duì)電子標(biāo)簽的控制信息，以達(dá)到對(duì)目標(biāo)物信息的最佳提取。

算法如下：

1)控制電子標(biāo)簽發(fā)送幀長(zhǎng)度

當(dāng)各電子標(biāo)簽幀長(zhǎng)等于整個(gè)RFID系統(tǒng)電子標(biāo)簽總數(shù)目時(shí)，RFID系統(tǒng)有最優(yōu)的信道容量，nmin和nmax分別為讀寫器能控的電子標(biāo)簽的最小數(shù)和最大數(shù)，則電子標(biāo)簽數(shù)目滿足如下估計(jì)概率：

(1)

式中p(n)為電子標(biāo)簽概率分布。

2)電子標(biāo)簽概率函數(shù)p(n)的計(jì)算

試驗(yàn)組患者對(duì)護(hù)理的滿意分值高于6分者共36例,滿意率為92.31%;對(duì)照組患者對(duì)護(hù)理的滿意分值高于6分者共28例,滿意率為71.79%。對(duì)比兩組間數(shù)據(jù),試驗(yàn)組滿意率明顯高于對(duì)照組(x2=14.295,p=0.000),具有顯著性差異。

假設(shè)在初始階段，讀寫控制器控制的電子標(biāo)簽數(shù)目滿足泊松分布：

(2)

3)讀寫器開始工作時(shí)，對(duì)控制的電子標(biāo)簽更新過程

讀寫器工作后，根據(jù)搜集的各電子標(biāo)簽信息的時(shí)隙、幀大小及概率分布，對(duì)控制的電子標(biāo)簽進(jìn)行估計(jì)運(yùn)算。假設(shè)I為讀寫器收到的電子標(biāo)簽幀，n為初始化的電子標(biāo)簽數(shù)，根據(jù)貝葉斯估計(jì)法，有如下概率分布函數(shù):

(3)

假設(shè)接收到的電子標(biāo)簽信息幀間隔時(shí)隙、幀長(zhǎng)以及標(biāo)簽數(shù)用E、C、S表示，則上式(3)可轉(zhuǎn)換為如下表達(dá)式：

p(E∩S|n)=p(E|n)·p(S|E∩n)。

(4)

4)根據(jù)更新的標(biāo)簽概率分布來調(diào)整接收標(biāo)簽信息的幀長(zhǎng)

設(shè)定讀寫器接收第K幀的間隔時(shí)隙及標(biāo)簽數(shù)為E和S， 則由式(4)可計(jì)算出下一時(shí)序控制標(biāo)簽數(shù)目的數(shù)學(xué)期望值：

nk+1=E(nk)-S。

(5)

根據(jù)估計(jì)的標(biāo)量數(shù)目可對(duì)下一時(shí)序幀長(zhǎng)進(jìn)行控制，從而使整個(gè)RFID系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)信道容量。

2.2　自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法

在讀寫控制器中引入哈希表概念，將電子標(biāo)新發(fā)送時(shí)序均勻的映射到哈希表中，使得接收信號(hào)達(dá)到最優(yōu)處理。在此，構(gòu)造H(D)=DfmodL為使用的哈希函數(shù)，式中fmod代表除法余數(shù)。算法對(duì)讀寫控制器控制的電子標(biāo)簽用整數(shù)進(jìn)行標(biāo)記，并通過與L相除的余數(shù)映射至哈希函數(shù)0,1,2…H(D)均勻時(shí)序進(jìn)行信號(hào)接收與發(fā)送。

設(shè)讀寫控制器控制的電子標(biāo)簽數(shù)為5，標(biāo)記為：

01010001　01001110　01100111　10000111

00001101

在上一時(shí)刻，估計(jì)的電子標(biāo)簽數(shù)假設(shè)為8，可知當(dāng)前時(shí)刻標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)幀長(zhǎng)為8，通過哈希運(yùn)算可得：H(01010001)=1， H(01001110)=6， H(01100111)=7， H(10000111)=1， H(00001101)=5。 最后將計(jì)算的5個(gè)標(biāo)簽ID均勻進(jìn)行發(fā)送，從而減少各自信號(hào)之間的干擾。

自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法流程如下：

1)初始化時(shí)，讀寫控制器設(shè)置第一幀長(zhǎng)為L(zhǎng)，同時(shí)標(biāo)記一個(gè)寄存器IR0用來存放幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)，給電子標(biāo)簽發(fā)送信息查詢命令，同時(shí)設(shè)置時(shí)序計(jì)數(shù)器IR1及識(shí)別計(jì)數(shù)器IR2，初始化為0。

2)當(dāng)前時(shí)刻，當(dāng)讀寫控制器收到電子標(biāo)簽發(fā)送的目標(biāo)物信息時(shí)，根據(jù)上一時(shí)刻信息之間的時(shí)序進(jìn)行判斷，如果信息無效，則使寄存器IR1加1；反之，若有效，則使寄存器IR2加1。

3)如果步驟2中信息判斷有效，則將幀長(zhǎng)寄存器IR0減1，并判斷其是否為0。若不為0，則轉(zhuǎn)入步驟2繼續(xù)執(zhí)行；反之，則表示當(dāng)前幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)有效，轉(zhuǎn)入步驟4。

4)讀取識(shí)別寄存器IR2的值，此值即為當(dāng)前時(shí)刻讀寫控制器控制的電子標(biāo)簽數(shù)目。同時(shí)讀取時(shí)序計(jì)數(shù)器IR1的值，若不為0，則轉(zhuǎn)入步驟5繼續(xù)執(zhí)行；反之，轉(zhuǎn)入步驟6。

5)根據(jù)上面提出的哈希標(biāo)記法標(biāo)記的電子標(biāo)簽ID，計(jì)算下一時(shí)序控制的電子標(biāo)簽數(shù)目，同時(shí)轉(zhuǎn)入步驟2執(zhí)行。

6)控制流程結(jié)束，各寄存器置為0。

自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法流程如圖3所示。

圖3　算法流程圖Fig.3　Flow chart of the algorithm

3自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法仿真

3.1　仿真模型

本次實(shí)驗(yàn)利用Matlab進(jìn)行仿真，并將采用自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA與傳統(tǒng)ALOHA算法在信道容量及標(biāo)簽數(shù)目估計(jì)誤差進(jìn)行了對(duì)比。

信道容量為：

(6)

標(biāo)簽數(shù)目估計(jì)誤差定義如下：

(7)

由于接收到的電子標(biāo)簽信息幀間隔時(shí)隙、幀長(zhǎng)及標(biāo)簽數(shù)E，C，S在選取時(shí)具有一定的隨機(jī)性，而在ALOHA算法中對(duì)于下一幀電子標(biāo)量的數(shù)目是由參數(shù)E，C，S確定的，所以要使結(jié)果更為準(zhǔn)確并且收斂，需要采用蒙特卡洛算法對(duì)多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.2　仿真結(jié)果

在本次試驗(yàn)中，對(duì)采用自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法與傳統(tǒng)ALOHA算法在信道容量及標(biāo)簽數(shù)目估計(jì)誤差2種性能上分別進(jìn)行計(jì)算比較。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了90次，每一次初始化的電子標(biāo)簽數(shù)分別為n=11,12,…100，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)，設(shè)置相同的初始幀長(zhǎng)L=64。并且每次通過蒙特卡洛算法計(jì)算出電子標(biāo)簽信息幀間隔時(shí)隙、幀長(zhǎng)以及標(biāo)簽數(shù)E、C、S。最后

圖4　電子標(biāo)簽估計(jì)誤差比較曲線圖Fig.4　The comparison curve diagrams of electronic tag　estimation error

圖5　信道容量曲線比較圖Fig.5　The comparison curve diagrams of channel capacity

分別采用自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法與傳統(tǒng)ALOHA算法進(jìn)行估計(jì)，每次估計(jì)進(jìn)行2 000次實(shí)驗(yàn)，最后取所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

標(biāo)簽估計(jì)誤差曲線如圖4所示，信道容量曲線如圖5所示。

4結(jié)語

本文重點(diǎn)研究了船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的RFID技術(shù)，針對(duì)海洋噪聲及衰落現(xiàn)象，RFID組件中的信號(hào)互相干擾，在分析了現(xiàn)有的干擾算法的基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)時(shí)序控制ALOHA算法，最后通過仿真給出了新方法與傳統(tǒng)方法在信道容量及標(biāo)簽數(shù)目估計(jì)誤差的比較曲線圖，驗(yàn)證了算法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]LIU C C,CHAN Y T.Tag quantity estimation for RFID based on probability[C]//2010 International Symposium on Computer Communication Control and Automation(3CA).Piscataway,NJ,USA:IEEE,2010:264-267.

[2]盧慶廣,夏棟.軟件雷達(dá)射頻采樣ADC性能需求分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012,34(1):128-130.

LU Qing-guang,XIA Dong.Requirements analysis on the ADC of software radar RF sampling[J].Ship Science and Technology,2012,34(1):128-130.

[3]宮宇,王旭東,龐福文.無線Ad hoc船舶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010,32(4):69-72.

GONG Yu,WANG Xu-dong,PANG Fu-wen.Wireless Ad hoc shipping communication system design and apply[J].Ship Science and Technology,2010,32(4):69-72.

[4]VOGT H.Multiple object identification with passive RFID tags[C]//2002 IEEE International Conference on Systems,Man and Cybernetics.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2002:98-113.

The key technique of RFID component in the ship internet of things

CHEN Guo-jing

(Chongqing Energy College,Chongqing 402260,China)

Abstract：The internet of things technology is widely used in modern shipping, the radio frequency identification system (RFID) is a key component of the internet of things system. This paper focus on the anti interference technology algorithm in RFID technology and proposed a new adaptive ALOHA algorithm based on sequential control. At last, the paper simulates the new algorithm.

Key words：internet of things; the anti interference technology; RFID

作者簡(jiǎn)介：陳國靖(1982-)，女，碩士,講師，研究方向?yàn)镽FID技術(shù)及應(yīng)用、自動(dòng)控制技術(shù)。

基金項(xiàng)目：市級(jí)教改資助項(xiàng)目(133238)

收稿日期：2014-05-27； 修回日期： 2014-10-28

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0208-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.047

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A