包雅馥 張 雙 孫 輝（.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 00；.吉林大學(xué)，吉林 長春 00；.中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 0000）

無線傳感器作為檢測器件被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在食品領(lǐng)域，無線傳感器隨著需求的不斷發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛。在食品的儲存過程中，往往對溫度控制要求十分嚴(yán)格，通過在儲存地點(diǎn)搭建溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測溫度的變化，將其控制在規(guī)定范圍內(nèi)。另外，在生產(chǎn)過程中，物品在傳送帶上的分揀也依靠傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署來對物品進(jìn)行定位。因此，傳感器傳輸、接收信息的準(zhǔn)確性會對食品的生產(chǎn)、追蹤、儲存和運(yùn)輸產(chǎn)生影響。

食品安全是全世界所關(guān)注的問題之一。一些大型的食品制造廠將無線傳感器應(yīng)用于食品安全的保障系統(tǒng)中，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將食品的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及存儲等過程進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控。例如，無線傳感器利用RFID技術(shù)對食物進(jìn)行跟蹤、追溯，以保證食品的衛(wèi)生和安全［1］。在食品工業(yè)安全監(jiān)測中，RFID技術(shù)的應(yīng)用要依賴于讀取器與被檢測食品標(biāo)簽之間的信息通信。在RFID傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作時(shí)，各讀寫器也在其作用范圍內(nèi)工作，此時(shí)，容易出現(xiàn)多個標(biāo)簽信息被讀取的情況，如果讀寫器同時(shí)獲得這些標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)，那么通信信息就會容易出現(xiàn)沖突，最終造成讀寫器錯誤地讀取信息，甚至無法正常地讀出數(shù)據(jù)。無線通信過程中若產(chǎn)生上述信號間的干擾（如信道擁堵）而造成跟蹤失誤，將會帶來食品的安全問題。

目前，RFID系統(tǒng)在應(yīng)用中通常是基于時(shí)分多址的防碰撞算法，而該算法有兩種情況：① 基于Bit位的二進(jìn)制搜索算法，該算法可以準(zhǔn)確地確定碰撞發(fā)生的比特位置，而這對于閱讀器同步而準(zhǔn)確地讀取所有標(biāo)簽的信息提出了很高的要求，實(shí)際操作較困難［2］；② 改進(jìn)的ALOHA的防碰撞算法，該算法是基于時(shí)隙的，也能降低信息沖突、碰撞等發(fā)生的概率，但是通過限制響應(yīng)標(biāo)簽數(shù)量的方法來提高對標(biāo)簽的識別率［3］。本研究中應(yīng)用建立在改進(jìn)的ALOHA防碰撞算法基礎(chǔ)之上的RFID系統(tǒng)，其優(yōu)勢是發(fā)生信息沖突以及信息碰撞的可能性低，對標(biāo)簽的識別率高。

另外，國內(nèi)外研究人員也進(jìn)行了卡爾曼濾波和認(rèn)知無線電技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究。例如，卡爾曼濾波跟蹤算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的應(yīng)用［4，5］，傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用認(rèn)知無線電特性提高數(shù)據(jù)傳輸率［6］，以及基于認(rèn)知無線電的傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析和研究等［7－9］。

本研究擬考慮將認(rèn)知無線電算法思想應(yīng)用于食品生產(chǎn)系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中并對其做出仿真分析，通過引入RFID技術(shù)的方式解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號干擾和信道擁堵的問題，并通過MATLAB仿真結(jié)果的方式驗(yàn)證系統(tǒng)模型的科學(xué)性與合理性，對提高食品生產(chǎn)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率方面有積極作用。

1 RFID原理和傳感器技術(shù)

（1）射頻識別技術(shù)（radio frequency identification）：是利用射頻信號達(dá)到對被識別對象非接觸識別的方法。這類識別系統(tǒng)主要是由電子標(biāo)簽（被識別物體）、閱讀器、網(wǎng)絡(luò)、閱讀器天線和控制器5部分組成。其中，電子標(biāo)簽與被識別物體結(jié)合在一起并存儲著被識別物體的信息；閱讀器在電子標(biāo)簽進(jìn)入合適區(qū)域時(shí)就可以讀取數(shù)據(jù)，閱讀器在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波，標(biāo)簽內(nèi)有一個頻率和電磁波頻率相同的LC諧振電路，當(dāng)標(biāo)簽通過時(shí)發(fā)生諧振并通過電容電荷的移動提供電路工作電壓接收閱讀器信息或發(fā)送標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)。讀取完的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破饔涗?、比較。在食品工業(yè)中，RFID主要用來進(jìn)行食品防偽、食品追蹤和食品安全方面。

（2）傳感器是將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電路可以處理的電信號的裝置，它是信息采集的重要部件，是現(xiàn)代工業(yè)中實(shí)現(xiàn)測量和控制的重要條件。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和電路組成。食品工業(yè)中最常用的就是溫度傳感器和生物傳感器。溫度對于食品生產(chǎn)來說至關(guān)重要，實(shí)時(shí)地監(jiān)測溫度的變化必須通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。較多使用在食品工業(yè)的溫度傳感器是熱電阻傳感器，分為鉑和銅熱電阻兩大類。溫度傳感器的原理是由于兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體在某點(diǎn)連接，對該點(diǎn)加熱，在不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差，而這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點(diǎn)的溫度有關(guān)。生物傳感器主要用于食品的分析過程，例如食品發(fā)酵過程中的參數(shù)測量。

（3）RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。由于RFID的抗干擾能力差，傳輸有效距離短，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)大信息傳輸?shù)陌霃?，提高效率。普通傳感器與RFID的結(jié)合能夠更好地感知目標(biāo)信息并主動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸［1］。

食品的包裝過程是食品生產(chǎn)的一個重要組成部分。在自動化程度很高的包裝流水線上，包裝機(jī)械臂只有確定食品的位置，才能成功地完成對食品的抓取。這就要求將食品準(zhǔn)確的位置信息傳遞給控制機(jī)械臂的控制器，而視覺傳感器可以通過圖像處理達(dá)到準(zhǔn)確定位食品的要求。流水線上抓取過程見圖1。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)在食品生產(chǎn)過程中的應(yīng)用舉例Figure 1 For sensor network application in the food production process

當(dāng)食品包裝完之后會進(jìn)入儲藏的過程，由于食品包裝上有電子標(biāo)簽，可以通過RFID技術(shù)讀取標(biāo)簽信息確定食品的狀態(tài)。食品的每一次狀態(tài)改變，例如由儲藏狀態(tài)變化為運(yùn)輸狀態(tài)都可以將變化寫入到信息中從而達(dá)到追蹤的效果。

但是在傳感器數(shù)目較多或者布局不合理的情況下會導(dǎo)致由于信號相互干擾造成的信息缺失和誤判。本研究將從認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)的角度分析此問題。

2 認(rèn)知無線電技術(shù)

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)容許網(wǎng)絡(luò)中的傳感器在具有使用權(quán)的主用戶不占用信道期間有條件的暫時(shí)使用該信道。為了保證傳感器不會影響主用戶對網(wǎng)絡(luò)頻段的正常使用就要求網(wǎng)絡(luò)中的傳感器在通信期間實(shí)時(shí)監(jiān)測主用戶的動態(tài)。當(dāng)主用戶需要再次使用該通道時(shí)，傳感器應(yīng)當(dāng)馬上停止通信動作離開通道，去選擇其他可用信道繼續(xù)通信或者停止當(dāng)前信息的傳遞。基于這種思路和方法很好地提高了頻譜的使用率，緩解了無線頻譜資源匱乏的問題［10］。

3 系統(tǒng)模型的建立

3.1 信道模型

假設(shè)傳感器可以隨機(jī)的占用任一信道。這樣，每一個信道有兩種狀態(tài)：被占用和空閑。被占用狀態(tài)指頻段被傳感器正常使用或者信號擁堵，空閑狀態(tài)指頻段為空，未被占用。另外，本研究假設(shè)所用的空閑信道都擁有相同的性質(zhì)，即用戶在使用信道進(jìn)行通信之前無需檢查每個信道的通信質(zhì)量。

假設(shè)Hi和Ho分別表示信道的空閑和被占用狀態(tài)，則信道狀態(tài)Cm可用式（1）的數(shù)學(xué)形式表達(dá)：

式中：

Cm——信道利用率，%；

Ho——信道被占用狀態(tài)，s；

Hi——信道空閑狀態(tài)，s。

3.2 傳感器通信模型

假設(shè)傳感器不會發(fā)生誤報(bào)警并且不考慮掃描誤差，可以同時(shí)檢測多個信道，隨機(jī)選擇空閑頻段。同時(shí)，本研究假設(shè)信道數(shù)足夠大。傳感器占用信道時(shí)有兩種情況：① 每個信道只被單一用戶占用；② 信道被多個用戶占用。在第一種情況下如果傳感器檢測到了其他信號的存在就會立即離開當(dāng)前信道選擇其他可用信道完成通信任務(wù)。在用戶重疊的情況下，非活動用戶根據(jù)活動用戶的檢測結(jié)果決定離開當(dāng)前信道與否。

基于上述的系統(tǒng)模型和假設(shè)的描述可知，在本研究中傳感器的網(wǎng)絡(luò)吞吐量只與通信時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)活躍的整個過程有關(guān)。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)頻譜吞吐量的分析

假設(shè)認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有M個信道、N個傳感器。pa表示信道擁堵概率，ps表示傳感器選擇某個信道的概率，pm是其他傳感器選擇同樣信道的概率。另外假設(shè)網(wǎng)絡(luò)活躍過程時(shí)長T被分割為多個時(shí)間段，每個時(shí)間段的值為Tm。則時(shí)間段的個數(shù)K可以表示為式（2）：

對每一個時(shí)間段來說，信道中只有一種網(wǎng)絡(luò)行為存在：通信或者擁堵。當(dāng)擁堵發(fā)生時(shí)，有效通信被損壞，通信時(shí)間為0；否則的話通信時(shí)間為時(shí)間段的時(shí)長Tm。

通過以上假設(shè)和分析，傳感器的網(wǎng)絡(luò)信道成功接入概率為式（3）：

式中：

pc——成功通信的概率，%。

下面將討論不同情況下網(wǎng)絡(luò)吞吐量的分析：

（1）兩個傳感器：此種情況下，傳感器對選擇某個信道的概率為ps＝1/M。同理，攻擊者選擇某個信道的概率為pm＝1/M。則吞吐量為式（4）：

（2）多個傳感器：假設(shè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有N個傳感器（其中有L個傳感器會產(chǎn)生相互干擾），M個信道。其中1≤N≤M，1＜L≤N。α表示傳感器從M個信道中選擇的L個不同組合（不考慮重疊問題），那么有α＝CLM。如果其他傳感器沒有選擇已被占用的信道時(shí)擁堵不會發(fā)生，此時(shí)從信道中選擇的L個不同組合為β＝CLM－1，此種情況下吞吐量為式（5）：

如果時(shí)分多址（TDMA）被考慮使用在多個用戶占用同一個通信信道的情況下，用戶將周期性的占用頻段。

假設(shè)pd表示在該信道通信總時(shí)長條件下某一特定用戶對的通信概率，pt表示該特定用戶在所處通道發(fā)生重疊的概率。這里的兩種概率是未知的，取決于頻譜帶寬本身。所以兩種情況需要考慮：① 多個傳感器分享同一頻段；② 信道上只有一種信息。由式（4）可知，在第一種情況下，擁堵概率為式（6）；在第二種情況下，擁堵概率為式（7）。

因此，吞吐量應(yīng)該為式（8）：

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 兩個傳感器

圖2顯示了在10個信道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道個數(shù)的關(guān)系。由圖2可知，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著信道個數(shù)的增加遞增。這說明在網(wǎng)絡(luò)中信道個數(shù)達(dá)到一定程度，傳感器相互間產(chǎn)生信道擁堵的機(jī)會很小，通信幾乎不受影響。

5.2 多個傳感器

由圖3可知，多個傳感器占用信道的情況下，信道的擁堵概率隨著信道數(shù)的增加遞減。由圖4與圖3比較可知，圖4在采用時(shí)分多址的算法后，信道擁堵的概率隨信道數(shù)增加而遞減的幅度要大于圖3，并且更平滑幾乎沒有反復(fù)現(xiàn)象。說明受擁堵的概率要小于其他情況。

圖2 10個信道情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量Figure 2 10channel under the sensor network throughput

圖3 最大值為200個信道情況下多個傳感器公用信道時(shí)的擁堵概率Figure 3 A maximum of 200channel cases multiple sensors public channel congestion probability

圖4 最大值為200個信道基于TDMA算法情況下多個傳感器公用信道時(shí)的擁堵概率Figure 4 A maximum of 200channel based on TDMA algorithm under multiple sensors congestion probability when the public channel

仿真分析結(jié)果表明：當(dāng)信道數(shù)目相同的情況下，有重疊行為的用戶的受擁堵概率小于無重疊行為的用戶值。這是因?yàn)樵谥丿B情況下，某用戶可選擇信道的概率增加。而且在時(shí)分多址算法的控制下，信道在通信過程中通暢度更高。

在食品生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品在流水線上速度很快，監(jiān)測生產(chǎn)過程（如包裝過程）就需要較多的傳感器，此時(shí)就會存在傳感器信號之間的干擾，使得反饋到控制器的信息出現(xiàn)誤差甚至錯誤。采用本研究中的算法思想可以使信號收發(fā)的性能大大改進(jìn)，提高信息提取的精度。

6 結(jié)論

安全問題對食品工業(yè)至關(guān)重要，RFID技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來檢測、追蹤、定位食品的環(huán)境條件、傳輸過程，可以實(shí)現(xiàn)對食品安全問題的有效監(jiān)控及預(yù)防。由于信號間的干擾和信道分配擁堵問題，而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地接收和發(fā)送傳感器的感測信息，是基于RFID技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的通病。本研究以食品安全監(jiān)測為研究對象利用認(rèn)知無線電技術(shù)的思想通過動態(tài)的頻譜分配、接入方法可以有效地緩解此類問題。

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