李政 劉釗 孟思彤

摘要：現(xiàn)今，“物聯(lián)網(wǎng)”一詞已出現(xiàn)我們生活的方方面面。如在物資倉(cāng)儲(chǔ)管理過(guò)程當(dāng)中，物聯(lián)網(wǎng)便扮演著重要角色。然而，物資管理過(guò)程當(dāng)中，更多的是通過(guò)人員來(lái)操作，導(dǎo)致勞動(dòng)效率低下，人力資源嚴(yán)重浪費(fèi)。同時(shí)貨物數(shù)量也在不斷地增加，出入庫(kù)頻率更是與日劇增，該模式下，工作效率會(huì)大打折扣。針對(duì)此現(xiàn)象，本文在物資倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中結(jié)合了RFID系統(tǒng)，在貼有標(biāo)簽的物資掃描過(guò)程中，對(duì)信號(hào)沖突問(wèn)題進(jìn)行標(biāo)簽防碰撞算法優(yōu)化，提高系統(tǒng)吞吐率，使得新算法讀取大量標(biāo)簽時(shí)高效、準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：倉(cāng)儲(chǔ)管理；RFID；標(biāo)簽防碰撞算法

現(xiàn)今，“物聯(lián)網(wǎng)”一詞頻繁地出現(xiàn)在世人眼前，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和智能嵌入技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已出現(xiàn)在我們生活的方方面面。在眾多的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中，RFID成為物聯(lián)網(wǎng)中物品自動(dòng)識(shí)別的最重要的技術(shù)，它提供了物聯(lián)網(wǎng)的“物”與“網(wǎng)”連接的基本手段。RFID系統(tǒng)利用射頻信號(hào)的空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體信息的自動(dòng)讀取和識(shí)別。系統(tǒng)由三個(gè)部分組成： 硬件和應(yīng)用軟件部分，以及 RFID應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)格式和通信協(xié)議。

讀寫(xiě)器掃描有效范圍內(nèi)的標(biāo)簽，讀取數(shù)據(jù)，完成對(duì)產(chǎn)品信息的搜集。在此過(guò)程中由于會(huì)讀取大量標(biāo)簽，勢(shì)必會(huì)造成標(biāo)簽信號(hào)沖突，導(dǎo)致標(biāo)簽漏讀、誤讀現(xiàn)象。通過(guò)眾多學(xué)者的研究，標(biāo)簽防碰撞技術(shù)主要有4種：空分多路法（SDMA）、頻分多路法（FDMA）、碼分多路法（CDMA）、時(shí)分多路法（TDMA）。而TDMA是現(xiàn)今最常用的。利用該方法設(shè)計(jì)的算法主要分為兩大類：ALOHA算法和二進(jìn)制樹(shù)搜索算法。二進(jìn)制樹(shù)搜索算法算法在設(shè)計(jì)過(guò)程中較為復(fù)雜，需要運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。因此本文在ALOHA算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

1 Aloha算法描述

1.1 傳統(tǒng)防碰撞算法

在純ALOHA算法中，標(biāo)簽隨機(jī)選取時(shí)間點(diǎn)響應(yīng)閱讀器，發(fā)生碰撞時(shí)，閱讀器向標(biāo)簽發(fā)出延遲指令，但該延遲是隨機(jī)的，因此在該算法中，碰撞周期會(huì)很長(zhǎng)， 所能達(dá)到吞吐率的最大值為18.4%，只適合標(biāo)簽稀疏情況下使用。在純 ALOHA 算法的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)得到時(shí)隙 ALOHA 算法（SA），它將一段時(shí)間劃分為離散的時(shí)隙單元，使得碰撞時(shí)長(zhǎng)縮短為純ALOHA算法的一半，因此，吞吐率提高了一倍。幀時(shí)隙 ALOHA（FSA）算法引用幀的概念，標(biāo)簽隨機(jī)選擇幀值范圍內(nèi)的一個(gè)時(shí)隙對(duì)閱讀器進(jìn)行響應(yīng)。

假設(shè)N為幀長(zhǎng)，n為閱讀器范圍內(nèi)可識(shí)別標(biāo)簽數(shù)，在此假定，各個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有標(biāo)簽都是均勻分布，則標(biāo)簽選擇每個(gè)時(shí)隙的概率都是 1/N，因此在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，具有r個(gè)標(biāo)簽的概率為：Pr=Crn（11N）r（1-11N）n-r，該時(shí)隙為空時(shí)隙、成功時(shí)隙、碰撞時(shí)隙的概率分別為P0，P1，Pr，三種情況對(duì)應(yīng)的期望值分別為E0，E1，Er，系統(tǒng)吞吐率為S=E11N，由S′=0可知，N≈n+1，可得到幀長(zhǎng)與標(biāo)簽數(shù)相近時(shí)，系統(tǒng)吞吐率最大。由此人們又提出了動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA 算法（DFSA）對(duì)每輪查詢后未識(shí)別標(biāo)簽數(shù)進(jìn)行估計(jì)，然后動(dòng)態(tài)地調(diào)整幀長(zhǎng)，使之與系統(tǒng)內(nèi)當(dāng)前標(biāo)簽數(shù)相近。

1.2 自適應(yīng)分組位隙ALOHA標(biāo)簽防碰撞算法

自適應(yīng)分組位隙ALOHA標(biāo)簽防碰撞算法（AGSA）在DFSA的基礎(chǔ)上，在每輪閱讀過(guò)程中結(jié)合了標(biāo)簽估計(jì)算法，通過(guò)分析根據(jù)剩余標(biāo)簽的數(shù)量，合理分配幀長(zhǎng)。通過(guò)MATLAB仿真不同幀長(zhǎng)下（N=16，32，64，128，256）吞吐率的變化，發(fā)現(xiàn)，相鄰幀長(zhǎng)下的兩條吞吐率曲線會(huì)有交點(diǎn)，交點(diǎn)以上，吞吐率一直保持著較高水平，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理分組，使得時(shí)隙數(shù)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)多而浪費(fèi)，也不會(huì)因?yàn)檫^(guò)少而導(dǎo)致堵塞，系統(tǒng)吞吐率會(huì)保持較高水平。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)n的取值為22～44時(shí)，幀長(zhǎng)為32；44～88時(shí)，幀長(zhǎng)為64；88～177時(shí)，幀長(zhǎng)為128；當(dāng)n大于128時(shí)，幀長(zhǎng)為256且保持不變。這就為后期分組奠定了基礎(chǔ)。

L為標(biāo)簽位隙長(zhǎng)度，由上述可知，一輪查詢內(nèi)，每個(gè)沖突時(shí)隙平均含有的標(biāo)簽數(shù)如下式：t=n-N11Nr，由此可得系統(tǒng)吞吐率為：

通過(guò)MATLAB仿真分析，AGSA算法吞吐率基本維持在70%左右，大大提高了倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的工作效率。

2 系統(tǒng)操作

主機(jī)與標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)，首先主機(jī)會(huì)發(fā)送命令給AS3992讀寫(xiě)模塊，讀寫(xiě)模塊將收集到的數(shù)據(jù)返回給主機(jī)，兩者通信的數(shù)據(jù)格式是相同的。主機(jī)向閱讀器發(fā)送的命令體為命令碼、命令字節(jié)長(zhǎng)度和命令數(shù)據(jù)的結(jié)合，返回?cái)?shù)據(jù)的命令碼是對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)命令碼的回答?？蓪?duì)標(biāo)簽操作的命令有盤存命令，喚醒表簽/休眠標(biāo)簽，訪問(wèn)命令。例如要選中EPC為01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23的標(biāo)簽，發(fā)送33 0F 0C 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23 若接受34 03 09，表示此標(biāo)簽無(wú)法讀寫(xiě)，若接收34 03 00，表示可以讀寫(xiě)此標(biāo)簽了。

打開(kāi)AS3992 Reader Suite應(yīng)用程序，首先設(shè)置工作頻率為915MHz，在Rogers讀寫(xiě)器表示上點(diǎn)擊右鍵，選擇 Advanced Reader Settings。點(diǎn)擊Edit中 Settings 按鈕，點(diǎn)擊位置 1 ，選擇“USA”，然后調(diào)整 Output level 的值到恰當(dāng)?shù)闹担热? 或者1。完成后，均需要點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的 Set 按鍵。接上天線，點(diǎn)擊 Start Scan，即可掃描到標(biāo)簽。

3 結(jié)論

本文在物聯(lián)網(wǎng)前提下，研究RFID在倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，并在動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)算法。該算法通過(guò)在標(biāo)簽信息段后加入一定的時(shí)隙數(shù)，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)通過(guò)時(shí)隙再識(shí)別，使得系統(tǒng)吞吐率提高近一倍，并結(jié)合動(dòng)態(tài)分組，在保持高吞吐率的同時(shí)，大大降低了閱讀器的查詢周期數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李萌，錢志鴻，張旭，等.基于時(shí)隙預(yù)測(cè)的RFID防碰撞ALOHA算法[J].通信學(xué)報(bào)，2011，32（12）：4350.

[2]劉曉崗.RFID系統(tǒng)防碰撞算法研究[D].南昌航空大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：李政（1993），女，山西晉城人，計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，研究方向：系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理；劉釗（1992），男，河北滄州人，計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，研究方向：系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理；孟思彤（1993），女，遼寧本溪人，計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，研究方向：系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理。