許仙明 吳敏 吳靜進(jìn) 胡小兵 朱淑云

摘要：RFID技術(shù)具有安全可靠、可遠(yuǎn)距離識(shí)別等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能識(shí)別與機(jī)器人技術(shù)中。傳統(tǒng)的類標(biāo)簽算法普遍存在不足，文中基于RFID技術(shù)研究了自適應(yīng)分組的標(biāo)簽防碰撞算法。自適應(yīng)分組的標(biāo)簽防碰撞算法在一定程度上改善了多目標(biāo)標(biāo)簽的情形，提高了系統(tǒng)的識(shí)別速度，且利用了閱讀器與標(biāo)簽中的信息通道。仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法可以大幅減少能量損耗，提高識(shí)別精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)算法的不足。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)分組;標(biāo)簽防碰撞算法;RFID技術(shù);信號(hào)控制;參數(shù)設(shè)定;仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN959.1+7-34;TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-0055-04

在自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展中，有諸多識(shí)別技術(shù)，其有各自的優(yōu)勢(shì)。但由于射頻識(shí)別技術(shù)其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于物流、AGV、倉儲(chǔ)等行業(yè)，研究者也著手研究功能更加成熟的RFID技術(shù)[1-3]。

RFID技術(shù)的防碰撞算法是近年來的研究熱點(diǎn)，本文在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有RFID標(biāo)簽防碰撞技術(shù)的缺點(diǎn)和局限性，并在現(xiàn)有防碰撞算法的基礎(chǔ)上[4-6]，研究了自適應(yīng)標(biāo)簽分組的防碰撞算法。標(biāo)簽防碰撞算法的基本思路是在檢測到有其他信號(hào)源發(fā)送信號(hào)時(shí)，射頻識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)發(fā)生器停止發(fā)生指令。再經(jīng)過一段時(shí)間后，若無干擾信號(hào)，則繼續(xù)發(fā)生信號(hào)，以此來減少發(fā)生碰撞的概率。仿真結(jié)果表明，基于RFID技術(shù)的自適應(yīng)分組標(biāo)簽的防碰撞算法在滿足通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，可以較好地達(dá)到防碰撞的目的，該算法具有良好的實(shí)用價(jià)值。

1 RFID基本原理

RFID又稱為射頻識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是中央處理系統(tǒng)、標(biāo)簽和閱讀器，各部分之間的聯(lián)系如圖1所示[7-8]。

1.1 閱讀器

閱讀器是射頻識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，即與標(biāo)簽進(jìn)行雙向通信，并接收其他設(shè)備發(fā)出的指令。射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率與閱讀器的工作頻率緊密相關(guān)，且構(gòu)成因果關(guān)系。閱讀器的工作頻率影響整個(gè)系統(tǒng)的頻率，系統(tǒng)的識(shí)別距離由閱讀器決定。因此，閱讀器在射頻識(shí)別系統(tǒng)中起著重要的作用，其是射頻識(shí)別系統(tǒng)的控制中心，起控制整個(gè)系統(tǒng)和處理信息的作用。

1.2 標(biāo) 簽

射頻識(shí)別系統(tǒng)的另一個(gè)重要組件是標(biāo)簽，也是防碰撞算法的核心部件。標(biāo)簽用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在識(shí)別系統(tǒng)中起到重要作用。其可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，自動(dòng)將獲取的信號(hào)傳輸?shù)阶R(shí)別系統(tǒng)，方便用戶使用。標(biāo)簽由邏輯控制單元控制信息的存儲(chǔ)，其具有芯片和射頻接口。與其他的通信系統(tǒng)類似，標(biāo)簽又被稱作接收器。標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)見圖2。

1.3 中央處理系統(tǒng)

射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心是中央處理系統(tǒng)，其是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。讀寫器獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)，中央處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和處理。同時(shí)，管理內(nèi)部的存儲(chǔ)、控制閱讀器。典型的RFID為無源系統(tǒng)，表1為無源RFID的技術(shù)參數(shù)。

2 算法設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際的射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用中，通常難以事先獲取標(biāo)簽的總數(shù)目，即無法根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)量確定最佳幀長。而幀長是影響整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)防碰撞算法所要用到的一個(gè)參數(shù)。在傳統(tǒng)的時(shí)隙ALOHA算法中，無法獲得最佳幀長，存在局限性[9-10]。為解決這一問題，本文提出了基于RFID技術(shù)的自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法。其通過將獲取到的標(biāo)簽進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組.來識(shí)別和確定幀長，改善時(shí)隙ALOHA算法。自適應(yīng)分組標(biāo)簽的防碰撞算法（TAAG）核心思想是合理地對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分組，并對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編號(hào)。按照一定的原則將所有標(biāo)簽進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組，通過射頻識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別每一組的標(biāo)簽。依據(jù)系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果，可以估計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)簽數(shù)量，獲得最佳幀長。

2.1 算法步驟

自適應(yīng)分組標(biāo)簽算法涉及標(biāo)簽的幾個(gè)工作狀態(tài)，分別為準(zhǔn)備狀態(tài)、待命狀態(tài)和靜默態(tài)[11]。

準(zhǔn)備狀態(tài)（READY）：當(dāng)系統(tǒng)處于該狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽處于詢問狀態(tài)，此時(shí)的標(biāo)簽準(zhǔn)備接收訪問。

待命狀態(tài)（STANDBY）：在準(zhǔn)備狀態(tài)之后，標(biāo)簽內(nèi)部將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，并通過標(biāo)簽分組，再選擇一個(gè)分組的標(biāo)簽進(jìn)行算法識(shí)別，被選中標(biāo)簽所處的狀態(tài)稱為待命狀態(tài)。

靜默態(tài)（QUIET）：在待命態(tài)之后，標(biāo)簽不再參與后續(xù)識(shí)別過程，該狀態(tài)被稱為靜默態(tài)。

在自適應(yīng)分組算法中，通過射頻識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別算法步驟為：當(dāng)標(biāo)簽寄存器中的數(shù)值全為0時(shí)，識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)簽把本身的地址發(fā)送給閱讀器;在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，若標(biāo)簽和閱讀器之間能夠正常進(jìn)行通信，則將其看作成功時(shí)隙。

2.2 標(biāo)簽防碰撞算法

標(biāo)簽防碰撞算法的基本思路是標(biāo)簽與閱讀器發(fā)送通信時(shí)，若有其他標(biāo)簽干擾，則多個(gè)標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，會(huì)使得物體之間發(fā)生完全或非完全碰撞。為了避免物體碰撞，在檢測到有其他信號(hào)源發(fā)送信號(hào)時(shí)，射頻識(shí)別系統(tǒng)停止發(fā)生指令。經(jīng)過一段時(shí)間后，若檢測到無干擾信號(hào)，則繼續(xù)發(fā)生信號(hào)，以此來減少發(fā)生碰撞的概率。

2.3 算法分析

自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，是用二進(jìn)制數(shù)來表示的。在傳輸過程中，最高碰撞位被傳輸?shù)缴漕l識(shí)別系統(tǒng)中，若標(biāo)簽的ID為M位，則傳輸?shù)拇螖?shù)為：

m= log2M

（1）

用二進(jìn)制位來表示碰撞信息，可以提高精確度，且在傳輸過程中，可以減少有效信息的丟失。對(duì)于任意一個(gè)標(biāo)簽的分組，若有Mi個(gè)需要識(shí)別的標(biāo)簽，系統(tǒng)則自動(dòng)計(jì)算需要碰撞的次數(shù)，自動(dòng)選擇搜索算法來查詢，且查詢次數(shù)公式為：

根據(jù)自適應(yīng)分組算法的特點(diǎn)，無論查詢次數(shù)和標(biāo)簽處理數(shù)據(jù)是否滿足條件，系統(tǒng)均會(huì)動(dòng)態(tài)使用自適應(yīng)分組搜索，且搜索時(shí)間為：

3 算法仿真結(jié)果與分析

本節(jié)將通過仿真實(shí)例來說明自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法的優(yōu)點(diǎn)。在仿真的過程中，使用到了3個(gè)參數(shù)，用來衡量算法的性能，分別是吞吐率、Number of Slots（NoS）、Required Cycles'12'。

吞吐率：通過S時(shí)隙的數(shù)目與總時(shí)隙數(shù)目之比，其反應(yīng)了信道的使用率。

Throughput=S/S+E+C

Number of Slots：其用來描述閱讀器訪問數(shù)據(jù)庫時(shí)所花的時(shí)間。花費(fèi)的時(shí)間越短，表示算法的性能越強(qiáng)。

Required Cycles：其是描述算法性能的通信參數(shù)，表征射頻識(shí)別系統(tǒng)通信能力的強(qiáng)弱。

綜合以上3個(gè)參數(shù)，可以判斷防碰撞算法的優(yōu)劣。在本文自適應(yīng)分組標(biāo)簽防碰撞算法的仿真分析中，采用蒙特卡羅方法，將初始數(shù)據(jù)設(shè)為：M=4，A=4，L表示幀時(shí)隙長度。仿真對(duì)吞吐率、識(shí)別時(shí)隙數(shù)和識(shí)別周期數(shù)進(jìn)行跟蹤。圖3是本文自適應(yīng)分組算法仿真結(jié)果圖。從圖中可以看出，算法在閱讀器閱讀標(biāo)簽時(shí)，有更少的Cy-cles數(shù)目，可以減少算法使用閱讀器和標(biāo)簽的通信次數(shù)。相對(duì)于其他算法，該算法的防碰撞率更高，其使用到的標(biāo)簽數(shù)更少，這也說明了該算法的優(yōu)越性。不同算法的比較，如表2所示。

4 結(jié)語

本文基于RFID技術(shù)研究自適應(yīng)分組標(biāo)簽的防碰撞算法，通過將獲取到的標(biāo)簽進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組，來識(shí)別和確定幀長，改善了傳統(tǒng)的時(shí)隙ALOHA算法。雖然TAAG算法和TAPC算法均可維持識(shí)別精度，且有較好的應(yīng)用價(jià)值，但本文提出的自適應(yīng)算法在性能上更優(yōu)，能夠彌補(bǔ)難以獲取幀長的缺陷。其使用到的標(biāo)簽數(shù)更少，且該算法的防碰撞率更高，更具備節(jié)能性，為后續(xù)研究工作提供了理論依據(jù)。在后續(xù)研究中，將研究在大規(guī)模標(biāo)簽分組情形下，提高算法的防碰撞能力。

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作者簡介：許仙明（1981-），男，江西吉安人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器控制研究。