朱應(yīng)莉

（西安交通工程學(xué)院交通運(yùn)輸學(xué)院，陜西西安 710000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，物流管理和控制將向著網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展，隨著物流需求量大幅度增加，對(duì)大規(guī)模物流信息的處理速度和智能化提出更高的要求。在物流配送過(guò)程中，貨物附加了許多數(shù)據(jù)信息，主要包括物品基本屬性、配送信息、出產(chǎn)地等信息內(nèi)容，通過(guò)電子標(biāo)簽、條形碼識(shí)別等進(jìn)行標(biāo)簽信息的采集和配對(duì)，需要建立準(zhǔn)確和高效的信息數(shù)據(jù)加工和分析系統(tǒng)，通過(guò)信息監(jiān)控和挖掘提高物流管理和貨物追溯能力[1]。文中采用無(wú)線射頻標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建新型多卡識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的多卡同時(shí)識(shí)別，以提升電子標(biāo)簽的識(shí)別效率和準(zhǔn)確性。

1 基于Q值的動(dòng)態(tài)Aloha防碰撞算法

在快速批量的標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中，為防止多個(gè)RFID 標(biāo)簽同時(shí)讀取識(shí)別時(shí)發(fā)生碰撞沖突，導(dǎo)致誤識(shí)別現(xiàn)象發(fā)生，提出了一種基于Q值的動(dòng)態(tài)Aloha 改進(jìn)型防碰撞算法。Aloha 算法屬于一種隨機(jī)接入式算法，利用多路分時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 標(biāo)簽識(shí)別的高效防碰撞處理，算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算高效的特點(diǎn)[2-3]。Aloha 算法中在相鄰兩幀識(shí)別之間存在一個(gè)時(shí)間間隙，假定在該時(shí)間間隙中存在r個(gè)標(biāo)簽，則r個(gè)標(biāo)簽的概率分布符合二項(xiàng)分布，概率分布公式為[4]：

式中，N表示標(biāo)簽總量，n表示響應(yīng)到的標(biāo)簽數(shù)量，r表示時(shí)間間隙中存在的標(biāo)簽數(shù)量。

在時(shí)間間隙中存在一個(gè)標(biāo)簽的概率為：

僅存在一個(gè)標(biāo)簽的時(shí)間間隙數(shù)目平均期望X可表示為：

系統(tǒng)的平均識(shí)別效率可表示為：

由于物流系統(tǒng)中物品標(biāo)簽的輸入速度是時(shí)變的，若采用固定長(zhǎng)度的幀間時(shí)間間隙，則無(wú)法很好地適應(yīng)標(biāo)簽識(shí)別的速度變化。這里引入一個(gè)Q值，根據(jù)RFID 標(biāo)簽輸入的速度變化實(shí)時(shí)調(diào)整Q值，幀間時(shí)間間隙長(zhǎng)度與Q值成指數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)幀間時(shí)間間隙的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而提高資源利用率，提升標(biāo)簽的識(shí)別效率[5]。首先需要建立空閑、識(shí)別成功、識(shí)別碰撞狀態(tài)與Q值之間的映射關(guān)系，這里定義一個(gè)Q值調(diào)整步長(zhǎng)變量C和一個(gè)Q值浮點(diǎn)表示變量Qfp，通過(guò)對(duì)變量C的增加和減小，實(shí)現(xiàn)對(duì)Qfp的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，保證識(shí)別效率始終保持在較高水平。

Q值的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整策略如圖1 所示，標(biāo)簽讀取識(shí)別結(jié)果包括3 個(gè)狀態(tài)：空閑、識(shí)別成功、碰撞。識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目為0 個(gè)時(shí)，標(biāo)記為空閑；識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目為1 個(gè)時(shí)，標(biāo)記為成功；識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目為2 個(gè)及以上的標(biāo)記為碰撞。當(dāng)標(biāo)簽讀取識(shí)別結(jié)果為空閑狀態(tài)時(shí)，將Qfp值向減小的方向調(diào)整，更新為Qfp-C；若標(biāo)簽讀取識(shí)別結(jié)果為碰撞狀態(tài)時(shí)，將Qfp值向增大的方向調(diào)整，更新為Qfp+C；若識(shí)別結(jié)果為成功時(shí)，則保持Qfp值不變。每個(gè)識(shí)別周期均進(jìn)行Qfp值的判斷和更新，以實(shí)現(xiàn)Qfp值的實(shí)時(shí)調(diào)整。步幅參數(shù)C的選取對(duì)Q值的調(diào)整效果具有很大影響，其取值范圍為[0.1,0.5]，與Q值之間的關(guān)系為[6]：1）當(dāng)Q≤6時(shí)，C=0.5；2）當(dāng)6

圖1 Q 值的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整策略

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

物流電子采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要可分為三層，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[7-8]。其中，最底層為感知層，主要運(yùn)用RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的物流信息采集和識(shí)別，采集到的物流信息包含了物品的配送信息和相關(guān)用戶信息等，具體包括物品種類、尺寸、重量、發(fā)送和接收客戶資料等信息。感知層的核心設(shè)備為電子信息采集終端，該電子設(shè)備利用讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并將獲取的信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至應(yīng)用層，以用于信息的錄入與分析。網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)可選用基于ZigBee 技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制，運(yùn)用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接組件對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行控制，以提升物流信息的傳輸性能。應(yīng)用層中，對(duì)各個(gè)傳輸組件及模塊采用統(tǒng)一的傳輸接口，將物流信息進(jìn)行錄入并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)云計(jì)算環(huán)境對(duì)物流信息進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的邏輯分析和數(shù)據(jù)運(yùn)算。數(shù)據(jù)感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸作為最前端系統(tǒng)，影響著整個(gè)物流信息采集系統(tǒng)的運(yùn)行性能，文中重點(diǎn)對(duì)電子采集終端進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化終端設(shè)計(jì)方案，提升其數(shù)據(jù)采集速度，以提升整個(gè)物流信息的采集和傳輸效率。

圖2 物流電子采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

多卡電子識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要包括3 部分：RFID 識(shí)別模塊、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、應(yīng)用PC端[9]。RFID 模塊主要負(fù)責(zé)電子標(biāo)簽的識(shí)別和數(shù)據(jù)讀寫，其硬件電路主要由控制處理模塊、RFID 讀寫模塊、電子標(biāo)簽、通信電路、供電電源電路等部分組成。物流網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)信息的傳輸通道，主要由基于ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，依照Z(yǔ)igBee 通信協(xié)議組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，確保RFID 終端與PC 端之間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。

圖3 多卡電子識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 RFID識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

RFID 識(shí)別模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)電子標(biāo)簽的檢測(cè)和識(shí)別，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由控制處理模塊、RFID 讀寫模塊、通信接口及電源模塊構(gòu)成。

圖4 RFID識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)

3.1 控制處理模塊

控制處理模塊是系統(tǒng)的核心處理部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)多個(gè)RFID 讀寫模塊的控制以及與ZigBee 模塊的通信接口控制?？刂破魈幚硇酒吞?hào)為STM32 F103VCT6，該處理器為ARM M3 內(nèi)核，其最高時(shí)鐘速度為72 MHz，內(nèi)部集成的FLASH 存儲(chǔ)器空間大小為256 kB，RAM 存儲(chǔ)空間大小為48 kB，配置多種串行通信接口，包括CAN、I2C、SPI、UART 等串行接口，配有豐富的I/O 接口，能夠很好地滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需求[10]。

3.2 RFID讀寫模塊

RFID 讀寫模塊的性能主要受其工作頻率、通信協(xié)議及編碼方式等因素的影響，為了提高讀寫器的通用性和高效性，選用RC632 芯片作為RFID 讀寫模塊的處理器，該芯片的工作頻率為13.56 MHz，具備多種高頻通信協(xié)議，包括射頻前端和基帶處理兩個(gè)部分[11]。其中，射頻前端通過(guò)變頻和功率放大處理，對(duì)基帶信號(hào)處理后，將其發(fā)射到電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽接收到基頻信號(hào)后反饋返回信號(hào)，射頻前端接收到返回信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、變頻等處理，然后將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至基帶處理模塊中，完成對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫。

3.3 通信接口設(shè)計(jì)

RFID 讀寫系統(tǒng)中主要涉及的通信接口包括串行接口、USB 接口和無(wú)線通信接口。串行接口主要是完成PC 終端與讀寫器之間的通信，由于讀寫器中的微型處理器接口電平為TTL 標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法與PC 終端直接進(jìn)行通信，系統(tǒng)選用MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，發(fā)送端口選用T1IN 端口，接收端口選用R1OUT端口，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)DB9 連接器與PC 終端連接，分別對(duì)接COM端的RXD 和TXD端口[12]。USB選用2.0 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)控制USBDM 和USBDP 端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，無(wú)線通信模塊采用UART 串口進(jìn)行控制。

4 ZigBee無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

ZigBee 技術(shù)屬于一種近距離、高密度、低成本的無(wú)線傳輸技術(shù)，具有低功耗、低成本、高靈活性的優(yōu)勢(shì)，比較適用于大規(guī)模的物流管理場(chǎng)合。系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器和通信節(jié)點(diǎn)均采用結(jié)構(gòu)相同的ZigBee 模塊，ZigBee 模塊的硬件電路如圖5 所示，主要包括CC2530 通信模塊、匹配電路、發(fā)射天線、串口接口及電源時(shí)鐘等部分。ZigBee 模塊的主控處理芯片為CC2530，該芯片工作頻率范圍為2.4～2.48 GHz，最大有效傳輸距離達(dá)到1 600 m，具有較低的誤碼率，利用匹配濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)雜諧波的抑制和濾除，采用RS232 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議接口，數(shù)據(jù)傳輸波特率選為9 600 bit/s。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中包括3 種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成本、速度及功能存在一定的差異，結(jié)合倉(cāng)庫(kù)物流管理環(huán)境的特點(diǎn)，選取網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建。

圖5 ZigBee模塊硬件電路

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

RFID 識(shí)別系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的程序設(shè)計(jì)采用ZigBee 2006 協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)[14-15]，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)程序主流程如圖6 所示。由圖可知，系統(tǒng)工作時(shí)首先進(jìn)行新的物流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行默認(rèn)參數(shù)的配置，然后等待或監(jiān)聽工作，對(duì)接收到的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行判斷。當(dāng)未接收到有效控制信號(hào)時(shí)，判斷是否有新的節(jié)點(diǎn)加入或斷開網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)收到有效控制信號(hào)時(shí)，則信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至終端節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的識(shí)別工作。數(shù)據(jù)傳輸模式選擇主從模式，將連接網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，其他的節(jié)點(diǎn)當(dāng)作從節(jié)點(diǎn)。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)程序主流程

RFID 讀寫器采用嵌入式程序開發(fā)，主要包括API 函數(shù)和電子標(biāo)簽讀寫兩部分。API 函數(shù)主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)參數(shù)配置、存儲(chǔ)器讀寫、串口通信等基礎(chǔ)功能[16]。利用串口通信實(shí)現(xiàn)ZigBee 模塊對(duì)RFID 讀寫器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)設(shè)定的初始化參數(shù)對(duì)其端口、數(shù)據(jù)有效位、波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。電子標(biāo)簽讀寫程序按照RFID 接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀寫。

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

6.1 系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試

為驗(yàn)證該識(shí)別系統(tǒng)的有效性，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。兩套系統(tǒng)采用相同型號(hào)（CC2530）的處理器芯片，存儲(chǔ)容量均配置為8 GB，該文系統(tǒng)與傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)同時(shí)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，統(tǒng)計(jì)兩者的識(shí)別準(zhǔn)確率。在相同測(cè)試條件下，分成10 組進(jìn)行測(cè)試，每組取100 個(gè)電子標(biāo)簽，每次取5個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行同時(shí)識(shí)別。該文提出的電子識(shí)別系統(tǒng)和傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7 所示。對(duì)比識(shí)別結(jié)果曲線，可以明顯看出與傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率明顯更高，傳統(tǒng)多卡識(shí)別系統(tǒng)的平均準(zhǔn)確率在72%左右，該系統(tǒng)平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到93%左右，識(shí)別效果明顯更優(yōu)。

圖7 識(shí)別統(tǒng)計(jì)結(jié)果

6.2 防碰撞算法效率仿真

為了驗(yàn)證Q值的取值對(duì)識(shí)別效率的影響，在Matlab 軟件中對(duì)Aloha 算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證Q值分別取4、5、6、7、8時(shí)，其識(shí)別效率隨幀間隙中標(biāo)簽數(shù)量變化的特性，幀間的時(shí)間間隙取Q值的指數(shù)（即2Q）。仿真結(jié)果如圖8 所示。由仿真結(jié)果可知，幀間隙中存在的標(biāo)簽數(shù)量不同時(shí)，其讀取識(shí)別效率也不同，且隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加，識(shí)別效率會(huì)發(fā)生急劇下降。當(dāng)幀間隙中存在的標(biāo)簽數(shù)量與Q值基本相等時(shí)，其識(shí)別效率接近峰值，驗(yàn)證了利用基于Q值的動(dòng)態(tài)Aloha 防碰撞算法，對(duì)Q值實(shí)時(shí)調(diào)整，保持幀間的時(shí)間間隙接近標(biāo)簽數(shù)量，從而保證識(shí)別效率一直接近最大識(shí)別效率。

圖8 不同Q值下的識(shí)別效率變化曲線

7 結(jié)論

RFID 電子識(shí)別技術(shù)在物流領(lǐng)域得到越來(lái)越深入的應(yīng)用，為了提高電子標(biāo)簽的識(shí)別精度和效率，文中利用RFID 識(shí)別技術(shù)，結(jié)合無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，搭建了一套改進(jìn)型的多卡識(shí)別系統(tǒng)，并利用動(dòng)態(tài)Aloha 防碰撞算法提高多卡識(shí)別效率，通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和讀卡器布局，減少電子標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中的信號(hào)干擾，同時(shí)通過(guò)節(jié)能電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功耗和成本，測(cè)試結(jié)果表明其識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別效率得到明顯提升。