RFID技術在構建船舶物聯網系統中的關鍵技術

陳國靖

(重慶能源職業學院,重慶 402260)

RFID技術在構建船舶物聯網系統中的關鍵技術

陳國靖

(重慶能源職業學院,重慶 402260)

摘要：物聯網技術在現代航運中的應用不斷深入拓展，已經在船舶視頻監控領域、航運物流運輸領域及軍事指揮中都得到了發展。RFID技術也稱射頻識別系統，是整個物聯網系統的關鍵部件之一。本文分析特定海洋環境對RFID系統的影響，重點研究RFID技術中防干擾算法，并在此基礎上提出一種新的時序控制ALOHA算法，通過估計RFID系統中電子標簽的概率分布及數目，自適應的更新下一時序中的電子標簽。最后通過仿真驗證算法的有效性。

關鍵詞：物聯網；RFID；抗干擾技術

0引言

在海洋物聯網系統中 ，RFID組件通過射頻識別技術，與數據采集之間通過非接觸式方式，采用雙工通信進行數據的發送與接收，對船舶等目標物進行數據的采集及獲取。RFID的核心器件是其中的存儲器件，又稱為電子標簽，組件中的讀寫器通過射頻無線電波來對電子標簽進行控制。

在船舶物聯網系統中，RFID識別系統存在多個電子標簽，對眾多的電子標簽的協調控制就顯得特別重要。而海洋環境對發送及接受的信號，由于噪聲及衰落現象，交易造成干擾。現代對電子標簽的抗干擾控制已經形成了一系列成熟算法，如二叉樹搜索法、ALOHA控制法等。而ALOHA控制法通過動態調整電子標簽傳輸數據幀的長度，從而間接起到識別不同電子標簽的目的，同時有效增大了信道傳輸容量，所以得到廣泛應用。

本文研究了現有的ALOHA算法，并根據海洋環境噪聲及衰落干擾的特定環境，提出了一種新的時序控制ALOHA算法，通過估計RFID系統中電子標簽的概率分布及數目，自適應的更新下一時序中的電子標簽分布。最后對新算法進行了仿真，結果表明新算法的有效性。

1RFID系統組成及工作原理

1.1　RFID系統模型

在船舶物聯網系統中，一個完整的RFID組件包含無線通信網、電子標簽存儲器及讀寫控制器3個部分，如圖1所示。

1)電子標簽—存儲系統

電子標簽用來存放采集的數據，即船舶等目標物的相關信息，如船舶方向坐標、溫度及濕度等信息，現在電子標簽的容量已達到296以上。RFID存儲系統通過讀寫控制器來進行讀寫。

圖1　RFID組件結構圖Fig.1　The structure diagram of RFID component

2)讀寫控制器

讀寫控制器利用射頻器件發射的無線短波對電子標簽進行讀寫控制，讀取的信息通過無線通信組網發送至物聯網其他組件。

3)無線通信組網

主要連接RFID組件中讀寫控制器與電子標簽的通信以及RFID組件與物聯網其他組件的通信。

1.2　RFID系統工作流程

整個RFID組件流程如下：

1)當讀寫控制器需要進行信息讀寫時，發射電波至發射天線，最終向外發射。

2)電子標簽收到控制信息時，將自身攜帶的目標物信息編碼后經由天線向外發射。

3)當讀寫控制器模塊接收到電子標簽發送的目標物載波時，先進行信號解調，再經過解碼，得到目標物初始信息，并經由無線通信組網發送至整個組建控制中心。

4)控制中心首先根據決策信息判斷該電子標簽的合法性，并做出相應的處理。

5)通過無線組網與物聯網中其他信息控制組成總控平臺，可以完成對不同標簽的特定控制。

流程如圖2所示。

圖2　RFID組件工作流程圖Fig.2　Working flow chart of RFID components

2自適應時序控制ALOHA算法原理

2.1　現有電子標簽估計算法

現有的電子標簽估計算法主要有最大似然估計法、時隙碰撞估計法及貝葉斯估計法。下面具體介紹貝葉斯估計法。

貝葉斯估計法通過對讀寫控制器接收的各電子標簽信息的時隙、幀長大小以及概率分布，利用統計概率模型調整對電子標簽的控制信息，以達到對目標物信息的最佳提取。

算法如下：

1)控制電子標簽發送幀長度

當各電子標簽幀長等于整個RFID系統電子標簽總數目時，RFID系統有最優的信道容量，nmin和nmax分別為讀寫器能控的電子標簽的最小數和最大數，則電子標簽數目滿足如下估計概率：

(1)

式中p(n)為電子標簽概率分布。

2)電子標簽概率函數p(n)的計算

試驗組患者對護理的滿意分值高于6分者共36例,滿意率為92.31%;對照組患者對護理的滿意分值高于6分者共28例,滿意率為71.79%。對比兩組間數據,試驗組滿意率明顯高于對照組(x2=14.295,p=0.000),具有顯著性差異。

假設在初始階段，讀寫控制器控制的電子標簽數目滿足泊松分布：

(2)

3)讀寫器開始工作時，對控制的電子標簽更新過程

讀寫器工作后，根據搜集的各電子標簽信息的時隙、幀大小及概率分布，對控制的電子標簽進行估計運算。假設I為讀寫器收到的電子標簽幀，n為初始化的電子標簽數，根據貝葉斯估計法，有如下概率分布函數:

(3)

假設接收到的電子標簽信息幀間隔時隙、幀長以及標簽數用E、C、S表示，則上式(3)可轉換為如下表達式：

p(E∩S|n)=p(E|n)·p(S|E∩n)。

(4)

4)根據更新的標簽概率分布來調整接收標簽信息的幀長

設定讀寫器接收第K幀的間隔時隙及標簽數為E和S， 則由式(4)可計算出下一時序控制標簽數目的數學期望值：

nk+1=E(nk)-S。

(5)

根據估計的標量數目可對下一時序幀長進行控制，從而使整個RFID系統達到最優信道容量。

2.2　自適應時序控制ALOHA算法

在讀寫控制器中引入哈希表概念，將電子標新發送時序均勻的映射到哈希表中，使得接收信號達到最優處理。在此，構造H(D)=DfmodL為使用的哈希函數，式中fmod代表除法余數。算法對讀寫控制器控制的電子標簽用整數進行標記，并通過與L相除的余數映射至哈希函數0,1,2…H(D)均勻時序進行信號接收與發送。

設讀寫控制器控制的電子標簽數為5，標記為：

01010001　01001110　01100111　10000111

00001101

在上一時刻，估計的電子標簽數假設為8，可知當前時刻標簽發送信號幀長為8，通過哈希運算可得：H(01010001)=1， H(01001110)=6， H(01100111)=7， H(10000111)=1， H(00001101)=5。 最后將計算的5個標簽ID均勻進行發送，從而減少各自信號之間的干擾。

自適應時序控制ALOHA算法流程如下：

1)初始化時，讀寫控制器設置第一幀長為L，同時標記一個寄存器IR0用來存放幀長數據，給電子標簽發送信息查詢命令，同時設置時序計數器IR1及識別計數器IR2，初始化為0。

2)當前時刻，當讀寫控制器收到電子標簽發送的目標物信息時，根據上一時刻信息之間的時序進行判斷，如果信息無效，則使寄存器IR1加1；反之，若有效，則使寄存器IR2加1。

3)如果步驟2中信息判斷有效，則將幀長寄存器IR0減1，并判斷其是否為0。若不為0，則轉入步驟2繼續執行；反之，則表示當前幀長數據有效，轉入步驟4。

4)讀取識別寄存器IR2的值，此值即為當前時刻讀寫控制器控制的電子標簽數目。同時讀取時序計數器IR1的值，若不為0，則轉入步驟5繼續執行；反之，轉入步驟6。

5)根據上面提出的哈希標記法標記的電子標簽ID，計算下一時序控制的電子標簽數目，同時轉入步驟2執行。

6)控制流程結束，各寄存器置為0。

自適應時序控制ALOHA算法流程如圖3所示。

圖3　算法流程圖Fig.3　Flow chart of the algorithm

3自適應時序控制ALOHA算法仿真

3.1　仿真模型

本次實驗利用Matlab進行仿真，并將采用自適應時序控制ALOHA與傳統ALOHA算法在信道容量及標簽數目估計誤差進行了對比。

信道容量為：

(6)

標簽數目估計誤差定義如下：

(7)

由于接收到的電子標簽信息幀間隔時隙、幀長及標簽數E，C，S在選取時具有一定的隨機性，而在ALOHA算法中對于下一幀電子標量的數目是由參數E，C，S確定的，所以要使結果更為準確并且收斂，需要采用蒙特卡洛算法對多次實驗的結果進行統計。

3.2　仿真結果

在本次試驗中，對采用自適應時序控制ALOHA算法與傳統ALOHA算法在信道容量及標簽數目估計誤差2種性能上分別進行計算比較。實驗進行了90次，每一次初始化的電子標簽數分別為n=11,12,…100，對不同的實驗，設置相同的初始幀長L=64。并且每次通過蒙特卡洛算法計算出電子標簽信息幀間隔時隙、幀長以及標簽數E、C、S。最后

圖4　電子標簽估計誤差比較曲線圖Fig.4　The comparison curve diagrams of electronic tag　estimation error

圖5　信道容量曲線比較圖Fig.5　The comparison curve diagrams of channel capacity

分別采用自適應時序控制ALOHA算法與傳統ALOHA算法進行估計，每次估計進行2 000次實驗，最后取所有實驗數據的平均值。

標簽估計誤差曲線如圖4所示，信道容量曲線如圖5所示。

4結語

本文重點研究了船舶物聯網系統中的RFID技術，針對海洋噪聲及衰落現象，RFID組件中的信號互相干擾，在分析了現有的干擾算法的基礎上，提出了一種自適應時序控制ALOHA算法，最后通過仿真給出了新方法與傳統方法在信道容量及標簽數目估計誤差的比較曲線圖，驗證了算法的有效性。

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The key technique of RFID component in the ship internet of things

CHEN Guo-jing

(Chongqing Energy College,Chongqing 402260,China)

Abstract：The internet of things technology is widely used in modern shipping, the radio frequency identification system (RFID) is a key component of the internet of things system. This paper focus on the anti interference technology algorithm in RFID technology and proposed a new adaptive ALOHA algorithm based on sequential control. At last, the paper simulates the new algorithm.

Key words：internet of things; the anti interference technology; RFID

作者簡介：陳國靖(1982-)，女，碩士,講師，研究方向為RFID技術及應用、自動控制技術。

基金項目：市級教改資助項目(133238)

收稿日期：2014-05-27； 修回日期： 2014-10-28

文章編號：1672-7649(2015)02-0208-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.047

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A