孫杰林，趙俊棟

（威海北洋光電信息技術(shù)股份公司，山東 威海 264209）

0 引 言

聲表面波無線標(biāo)簽接收采用表面波器件作為無線射頻標(biāo)簽，是射頻識(shí)別探測(cè)技術(shù)的分類之一。聲表面波無線標(biāo)簽主要分為射頻標(biāo)簽和無芯片標(biāo)簽兩種。根據(jù)表面波器件是否加裝電池，又可以將射頻標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽以及半無源標(biāo)簽三種類型。無線標(biāo)簽的作用是存儲(chǔ)聲表面波相關(guān)信息，是由聲表面波無線傳感器根據(jù)反射信號(hào)自動(dòng)生成的。近幾年，聲表面波無線傳感技術(shù)快速發(fā)展，聲表面波傳感器由于具有靈敏度高、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。而標(biāo)簽接收作為聲表面波傳感器數(shù)據(jù)采集過程中的一個(gè)重要流程，其接收精度直接關(guān)系到聲表面波傳感器的數(shù)據(jù)采集精度，因此無線標(biāo)簽接收在聲表面波無線傳感中起到至關(guān)重要的作用。國內(nèi)聲表面波無線標(biāo)簽接收的研究起步比較晚，該方面的技術(shù)與理論還不夠成熟，現(xiàn)有的接收方法主要為基于人工智能的接收方法。該方法主要采用人工智能技術(shù)對(duì)聲表面波無線標(biāo)簽進(jìn)行深度挖掘，通過迭代計(jì)算識(shí)別到無線標(biāo)簽。由于計(jì)算過程比較復(fù)雜、計(jì)算量較大，很容易出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)漏收、錯(cuò)收現(xiàn)象，無線標(biāo)簽接收率較低，已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。為此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聲表面波無線標(biāo)簽接收方法設(shè)計(jì)。

1 聲表面波無線標(biāo)簽接收方法設(shè)計(jì)

1.1 無線標(biāo)簽識(shí)別

標(biāo)簽識(shí)別是聲表面波無線標(biāo)簽接收的首要步驟。為了保證無線標(biāo)簽的接收精度，需要在接收前確定聲表面波射頻范圍內(nèi)存在的無線標(biāo)簽的數(shù)量，識(shí)別目標(biāo)標(biāo)簽。正常情況下，無線標(biāo)簽相關(guān)信息主要賦存于標(biāo)簽發(fā)射端I、Q 兩路信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)中。由于包絡(luò)信號(hào)與信號(hào)發(fā)射距離具有正相關(guān)關(guān)系，即隨著聲表面波傳播距離的增加，包絡(luò)信號(hào)會(huì)逐漸衰弱，該信號(hào)不利于獲取。而I、Q 兩路信號(hào)卻不存在該關(guān)系，信號(hào)的強(qiáng)弱不會(huì)隨著聲表面波傳播距離的增加而變化，因此選擇I、Q 兩路信號(hào)作為聲表面波無線信號(hào)識(shí)別數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。聲表面波無線標(biāo)簽是否存在，可以從I、Q 兩路信號(hào)的幅度看出。當(dāng)聲表面波射頻范圍內(nèi)存在無線標(biāo)簽時(shí)，I、Q 兩路信號(hào)在部分時(shí)域上存在連續(xù)的波峰，波峰數(shù)量通常在3 個(gè)或3 個(gè)以上，波峰是射頻信號(hào)發(fā)射端發(fā)出的高頻脈沖激勵(lì)信號(hào)。因此可以根據(jù)該特征判斷聲表面波射頻范圍內(nèi)是否存在無線標(biāo)簽。

判斷有效識(shí)別范圍內(nèi)存在無線標(biāo)簽后，利用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法對(duì)無線標(biāo)簽的數(shù)量進(jìn)行估算。無線標(biāo)簽識(shí)別通過閱讀器實(shí)現(xiàn)。假設(shè)聲表面波無線標(biāo)簽發(fā)射端在發(fā)射周期內(nèi)發(fā)射了N個(gè)無線標(biāo)簽，閱讀器初始幀長為h。閱讀器接收到標(biāo)簽識(shí)別指令后，隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙號(hào)，將其作為識(shí)別結(jié)果恢復(fù)的工作時(shí)隙，將閱讀器的工作時(shí)隙設(shè)定為空閑時(shí)隙、成功時(shí)隙及碰撞時(shí)隙三種。其中，空閑時(shí)隙表示在識(shí)別范圍內(nèi)沒有聲表面波無線標(biāo)簽；成功時(shí)隙表示在識(shí)別范圍內(nèi)僅存在一個(gè)聲表面波無線標(biāo)簽，即I、Q兩路信號(hào)在時(shí)間域上僅表現(xiàn)出一組連續(xù)的波峰，其余為回波噪聲；碰撞時(shí)隙表示存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的無線標(biāo)簽。利用最小值估算法計(jì)算當(dāng)前無線標(biāo)簽數(shù)量下限值，其計(jì)算公式為：

式中：Nmin表示當(dāng)前無線標(biāo)簽數(shù)量下限值，S表示一幀中成功時(shí)隙的數(shù)量，C表示一幀中碰撞時(shí)隙的數(shù)量[2]。再根據(jù)一幀中碰撞概率計(jì)算出無線標(biāo)簽總數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：E表示一幀中碰撞時(shí)隙的數(shù)學(xué)期望值，Cq表示碰撞概率，L表示幀長[3]。利用上述公式計(jì)算出識(shí)別范圍內(nèi)聲表面波無線標(biāo)簽數(shù)量，以此完成無線標(biāo)簽識(shí)別。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線標(biāo)簽定位及接收

根據(jù)閱讀器識(shí)別結(jié)果，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)識(shí)別到的無線標(biāo)簽進(jìn)行定位和接收。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際是物與物、物與網(wǎng)關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為信號(hào)傳輸搭建橋梁。聲表面波無線標(biāo)簽接收涉及到標(biāo)簽發(fā)射端、閱讀器、放大器、定位器以及標(biāo)簽接收端，無線標(biāo)簽接收是在各個(gè)單元與設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)接收通信網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)采用IEEE1514.62.4 協(xié)議棧，為各個(gè)單元與設(shè)備之間的通信提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括傳輸控制協(xié)議、因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議、局域網(wǎng)協(xié)議等，并為每個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)定了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口[4]。通過網(wǎng)絡(luò)接口將標(biāo)簽發(fā)射端、閱讀器、放大器、定位器、標(biāo)簽接收端連接，建立通信關(guān)系。閱讀器將時(shí)隙信號(hào)發(fā)送給定位器，由定位器對(duì)無線標(biāo)簽進(jìn)行定位。正常情況下，標(biāo)簽接收端在無線網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生無線脈沖信號(hào)，信號(hào)接觸到聲表面波標(biāo)簽后會(huì)形成無線激勵(lì)信號(hào)。由于聲表面波傳播的速度要比無線脈沖信號(hào)傳播速度低3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，射頻的無線標(biāo)簽可以被存儲(chǔ)在聲表面波器件中，經(jīng)過時(shí)延，標(biāo)簽接收端會(huì)接收到被聲表面波無線標(biāo)簽的反射柵反射回來的編碼信息，根據(jù)聲表面波無線標(biāo)簽的編碼方式，對(duì)無線標(biāo)簽進(jìn)行解碼，從而接收到無線標(biāo)簽[5]。實(shí)現(xiàn)這一過程，標(biāo)簽接收端需要根據(jù)脈沖時(shí)延確定無線標(biāo)簽所在位槽位置，利用最大相關(guān)法計(jì)算出脈沖時(shí)延，其計(jì)算公式為：

式中：x表示在前一時(shí)刻已對(duì)準(zhǔn)回波的脈沖信號(hào)，x2表示此時(shí)待對(duì)準(zhǔn)回波的脈沖信號(hào)，ε表示聲表面波發(fā)射周期，t表示脈沖信號(hào)接觸到聲表面波無線標(biāo)簽后返回的時(shí)延[6]。根據(jù)計(jì)算得到的脈沖時(shí)延計(jì)算出無線標(biāo)簽所在槽位位置，其計(jì)算公式為：

式中：r(d)表示脈沖信號(hào)傳播路徑，即信號(hào)發(fā)射點(diǎn)與聲表面波無線標(biāo)簽之間的距離；m表示回波序號(hào)，n表示距離門序號(hào)。

定位器利用上述公式對(duì)聲表面波無線標(biāo)簽定位后，經(jīng)過搭建的網(wǎng)關(guān)，選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將信息發(fā)送給標(biāo)簽接收端[7]。標(biāo)簽接收端向放大器發(fā)送信號(hào)放大指令，由信號(hào)放大器對(duì)信號(hào)放大處理，并經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)基站的同步信號(hào)后，對(duì)聲表面波無線標(biāo)簽進(jìn)行接收。碼字接收數(shù)據(jù)幀格式如圖1 所示。

如圖1 所示，標(biāo)簽接收端接收標(biāo)簽字碼的字節(jié)為0x21，將聲表面波無線標(biāo)簽存放在Data 中，其中包括碼字類型、碼字?jǐn)?shù)據(jù)。將接收到的聲表面波無線標(biāo)簽編碼，按照其編碼生成方式對(duì)其進(jìn)行解碼，從而接收到聲表面波無線標(biāo)簽。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以7 000 個(gè)聲表面波無線標(biāo)簽為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，無線標(biāo)簽所在槽位序號(hào)為A、B、C、D、E、F、G、H，利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行接收。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了一臺(tái)信號(hào)發(fā)射器、一臺(tái)閱讀器、一臺(tái)定位器、一臺(tái)信號(hào)放大器以及一臺(tái)無線標(biāo)簽接收機(jī)。由信號(hào)發(fā)射器發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)射頻率設(shè)定為 0.15 Hz，信號(hào)發(fā)射周期設(shè)定為0.5 s，共發(fā)射10 000個(gè)脈沖信號(hào)。按照上文接收流程對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，對(duì)聲表面波無線標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別、定位和接收，具體接收情況如表1 所示。

實(shí)驗(yàn)以接收率作為檢驗(yàn)兩種方法接收效果的唯一指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中，記錄兩種方法接收到聲表面波無線標(biāo)簽的數(shù)量，將其與實(shí)際情況對(duì)比，計(jì)算出聲表面波無線標(biāo)簽數(shù)量為1 000 個(gè)、2 000 個(gè)、3 000 個(gè)、4 000 個(gè)、5 000 個(gè)、6 000 個(gè)、7 000 個(gè)時(shí)，兩種方法的標(biāo)簽接收率，并使用電子表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，具體結(jié)果如表2 所示。

通過對(duì)表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法，聲表面波無線標(biāo)簽接收率平均值為98.68%，最高接收率為99.97%，說明基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲表面波無線標(biāo)簽全部接收；而應(yīng)用傳統(tǒng)方法，聲表面波無線標(biāo)簽接收率最高僅為68.46%，平均接收率為59.67%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文設(shè)計(jì)方法。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了，本文設(shè)計(jì)方法的聲表面波無線標(biāo)簽接收效果比傳統(tǒng)方法更好，本次提出的聲表面波無線標(biāo)簽接收思路具有良好的可行性與可靠性。

表2 兩種方法應(yīng)用下聲表面波無線標(biāo)簽接收率對(duì)比

3 結(jié) 語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到聲表面波無線標(biāo)簽接收中，提出一種新的無線標(biāo)簽接收方法，并通過實(shí)驗(yàn)論證了該方法的可行性與可靠性，有效提高了聲表面波無線標(biāo)簽接收率。此次研究有助于提高聲表面波無線標(biāo)簽接收技術(shù)水平，同時(shí)還有助于豐富該方法的研究理論，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是由于提出的方法尚未在實(shí)際中進(jìn)行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之處，今后仍會(huì)對(duì)該課題進(jìn)行研究，為聲表面波無線標(biāo)簽接收提供有力的理論支撐。