新型Aloha算法在智能電梯門禁系統中的應用

吳房勝，徐金秀，李如平，吳寶勝（.安徽工商職業學院電子信息系，安徽合肥33；.安徽新華學院電子通信工程學院，安徽合肥30088）

新型Aloha算法在智能電梯門禁系統中的應用

吳房勝1，徐金秀1，李如平1，吳寶勝2
（1.安徽工商職業學院電子信息系，安徽合肥231131；2.安徽新華學院電子通信工程學院，安徽合肥230088）

目前絕大多數電梯功能過于簡單，尤其在大酒店中，旅客流動性較大，任何人都能夠控制電梯進入相應的樓層，住宿人員的安全性大大降低.針對此問題，設計了一款智能電梯門禁系統，將無線射頻技術與PLC技術相結合，并提出了一種新的算法——碰撞則丟棄的Aloha算法，解決了多人同時使用讀卡器而產生標簽沖突的問題，每位乘客只有通過先刷卡才能進入相應樓層，大大提高了旅客住宿的安全性.

智能電梯；Aloha算法；射頻識別

Wu FS,Xu JX,LiRP,etal.The Application ofNew Aloha Algorithm in IntelligentElevator AccessControl System[J].Journalof Yibin University,2015,15（6）：48-52.

隨著社會進步的腳步加快，高層樓房的數量日益增長，電梯的使用也隨之越來越廣泛.電梯已成為人們生活中不可缺少的一部分，人們對電梯門禁的要求越來越高，電梯門禁系統的智能化也越來越高.該系統結合智能控制、門禁控制等眾多現代化制造技術，并結合射頻識別技術，對用戶身份進行確認，控制與管理外來人員的乘梯問題，目前已廣泛應用到酒店賓館、智能建筑等領域，對人類人身財產安全做出了重大的貢獻[1].

1　系統概述及算法研究

1.1系統概述

系統主要由射頻卡模塊、讀卡器模塊、PLC控制模塊、觸摸屏模塊四部分組成，其構成如圖1所示[2].PLC控制模塊以三菱FX2N系列PLC作為主控器件，結合RFID技術，設計出讀卡器與主控器件PLC的串口通訊，并利用RS232串行口將讀卡器上識別的信息發送給PLC，判斷是否具有權限：如有權限，即可控制電梯樓層選擇與呼叫功能；沒有權限的人員則不能控制電梯，也不能使用呼叫功能，從而實現門禁的作用，提高住宿安全性.但如遇有人拜訪、忘帶射頻卡或射頻卡損壞等特殊情況，本系統同時設計了一款通過觸摸屏輸入密碼的方法，進而控制電梯[3].

圖1　電梯門禁系統構成圖

系統完成以下功能[4]：

（1）射頻卡權限的設定．乘客將射頻卡貼近電梯讀卡器上，系統自動判斷射頻卡的權限，自動識別卡內信息并自動選擇乘客所要到達的層數，如果用戶未被授權，則不能呼叫與操縱電梯，從而實現電梯門禁的智能控制.

（2）臨時密碼的設定．如果射頻卡丟失，或者有來訪者需要乘用電梯，采用輸入密碼控制電梯，在電梯口安裝一個西門子smart700 IE系列觸摸屏，進行密碼輸入，如密碼正確，則可控制電梯，該密碼是由管理員設定的一次性臨時密碼.

（3）IC卡級別的設定．按照不同級別的需要，將射頻卡設定為管理員卡、普通人員卡和臨時用戶卡，卡片種類不同，其授予的權限也不同[5].

1.2Aloha防沖突算法

當系統運行時，如果在電梯讀卡器有效信號覆蓋范圍內同時出現多位乘客刷卡使用電梯，則射頻卡會同時向電梯讀卡器發出信號，射頻卡與讀卡器之間的數據傳輸將受到干擾，讀卡器無法識別正確的卡片，從而出現沖突.因此，為了快速準確判斷多個射頻卡片，卡片之間的防沖突技術顯得尤為重要.

為了預防碰撞以及發生碰撞后如何處理，研究人員提出了很多非常實用的解決方法.常用的防止碰撞方法有：時分多路法（Time Division Multiple Ac?cess）、空分多路法（Space Division Multiple Access）、頻分多路法（Frequency Division Multiple Access）以及碼分多路法（Code Division Multiple Access）等.目前使用最廣泛的是時分多路法，該方法主要有兩種控制方式：標簽控制與讀卡器控制.其中，標簽控制成本低，應用十分廣泛，并且其有Aloha算法，該算法比較簡單且容易實現，本系統即采用該算法[6-7].

由于每張卡片的數據幀發送時間占重復發送時間的比例比較小，每兩個數據幀之間的時間間隔會比較長，因此兩張卡片的數據幀不產生碰撞具有一定的概率.

在公共信道中，一個單位時間T內，傳輸通路的吞吐率S與平均發送的數據幀數G的運算公式如下所示：

式中，n為該系統的電子標簽數量，Rn為單位時間T內標簽n發出的數據幀數.

按照式1與式2，如果G=0.5，根據指數關系計算得出S的最大值為18.4％，則有81.6％的數據通道為空閑狀態，但該算法完成防止碰撞的效率代價非常高.正因如此，Aloha算法比較簡易，而且對于電子標簽數量不固定的情況非常適合，該算法作為這種防碰撞法，非常適合電子標簽系統[8].

Aloha算法模型如圖2所示，模型采用了四張標簽卡，模擬展示了部分沖突和全部沖突的現象.該算法是標簽先發出信號給閱讀器，閱讀器在其識別區內一旦接收到電子標簽信號，電子標簽內部攜帶的ID號就會自動發送給讀寫器，實現標簽與閱讀器之間的數據傳輸.當其中一個電子標簽正在傳送數據時，一旦有其他電子標簽也進入識別范圍，并且自動發送數據給閱讀器，那么就會出現數據信號的重疊，產生如圖2所示的完全沖突或部分沖突的現象.為解決此問題，需要由閱讀器自動檢測接收到的信號是否產生沖突，如果檢測到有沖突，閱讀器會發送一個命令，控制電子標簽暫停發送數據，經過設定的一個等待時間后，電子標簽被再次重新激活，并發送ID號，從而避免沖突的發生[9-10].

圖2　Aloha算法模型圖

根據前面計算，一般的Aloha算法的數據吞吐率只達到18.4％，因此提出一種新型的Aloha算法——時隙Aloha算法，即在普通的Aloha算法的基礎上，將時間分隔為n個離散的大小相同的時隙，標簽只有在每個時隙的交界處才可以發送信息.這時，電子標簽要么發送成功，要么完全沖突，只有這兩種情況出現，間隔時間由T=2τ減小為T=τ，使原來一般的Aloha算法產生沖突的時間大大縮短[11-12].

在公式S=Ge-G中，當G=1時，S=1/e，則可算出吞吐率S=36.8％，為該函數的最大值.通過計算得知，時隙Aloha算法的吞吐率比Aloha算法的吞吐率要高出一倍，該算法是一種隨機的、讀卡器同步控制的時分多路防碰撞算法.

該新型的時隙Aloha算法計算簡單，在電子標簽數目不定的前提下非常實用.但是通過計算發現，時隙Aloha算法的通道利用率不到40％，其利用率過低，另外，該算法對電子標簽硬件的要求比較特殊，必須要求電子標簽需讀卡器的同步控制[13].

針對上述問題，提出了一種新的處理方案，即碰撞則丟棄的Aloha算法.乘客一般對讀卡器響應電子標簽的時間反應要求不高，每個電子標簽發送信息的時間非常短，一般為毫秒級別，所以即使時間發生碰撞，乘客一般很難發現此現象的.以電梯承載最多20人為例，電子標簽閱讀器安裝在電梯里面的上下樓按鍵的面板上，空間比較狹窄，能在信號范圍內同時刷卡最多只有4到6位乘客，發生碰撞的概率非常小.假設同時刷卡人數num=5，每次碰撞發生延遲時間t=1 s，則總時間T=num×t=5 s.在當今的電梯控制系統中，用戶基本上感知不到5 s的識別延遲.而且，在系統控制中，對信息的處理均由邏輯芯片進行控制.邏輯芯片反應速度快，主頻一般可達到125MHz，當數據處理位寬是8字節時，1 s的處理速度可達1GHz.當射頻卡發出的數據請求為20個字節時，芯片處理時間只需要0.1ms.而20個字節已經是電梯乘客總數的最大值，因此出現碰撞的可能性非常小，如果將乘客數縮減為2人，可以算出出現碰撞的可能性僅有十億分之一，如果采用時隙Aloha算法處理如此低的碰撞概率，會導致系統成本與復雜性的提高.針對此現象，本文提出了一種新的處理方案，即碰撞則丟棄的Aloha算法[14-15].

碰撞則丟棄的處理方案是在讀卡器的信號輸入端，感應模塊一旦感應到有碰撞發生，則將目前處理的信息丟棄.待目前處理的信息丟棄后，感應模塊繼續感應請求信息，一旦感應到有碰撞發生則再次丟棄，而再次發生碰撞的可能性會降為原來的百萬分之一倍[16]，大大降低了系統的復雜性.

此算法是在感應模塊中加一個簡單的碰撞檢測模塊，當今市場上碰撞檢測的感應模塊非常多，產品也很成熟，價格便宜，對系統的成本基本不產生影響，而且此檢測對處理芯片的影響也微乎其微.所以，在系統中采用新型的碰撞則丟棄的Aloha算法.通過測試，在電梯中同時將5張射頻卡放在感應區內，每張卡片的信息均可準確識別.

2　系統硬件設計

系統硬件主要分為讀卡器模塊、PLC控制模塊和觸摸屏模塊三部分組成.PLC控制模塊以三菱FX2N系列PLC作為主控器件，讀卡器主要用來實現射頻卡與PLC控制系統之間的通信；PLC控制模塊用來對讀卡器接受到的數據進行處理和驗證，授權用戶相應的電梯使用權限；觸摸屏模塊實現外來訪客輸入密碼與PLC控制模塊的通信.

讀卡器模塊是整個電梯門禁系統的核心器件，該模塊由主控芯片與其相對應的外圍電路兩部分組成.主控芯片采用stc12csa32ad單片機進行控制，外圍電路主要由串口通信電路、無線發送電路、射頻卡讀寫芯片電路等組成[17].

采用芯片MFRC500實現射頻卡的讀寫操作，主控芯片通過控制閱讀器進而控制射頻卡.主控芯片與射頻卡閱讀器之間利用芯片MFRC500完成數據的傳輸，射頻卡利用其自身線圈，與天線模塊進行LC振蕩，完成與射頻模塊的通信.主控芯片與MF RC500芯片的硬件電路圖如圖3所示，MFRC500的晶振為13.56MHz，該芯片的D0～D7口與主控芯片的P0口相連，實現數據的傳輸；其產生中斷信號引腳（IRQ）以及低電檢測與復位引腳（RSTPD）分別由主控芯片的P3.2與P4.0口控制；NWR與NRD引腳分別與單片機的P3.6與P3.7口相連，實現數據讀寫功能；TX1、TX2引腳接外部有源天線[18].

圖3　主控芯片與MFRC500芯片硬件電路圖

3　系統軟件設計

當乘客乘坐電梯時，只需在電梯內閱讀器上直接刷卡.閱讀器進行判別射頻卡是否有效合法.如果同時有多位乘客刷卡，則程序調用Aloha防碰撞算法處理多位乘客刷卡沖突現象.

讀卡器經初始化后，發出射頻信號，不停地搜索信號覆蓋區內的射頻卡信號.一旦讀卡器成功搜索到射頻卡，即開始判斷是否有沖突：如沒有，直接讀卡；如有沖突，出現多個電子標簽信號，進行防碰撞處理，本系統會隨機的挑選出其中一個電子標簽信號，對其進行合法性驗證，未被選中的電子標簽信號則重新回到準備模式狀態，直到等待下一條指令的發生.卡片被選中并驗證其合法性后，對射頻卡的級別進行判斷，判斷該卡是管理員卡、用戶卡還是臨時卡，根據卡的級別決定對電梯功能級別的操作，最終將數據信息傳送給PLC處理器，完成電梯控制功能[19].射頻卡讀卡流程圖如圖4所示.

圖4　射頻卡讀卡流程圖

整個讀卡程序中最關鍵的是防碰撞功能的應用.防碰撞功能的使用可以確保同一信號覆蓋區內，允許多張卡同時使用，根據Aloha算法防碰撞理論，能有效讀出每張卡唯一的序列號來區分其他卡.每次被選中的卡需進行合法性驗證和級別判定，沒被選中的卡則回到準備模式狀態，等待下一條請求命令的到來.防沖突算法流程如圖5所示.

圖5　防沖突算法流程圖

忘帶卡或者來訪客人乘坐電梯則需通過輸入密碼乘坐，本系統的密碼設定界面采用觸摸屏與PLC控制器進行數據傳遞，用戶輸入設定的密碼，觸摸屏將密碼傳送到PLC控制器中，PLC控制器根據輸入的密碼數值，判定操作權限并控制電梯.本系統選用的是西門子smart700 IE系列觸摸屏，觸摸屏編輯軟件采用WinCC flexible standard軟件.觸摸屏編輯界面將觸摸屏型號與三菱PLC型號進行匹配連接，連接圖如圖6所示：

圖6　觸摸屏與PLC連接圖

4　結果展示

系統的硬件以 stc12csa32ad單片機以及MFRC500作為的讀卡器的主控芯片和讀寫芯片；PLC軟件編程采用GX Developer軟件編寫梯形圖；觸摸屏編輯軟件采用WinCC flexible standard軟件，觸摸屏按鍵與顯示設定界面如圖7所示；忘帶卡或者來訪客人乘坐電梯，需輸入密碼乘坐，使用者鍵入密碼界面如圖8所示；系統軟硬件調試與整體測試效果均滿足要求，最終智能電梯射頻識別部分實物圖如圖9所示.

圖7　觸摸屏按鍵顯示設定界面

圖8　鍵入密碼界面

圖9　實物圖展示

5　結語

本文針對射頻識別技術在智能電梯中的應用時出現的電子標簽碰撞現象，提出了一種新的Aloha標簽防碰撞算法，即碰撞則丟棄的Aloha碰撞算法，通過測試，電梯同時將5張射頻卡放在感應區內，每張卡片的信息均可準確識別，使再次發生碰撞的可能性大大降低，有效解決了多人同時刷卡發送碰撞的問題，并且增加了乘客忘記帶卡可通過觸摸屏輸入密碼控制電梯的功能，使用簡便，可廣泛應用到酒店賓館、高檔智能小區、辦公大樓等，有力地保障乘住人員的人身財產安全.

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（編校：王露）

The Application of New Aloha Algorithm in Intelligent Elevator Access Control System

WU Fangsheng1,XU Jinxiu1,LIRuping1,WU Baosheng2
（1.Electronic Information Department,AnhuiBusinessVocationalCollege,Hefei,Anhui231131,China；2.CollegeofElectronic Commu?nication Engineering,AnhuiXinhua University,Hefei,Anhui230088,China）

Themajority ofelevators are too simple in function,especially those in the grand hotels,where themobility of visitors is larger.Ifanyone can control the elevator and access a given floor,the security ofaccommodation willbe greatly reduced.To solve this problem,an access control system of intelligentelevatorwas designed,which combined the radio frequency technology and PLC technology.A new algorithm：the Aloha algorithm which followed the principle of discard upon collision,was proposed to solve the issue of tab conflict whenmore than one people used a card reader at the same time.Each passenger could only enter the appropriate floor by using the card first.The safety of passenger can be im?proved greatly.

intelligentelevator；Alohaalgorithm；RFID

TP23

A

1671-5365（2015）06-0048-05

2014-11-20修回：2014-12-17

2013年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201312216019）；安徽省廳級自然科研項目（KJ2013Z105）

吳房勝（1983-），男，講師，碩士研究生，研究方向為智能控制技術

網絡出版時間：2014-12-18 11：05網絡出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141218.1105.001.html

引用格式：吳房勝，徐金秀，李如平，等.新型Aloha算法在智能電梯門禁系統中的應用[J].宜賓學院學報,2015,15（6）：48-52.