王月瑩+湯錦茂+陳望玥+鄒文平

摘 要：在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)RFID系統(tǒng)隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加，碰撞概率隨之提高，無(wú)法高效地識(shí)別標(biāo)簽。為了在大規(guī)模使用RFID標(biāo)簽的情況下提高抗碰撞性能，通過(guò)分析、建模、實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用概率模型的識(shí)別概率曲線，可以從一次掃描獲得的識(shí)別標(biāo)簽數(shù)反推外部的標(biāo)簽規(guī)模，從而智能調(diào)整幀時(shí)隙數(shù)，降低碰撞概率。該方法能優(yōu)化RFID系統(tǒng)在大規(guī)模標(biāo)簽中的識(shí)別效率，適用于物流領(lǐng)域中標(biāo)簽數(shù)量很多的場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；電子標(biāo)簽；RFID技術(shù)；RFID系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171898

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0036-03

0 引言

隨著科技的發(fā)展，RFID（Radio Frequency Identification，無(wú)線射頻識(shí)別）技術(shù)愈發(fā)成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。20世紀(jì)90年代，RFID作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域興起。RFID是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)線系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個(gè)基本的器件組成，一個(gè)閱讀器和若干標(biāo)簽（也稱應(yīng)答器），可用于控制、跟蹤和檢測(cè)物體[1]。

由于RFID技術(shù)具有多目標(biāo)識(shí)別、高速移動(dòng)物體識(shí)別、非接觸識(shí)別等特點(diǎn)，因而其在生產(chǎn)、管理、信息傳送、信號(hào)識(shí)別等方面顯示出較好的發(fā)展?jié)摿涂捎每臻g，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的信息科學(xué)技術(shù)之一[2]。

RFID技術(shù)利用無(wú)線射頻信號(hào)，無(wú)需接觸就能自動(dòng)識(shí)別物體，其識(shí)別率一直是影響它更大范圍應(yīng)用的根本原因。針對(duì)此問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究如何改善RFID系統(tǒng)在大規(guī)模標(biāo)簽環(huán)境中的識(shí)別效率及如何降低碰撞概率[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 RFID技術(shù)工作原理

完整的RFID系統(tǒng)由如下4個(gè)部分組成：閱讀器（Reader）、電子標(biāo)簽（Tag）即所謂的應(yīng)答器（Transponder）、中間件（Middle Ware）及應(yīng)用軟件系統(tǒng)（Application Software System）。工作原理如下：RFID閱讀器通過(guò)天線持續(xù)發(fā)送出特定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)即閱讀器射頻信號(hào)觸及工作場(chǎng)內(nèi)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量支持標(biāo)簽發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中所保存的約定格式的電子信息（Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），隨后解讀器讀取信息并解碼后，將數(shù)據(jù)傳送至RFID中間件進(jìn)行相關(guān)處理。RFID中間件是一種面向消息的程序模塊，利用高效可靠的消息傳遞機(jī)制進(jìn)行平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，信息以消息的形式傳遞，從RFID硬件控制程序主動(dòng)通過(guò)同步或異步的傳輸方式將信息傳送至上層的應(yīng)用程序。RFID中間件對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后送至中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理[4]。

1.2 RFID中間件設(shè)計(jì)

RFID中間件是介于RFID閱讀器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的、用于處理和管理RFID數(shù)據(jù)的平臺(tái)[5]。在RFID閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)之間，RFID中間件起到中介作用，閱讀器通過(guò)在應(yīng)用程序端使用RFID中間件提供的一組應(yīng)用程序編程接口（API），實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取和各類參數(shù)的設(shè)置及寫入功能。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境中，中間件與各種分布對(duì)象有機(jī)地結(jié)合在一起，交互通訊完成系統(tǒng)快速高效的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的重用，提高生產(chǎn)效率，降低軟件開(kāi)發(fā)成本。有了中間件的支撐，在應(yīng)用軟件中用到中間件對(duì)應(yīng)的功能時(shí)，不需要應(yīng)用端開(kāi)發(fā)人員自己實(shí)現(xiàn)，可直接利用中間件將其中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)好的功能快速集成到應(yīng)用軟件系統(tǒng)中，使不同操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序間無(wú)縫連接成為可能。即使RFID硬件升級(jí)和改變，應(yīng)用端不需修改，通過(guò)改寫中間件就能適應(yīng)硬件的升級(jí)，減小了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的工作量。

1.3 RFID中間件架構(gòu)設(shè)計(jì)

RFID中間件的主要功能之一是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為上層應(yīng)用提供決策支持[6]。為了改善大規(guī)模使用RFID標(biāo)簽環(huán)境中的識(shí)別效率，系統(tǒng)通常使用高頻掃描儀器，當(dāng)RFID閱讀器掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)一張RFID標(biāo)簽時(shí)，為了保證漏讀率趨近于0，會(huì)對(duì)其進(jìn)行上百次掃描。但是這種掃描方式也使系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的冗余數(shù)據(jù)，使用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用成本上升，普通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法承擔(dān)這樣的負(fù)荷。同時(shí)處理大量的冗余數(shù)據(jù)會(huì)降低系統(tǒng)性能，從而出現(xiàn)存取速率降低、傳輸時(shí)間延長(zhǎng)、查詢效率降低等問(wèn)題。因此，中間件對(duì)傳感器捕獲到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理十分必要，具體操作方法是：丟棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、忽略無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)、合并相同數(shù)據(jù)。

RFID數(shù)據(jù)壓縮方法一般可分為兩種：第一種為多媒體數(shù)據(jù)壓縮，多媒體數(shù)據(jù)壓縮以音頻文件、矢量圖像、彩色圖像、二值圖像等為處理對(duì)象；第二種為通用數(shù)據(jù)壓縮，通用數(shù)據(jù)壓縮包含了如LZW、LZ77和LZ78的基于字典模型的壓縮技術(shù)，也包含了如算術(shù)編碼和Huffinan編碼的基于統(tǒng)計(jì)模型的壓縮技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)實(shí)踐改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，位置壓縮（Location Compression）[7]和包壓縮（Containment Compression）成為目前主要的RFID壓縮方法。位置壓縮是指當(dāng)多個(gè)RFID對(duì)象在相同位置停留超過(guò)一個(gè)讀取周期時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)把一系列數(shù)據(jù)壓縮成一個(gè)對(duì)象；包壓縮是指當(dāng)多個(gè)帶有RFID標(biāo)簽的對(duì)象同時(shí)在同一個(gè)容器內(nèi)以整體的形式移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將以容器的標(biāo)簽來(lái)表示容器內(nèi)RFID對(duì)象的位置。受外圍周邊環(huán)境和射頻信號(hào)等原因的干擾和影響，RFID系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀取的過(guò)程中常出現(xiàn)漏讀、誤讀和重讀等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象甚至成為制約RFID應(yīng)用的重要因素，標(biāo)簽一旦讀取錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂，增加成本的消耗，亦可導(dǎo)致重大損失的發(fā)生。因此，系統(tǒng)中要增加一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)有效信息進(jìn)行過(guò)濾，以保證讀取到的數(shù)據(jù)與實(shí)踐中的真實(shí)數(shù)據(jù)更加接近。對(duì)于以上問(wèn)題，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的學(xué)者提出一種基于概率模型的SMURF自適應(yīng)數(shù)據(jù)清洗方法，用于改進(jìn)中間件數(shù)據(jù)清洗模式，方法如下：將RFID標(biāo)簽所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流看作統(tǒng)計(jì)學(xué)中的隨機(jī)事件，“事件”可以描述為“指示某種行為的信息”，通常信息的形式類似于消息，根據(jù)隨機(jī)事件概率的不同來(lái)調(diào)整窗口大小，提高了數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性。endprint

2 RFID抗碰撞算法

隨著電子標(biāo)簽的縮小和識(shí)別距離的增長(zhǎng)，在讀寫器工作場(chǎng)區(qū)域內(nèi)中常出現(xiàn)大量的標(biāo)簽等待讀卡器識(shí)別的問(wèn)題，此時(shí)RFID中間件在設(shè)計(jì)時(shí)需要解決多標(biāo)簽碰撞問(wèn)題[8]，工作場(chǎng)景如圖1所示。標(biāo)簽碰撞指在一個(gè)磁場(chǎng)即讀寫器的工作場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量同時(shí)響應(yīng)閱讀器從而發(fā)送自身存儲(chǔ)信息，由于多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向讀寫器發(fā)出信息而引起信號(hào)碰撞，最終導(dǎo)致讀寫器無(wú)法識(shí)別標(biāo)簽，造成通信失敗，而發(fā)送失敗的標(biāo)簽將會(huì)重復(fù)發(fā)送直到成功，嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率，浪費(fèi)通信時(shí)間，增加電子標(biāo)簽與讀寫器的通信負(fù)擔(dān)，限制了RFID的推廣和發(fā)展。目前，如何降低RFID系統(tǒng)在大規(guī)模標(biāo)簽環(huán)境中的碰撞概率是RFID研究中的難點(diǎn)[9]。

2.1 電子標(biāo)簽工作狀態(tài)

要降低碰撞概率，必須先分析標(biāo)簽的工作狀態(tài)。滿足EPC GEN2的標(biāo)簽必須能夠?qū)崿F(xiàn)就緒、仲裁、應(yīng)答、確認(rèn)、開(kāi)放、保護(hù)以及滅活7個(gè)工作狀態(tài)。其中，與防碰撞相關(guān)的狀態(tài)包括就緒、仲裁、應(yīng)答以及確認(rèn)[10]。

使用一組適當(dāng)合法的指令可以讓RFID標(biāo)簽進(jìn)入某種狀態(tài)，且命令只能當(dāng)標(biāo)簽在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下才能生效，標(biāo)簽響應(yīng)命令后將會(huì)轉(zhuǎn)入其它狀態(tài)。

2.2 抗碰撞算法

為了消除或減少RFID系統(tǒng)中的碰撞問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出了許多不同的抗碰撞算法，其中主要有二進(jìn)制樹(shù)形搜索法和ALOHA法[11]。ALOHA算法屬于時(shí)分多址（TDMA）方式，其主要算法有P-ALOHA算法、純ALOHA算法、固定幀時(shí)隙ALOHA算法、時(shí)隙ALOHA算法、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法，是一種簡(jiǎn)單基本的防碰撞算法。其中能優(yōu)化吞吐率較小的ALOHA法是時(shí)隙ALOHA法（SA算法）。SA算法是因?yàn)樽x寫器能控制在同步時(shí)隙內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，有概率發(fā)生碰撞的時(shí)間區(qū)就減少了1/2，當(dāng)G=1時(shí)，S上升為36.8%，但局限于只讀型電子標(biāo)簽。另外一種擴(kuò)展ALOHA算法是FSA算法，是在時(shí)隙ALOHA算法基礎(chǔ)上將N個(gè)時(shí)隙組成一幀，標(biāo)簽在每幀內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙，適合應(yīng)用于傳輸信息量較大的情況。FSA算法的特點(diǎn)是適用于較大的信息傳輸場(chǎng)合。但在標(biāo)簽數(shù)量遠(yuǎn)大于時(shí)隙個(gè)數(shù)的情況下，讀取標(biāo)簽的時(shí)間將增加，在標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于時(shí)隙個(gè)數(shù)情況下，就會(huì)造成時(shí)隙的浪費(fèi)。在FSA算法中，當(dāng)遇到始終有碰撞發(fā)生的情況時(shí)，要用到動(dòng)態(tài)時(shí)隙ALOHA法，由于幀中的時(shí)隙個(gè)數(shù)N是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的，其時(shí)隙可根據(jù)需要變化，從而解決了FSA算法中時(shí)隙在過(guò)多和較少碰撞時(shí)的浪費(fèi)問(wèn)題。當(dāng)讀寫器

在工作時(shí)發(fā)現(xiàn)碰撞發(fā)生較多，就提供合理的時(shí)隙數(shù)，直到有唯一標(biāo)簽的時(shí)隙為止，從而大大提高吞吐率。

2.3 數(shù)學(xué)模型分析

改良的FSA算法可以動(dòng)態(tài)地改變下一次讀取循環(huán)中每一幀的時(shí)隙數(shù)N，N隨著閱讀區(qū)中標(biāo)簽數(shù)目的增減而改變，這種算法稱為動(dòng)態(tài)FSA算法，也叫DFSA算法。在輸入的負(fù)載率小于1時(shí)，動(dòng)態(tài)時(shí)隙ALOHA算法能減少時(shí)隙數(shù)N從而節(jié)約標(biāo)簽讀取時(shí)間和空間；在輸入的負(fù)載率大于1時(shí)，增加時(shí)隙數(shù)，減少幀中的碰撞數(shù)目，同時(shí)也避免單獨(dú)時(shí)隙中的標(biāo)簽被識(shí)別的概率變小的情況[12]。

以杯子總數(shù)表示RFID讀卡器掃描周期中一幀中的時(shí)隙數(shù)，用球表示標(biāo)簽，投球后剩余的空杯數(shù)表示讀寫器一次掃描閱讀后產(chǎn)生的空時(shí)隙數(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以此實(shí)現(xiàn)根據(jù)讀寫器一次閱讀后產(chǎn)生的空時(shí)隙數(shù)猜測(cè)標(biāo)簽總數(shù)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整下次閱讀的時(shí)隙數(shù)N。

F1（A，B，E）=CA-BA*HE-（A-B）A-B÷HEA 以50個(gè)杯子，50個(gè)球?yàn)槔嚎偪赡軘?shù)：H=H5050=5.0446*1028；0個(gè)空杯：C5050=1；1個(gè)空杯：C4950*H149=C4950*H149，P=C4950*C149÷H；2個(gè)空杯：C4850*H248=C4850*C249，P=C4850*C249÷H；......n個(gè)空杯：C50-n50*Hn50-n=C50-n50*Cn49，P=C50-n50*Cn49÷H；（注：Hnm=Cnm+n-1，Cnm=m！n！*（m-n）?。?/p>

根據(jù)以上公式推導(dǎo)得到概率模型，繪制概率分布曲線如圖2所示。利用各種規(guī)模的杯、球概率分布曲線，就可以從一次閱讀時(shí)的標(biāo)簽識(shí)別數(shù)來(lái)反推外界標(biāo)簽的總數(shù)量，再采用DFSA算法，設(shè)置讀卡器的幀時(shí)隙數(shù)和外界標(biāo)簽的規(guī)模數(shù)相等，此時(shí)RFID的讀卡器效率最高。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)RFID中間件的設(shè)計(jì)，以及對(duì)抗碰撞算法的探討，推導(dǎo)了概率曲線，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，獲得了提高RFID中間件抗碰撞的方法。研究得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：①推導(dǎo)了標(biāo)簽識(shí)別和標(biāo)簽規(guī)模相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型，采用概率學(xué)方法對(duì)RFID標(biāo)簽碰撞現(xiàn)象進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)通過(guò)已知識(shí)別數(shù)反推總標(biāo)簽數(shù)量；②通過(guò)改變讀卡器幀時(shí)隙和外界標(biāo)簽總數(shù)相匹配，將有效提高RFID系統(tǒng)在物流場(chǎng)景中大規(guī)模標(biāo)簽環(huán)境下的識(shí)別效率。

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