認知無線電傳感器網絡在食品生產中的應用

包雅馥 張 雙 孫 輝（.長春職業技術學院，吉林 長春 00；.吉林大學，吉林 長春 00；.中國民航大學航空自動化學院，天津 0000）

無線傳感器作為檢測器件被廣泛地應用于工業、農業、醫學等領域。在食品領域，無線傳感器隨著需求的不斷發展，應用也越來越廣泛。在食品的儲存過程中，往往對溫度控制要求十分嚴格，通過在儲存地點搭建溫度傳感器網絡就可以實時有效地監測溫度的變化，將其控制在規定范圍內。另外，在生產過程中，物品在傳送帶上的分揀也依靠傳感器網絡的部署來對物品進行定位。因此，傳感器傳輸、接收信息的準確性會對食品的生產、追蹤、儲存和運輸產生影響。

食品安全是全世界所關注的問題之一。一些大型的食品制造廠將無線傳感器應用于食品安全的保障系統中，通過無線傳感器網絡將食品的生產、運輸以及存儲等過程進行跟蹤和監控。例如，無線傳感器利用RFID技術對食物進行跟蹤、追溯，以保證食品的衛生和安全［1］。在食品工業安全監測中，RFID技術的應用要依賴于讀取器與被檢測食品標簽之間的信息通信。在RFID傳感網絡系統工作時，各讀寫器也在其作用范圍內工作，此時，容易出現多個標簽信息被讀取的情況，如果讀寫器同時獲得這些標簽信息數據，那么通信信息就會容易出現沖突，最終造成讀寫器錯誤地讀取信息，甚至無法正常地讀出數據。無線通信過程中若產生上述信號間的干擾（如信道擁堵）而造成跟蹤失誤，將會帶來食品的安全問題。

目前，RFID系統在應用中通常是基于時分多址的防碰撞算法，而該算法有兩種情況：① 基于Bit位的二進制搜索算法，該算法可以準確地確定碰撞發生的比特位置，而這對于閱讀器同步而準確地讀取所有標簽的信息提出了很高的要求，實際操作較困難［2］；② 改進的ALOHA的防碰撞算法，該算法是基于時隙的，也能降低信息沖突、碰撞等發生的概率，但是通過限制響應標簽數量的方法來提高對標簽的識別率［3］。本研究中應用建立在改進的ALOHA防碰撞算法基礎之上的RFID系統，其優勢是發生信息沖突以及信息碰撞的可能性低，對標簽的識別率高。

另外，國內外研究人員也進行了卡爾曼濾波和認知無線電技術在傳感器網絡中的研究。例如，卡爾曼濾波跟蹤算法在無線傳感器網絡定位中的應用［4，5］，傳感器網絡中應用認知無線電特性提高數據傳輸率［6］，以及基于認知無線電的傳感器網絡的分析和研究等［7－9］。

本研究擬考慮將認知無線電算法思想應用于食品生產系統中的無線傳感器網絡中并對其做出仿真分析，通過引入RFID技術的方式解決無線傳感器網絡信號干擾和信道擁堵的問題，并通過MATLAB仿真結果的方式驗證系統模型的科學性與合理性，對提高食品生產系統無線傳感器網絡運行效率方面有積極作用。

1 RFID原理和傳感器技術

（1）射頻識別技術（radio frequency identification）：是利用射頻信號達到對被識別對象非接觸識別的方法。這類識別系統主要是由電子標簽（被識別物體）、閱讀器、網絡、閱讀器天線和控制器5部分組成。其中，電子標簽與被識別物體結合在一起并存儲著被識別物體的信息；閱讀器在電子標簽進入合適區域時就可以讀取數據，閱讀器在一定區域內發射電磁波，標簽內有一個頻率和電磁波頻率相同的LC諧振電路，當標簽通過時發生諧振并通過電容電荷的移動提供電路工作電壓接收閱讀器信息或發送標簽內數據。讀取完的數據通過網絡傳輸到控制器記錄、比較。在食品工業中，RFID主要用來進行食品防偽、食品追蹤和食品安全方面。

（2）傳感器是將溫度、壓力等物理量轉化為電路可以處理的電信號的裝置，它是信息采集的重要部件，是現代工業中實現測量和控制的重要條件。傳感器一般由敏感元件、轉換元件和電路組成。食品工業中最常用的就是溫度傳感器和生物傳感器。溫度對于食品生產來說至關重要，實時地監測溫度的變化必須通過溫度傳感器實現。較多使用在食品工業的溫度傳感器是熱電阻傳感器，分為鉑和銅熱電阻兩大類。溫度傳感器的原理是由于兩種不同材質的導體在某點連接，對該點加熱，在不加熱的部位就會出現電位差，而這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有關。生物傳感器主要用于食品的分析過程，例如食品發酵過程中的參數測量。

（3）RFID和傳感器網絡技術的結合。由于RFID的抗干擾能力差，傳輸有效距離短，利用無線傳感器網絡可以擴大信息傳輸的半徑，提高效率。普通傳感器與RFID的結合能夠更好地感知目標信息并主動進行網絡傳輸［1］。

食品的包裝過程是食品生產的一個重要組成部分。在自動化程度很高的包裝流水線上，包裝機械臂只有確定食品的位置，才能成功地完成對食品的抓取。這就要求將食品準確的位置信息傳遞給控制機械臂的控制器，而視覺傳感器可以通過圖像處理達到準確定位食品的要求。流水線上抓取過程見圖1。

圖1 傳感器網絡在食品生產過程中的應用舉例Figure 1 For sensor network application in the food production process

當食品包裝完之后會進入儲藏的過程，由于食品包裝上有電子標簽，可以通過RFID技術讀取標簽信息確定食品的狀態。食品的每一次狀態改變，例如由儲藏狀態變化為運輸狀態都可以將變化寫入到信息中從而達到追蹤的效果。

但是在傳感器數目較多或者布局不合理的情況下會導致由于信號相互干擾造成的信息缺失和誤判。本研究將從認知無線電傳感器網絡的角度分析此問題。

2 認知無線電技術

基于認知無線電技術的傳感器網絡容許網絡中的傳感器在具有使用權的主用戶不占用信道期間有條件的暫時使用該信道。為了保證傳感器不會影響主用戶對網絡頻段的正常使用就要求網絡中的傳感器在通信期間實時監測主用戶的動態。當主用戶需要再次使用該通道時，傳感器應當馬上停止通信動作離開通道，去選擇其他可用信道繼續通信或者停止當前信息的傳遞?；谶@種思路和方法很好地提高了頻譜的使用率，緩解了無線頻譜資源匱乏的問題［10］。

3 系統模型的建立

3.1 信道模型

假設傳感器可以隨機的占用任一信道。這樣，每一個信道有兩種狀態：被占用和空閑。被占用狀態指頻段被傳感器正常使用或者信號擁堵，空閑狀態指頻段為空，未被占用。另外，本研究假設所用的空閑信道都擁有相同的性質，即用戶在使用信道進行通信之前無需檢查每個信道的通信質量。

假設Hi和Ho分別表示信道的空閑和被占用狀態，則信道狀態Cm可用式（1）的數學形式表達：

式中：

Cm——信道利用率，%；

Ho——信道被占用狀態，s；

Hi——信道空閑狀態，s。

3.2 傳感器通信模型

假設傳感器不會發生誤報警并且不考慮掃描誤差，可以同時檢測多個信道，隨機選擇空閑頻段。同時，本研究假設信道數足夠大。傳感器占用信道時有兩種情況：① 每個信道只被單一用戶占用；② 信道被多個用戶占用。在第一種情況下如果傳感器檢測到了其他信號的存在就會立即離開當前信道選擇其他可用信道完成通信任務。在用戶重疊的情況下，非活動用戶根據活動用戶的檢測結果決定離開當前信道與否。

基于上述的系統模型和假設的描述可知，在本研究中傳感器的網絡吞吐量只與通信時間以及網絡活躍的整個過程有關。

4 無線傳感器網絡頻譜吞吐量的分析

假設認知無線傳感器網絡中有M個信道、N個傳感器。pa表示信道擁堵概率，ps表示傳感器選擇某個信道的概率，pm是其他傳感器選擇同樣信道的概率。另外假設網絡活躍過程時長T被分割為多個時間段，每個時間段的值為Tm。則時間段的個數K可以表示為式（2）：

對每一個時間段來說，信道中只有一種網絡行為存在：通信或者擁堵。當擁堵發生時，有效通信被損壞，通信時間為0；否則的話通信時間為時間段的時長Tm。

通過以上假設和分析，傳感器的網絡信道成功接入概率為式（3）：

式中：

pc——成功通信的概率，%。

下面將討論不同情況下網絡吞吐量的分析：

（1）兩個傳感器：此種情況下，傳感器對選擇某個信道的概率為ps＝1/M。同理，攻擊者選擇某個信道的概率為pm＝1/M。則吞吐量為式（4）：

（2）多個傳感器：假設認知無線電網絡中有N個傳感器（其中有L個傳感器會產生相互干擾），M個信道。其中1≤N≤M，1＜L≤N。α表示傳感器從M個信道中選擇的L個不同組合（不考慮重疊問題），那么有α＝CLM。如果其他傳感器沒有選擇已被占用的信道時擁堵不會發生，此時從信道中選擇的L個不同組合為β＝CLM－1，此種情況下吞吐量為式（5）：

如果時分多址（TDMA）被考慮使用在多個用戶占用同一個通信信道的情況下，用戶將周期性的占用頻段。

假設pd表示在該信道通信總時長條件下某一特定用戶對的通信概率，pt表示該特定用戶在所處通道發生重疊的概率。這里的兩種概率是未知的，取決于頻譜帶寬本身。所以兩種情況需要考慮：① 多個傳感器分享同一頻段；② 信道上只有一種信息。由式（4）可知，在第一種情況下，擁堵概率為式（6）；在第二種情況下，擁堵概率為式（7）。

因此，吞吐量應該為式（8）：

5 仿真結果與分析

5.1 兩個傳感器

圖2顯示了在10個信道的網絡結構中網絡吞吐量和信道個數的關系。由圖2可知，在傳感器網絡中網絡吞吐量隨著信道個數的增加遞增。這說明在網絡中信道個數達到一定程度，傳感器相互間產生信道擁堵的機會很小，通信幾乎不受影響。

5.2 多個傳感器

由圖3可知，多個傳感器占用信道的情況下，信道的擁堵概率隨著信道數的增加遞減。由圖4與圖3比較可知，圖4在采用時分多址的算法后，信道擁堵的概率隨信道數增加而遞減的幅度要大于圖3，并且更平滑幾乎沒有反復現象。說明受擁堵的概率要小于其他情況。

圖2 10個信道情況下傳感器網絡的吞吐量Figure 2 10channel under the sensor network throughput

圖3 最大值為200個信道情況下多個傳感器公用信道時的擁堵概率Figure 3 A maximum of 200channel cases multiple sensors public channel congestion probability

圖4 最大值為200個信道基于TDMA算法情況下多個傳感器公用信道時的擁堵概率Figure 4 A maximum of 200channel based on TDMA algorithm under multiple sensors congestion probability when the public channel

仿真分析結果表明：當信道數目相同的情況下，有重疊行為的用戶的受擁堵概率小于無重疊行為的用戶值。這是因為在重疊情況下，某用戶可選擇信道的概率增加。而且在時分多址算法的控制下，信道在通信過程中通暢度更高。

在食品生產中，由于產品在流水線上速度很快，監測生產過程（如包裝過程）就需要較多的傳感器，此時就會存在傳感器信號之間的干擾，使得反饋到控制器的信息出現誤差甚至錯誤。采用本研究中的算法思想可以使信號收發的性能大大改進，提高信息提取的精度。

6 結論

安全問題對食品工業至關重要，RFID技術和無線傳感器網絡相結合來檢測、追蹤、定位食品的環境條件、傳輸過程，可以實現對食品安全問題的有效監控及預防。由于信號間的干擾和信道分配擁堵問題，而導致不能準確地接收和發送傳感器的感測信息，是基于RFID技術的傳感器網絡的通病。本研究以食品安全監測為研究對象利用認知無線電技術的思想通過動態的頻譜分配、接入方法可以有效地緩解此類問題。

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