食品標簽沖突檢測的防碰撞控制

陳衛軍，黃永燦（安陽師范學院軟件學院，河南安陽455000）

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食品標簽沖突檢測的防碰撞控制

陳衛軍，黃永燦
（安陽師范學院軟件學院，河南安陽455000）

摘要：提出一種基于沖突檢測的食品安全標簽防碰撞控制方法.對標簽批量讀取，進行數據的層次化融合，描述食品安全標簽的沖突信號生成模型，分析食品安全追蹤標簽沖突信號的超寬帶特征，實現對食品（食物）的種植、養殖、加工、包裝、儲藏、運輸、銷售、消費等活動的安全控制.通過食品安全標簽射頻識別技術（RFID）進行沖突分流控制，達到防碰撞控制的目的.仿真實驗表明：文中方法可加快防碰撞的識別效率，降低標簽防碰撞的機率，提高防碰撞檢測工作效率.

關鍵詞：沖突檢測；防碰撞控制；食品安全；標簽；射頻識別技術

近年來，隨著信息技術的不斷發展而出現的物聯網技術，使食品安全的網絡信息追蹤和識別技術得到廣泛的應用.在食品安全追蹤過程中，需要根據物資標簽批量讀取技術進行識別，食品標簽批次和計量具有復雜性和不規則性，導致標簽信息沖突碰撞，需要進行防碰撞控制.食品安全標簽防碰撞控制算法在保證食品安全追蹤應用過程中具有重要意義［1］.傳統方法中，對食品安全追蹤標簽防碰撞控制方法采用碼元幀格式掃頻射頻識別技術（RFID）達到沖突分流控制的目的，在擴展損失呈突變衰減時，碰撞控制容錯效果不好.許多學者對此進行了算法的改進設計［2－6］.本文提出一種基于沖突檢測的食品安全標簽防碰撞控制方法，達到防碰撞控制的目的.

1　防碰撞控制模型和沖突問題描述

1.1 食品安全標簽防碰撞控制模型

建立食品安全標簽防碰撞控制模型［7］.食品安全標簽控制的分組交換網絡有許多組網方式.其中，最為典型的是AD Hoc組網.考慮兩種節點k獲得未編碼分組P的機會：通過鏈路（k，i）將P傳輸到節點i，假設食品安全追蹤網絡系統智能體為Li｛i＝1，2，…，CL｝，網絡建模為一個有向圖G＝｛V，E｝，其中，V為節點集合，E為鏈路集合.由此得到食品安全標簽控制的節點傳遞模型，如圖1所示.圖1（a）中：節點k處的分組為P2.由于超短帶格柵狀網絡路由編碼同時涉及到前跳節點和后跳節點的有限功率控制，導致食品安全追蹤標簽沖突.文中采用射線模型進行鄰居節點統計學模型構建，分析食品安全追蹤標簽沖突信號的超寬帶特征，實現對食品（食物）的種植、養殖、加工、包裝、儲藏、運輸、銷售、消費等活動的安全控制.生產、加工、銷售以及運輸整個流通環節的任意時間節點定義為

圖1　節點傳遞模型Fig.1　Node transfer model

zik＝hik（xk，uk）＋vik， i＝1，2，…，M.（1）

式（1）中：i為相應的物資標簽傳感器節點.

構建標簽傳感網絡模型，采用四元組｛S1，S2，…，SL｝.通過中間件技術對標簽批量讀取數據層次化融合，食品標簽批量讀取和網絡交互過程中，采用feffecting（Nperception）＝Nsensation描述從知覺層到感覺層的反饋、預測、指導等操作，網絡系統節點分布模型為

在使用RFID的無線射頻識別技術時，往往會采集到含有大量噪聲的原始數據，導致標簽碰撞.因此，需要進行防碰撞控制，在信道環境惡劣（如大多普勒頻移）時的時隙分配碰撞介質為

采用P為偽碼序列，用于時隙同步；I為標識符，用于區分、識別當前食品標簽的類型的鏈路分離.通過上述分析，得到了食品安全標簽防碰撞控制模型，為進行防碰撞控制和沖突檢測奠定了模型基礎.1.2 食品安全檢測標簽的沖突問題描述

在上述模型構建的基礎上，對標簽批量讀取數據層次化融合，描述食品安全標簽的沖突信號生成模型，并進行RFID沖突分流控制［8－13］.假設食品安全檢測系統內有m個待識別標簽，系統使用L叉樹，當搜索深度為1時，食品標簽的識別概率為

采用超高頻射頻識別技術（UHF RFID），得到標簽數據的搜索深度的均值為

設計RFID射頻中間件技術，提高對計量器具的食品標簽批量讀取能力，RFID射頻中間件分別包括：1）RFID網絡中間件；2）RFID配置中間件；3）RFID功能中間件.由此構建食品安全標簽的沖突信號模型，得到在約束范圍（x，x（k））內，ck以｜mk－lk｜為最大步長，在基點mk的兩側隨機取值，i，j分別表示食品安全標簽控制網絡節點通信范圍內的關聯狀態坐標向量，從而得到節點的密度為

任意網絡節點任務執行食品安全追蹤標簽沖突重整的有限監測向量空間GF（q）上的約束范圍為

式（9）中：i′New＝（ei′，1，ei′2，…，ei′，D），其生成公式為式（10）中：sR為局部搜索半徑；U（1－sR，1＋sR）取（1－sR，1＋sR）之間的隨機數.

當多個食品標簽同時存在于閱讀器的可讀范圍內時，所有的電子標簽都是工作在讀寫器的頻段上.因此，當讀寫器喚醒所有標簽后，所有標簽在同一時間向讀寫器申請傳輸數據，產生了數據碰撞，需要進行防碰撞控制［13－16］.

2　沖突檢測算法的提出和防碰撞控制改進

2.1 標簽沖突檢測算法的提出

在食品安全跟蹤過程中，各個標簽在傳輸數據時互相干擾，導致標簽EPC碼的錯誤傳輸甚至丟失，產生碰撞（Collision）問題.文中采用RFID技術進行標簽的沖突檢測.RFID技術最早新興于國外，各方面已經發展得較為成熟.中國現已在零售業、金融業等行業中大規模地應用了RFID技術，同時也涉及到校園、公共交通和地鐵等日常生活范圍［17－20］.RFID系統包括標簽閱讀器和數據處理系統，其組成原理如圖2所示.

RFID系統中的信息通信雙方是讀寫器和標簽.在實際應用中，RFID系統工作時，一定會出現多個閱讀器和標簽共同存在的情況.此時，RFID系統的數據傳輸不可避免地出現信道或時序重疊，容易造成傳送的數據錯誤，即發生了數據碰撞.發生碰撞的射頻識別系統中，同時存在著兩種不同的碰撞方式：一種是一個標簽同時收到了不同閱讀器發出的指令，稱為閱讀器碰撞；另一種是一個閱讀器同時收到了多個標簽應答的數據，稱為多標簽碰撞.

目前的防碰撞算法在解決碰撞問題時，通常利用碰撞數據的首位或前幾位的信息.傳統的食品安全追蹤標簽防碰撞控制方法采用碼元幀格式掃頻射頻識別技術達到沖突分流控制的目的，在擴展損失呈突變衰減時，碰撞控制容錯效果不好.文中提出一種基于沖突檢測的食品安全標簽防碰撞控制方法.用μ定義碰撞比例，假設標簽碼長度為n，其中，有nc位產生碰撞.此時，碰撞因子可以表示為μ＝nc/n.如果在閱讀識別范圍內，共有m個可以識別的標簽，那么其中任意一位免于碰撞的概率為0.5m－1，可得

標簽識別系統有m個待識別標簽，系統使用L叉樹，當搜索深度為1時，標簽識別概率為P（1）＝［1－L－1］m－1；當搜索深度為k時，識別概率為

此時搜索深度的均值為

圖2　RFID系統組成原理Fig.2　RFID system composition principle

通過設置時間窗口的大小檢測數據是否冗余，得到時頻沖突檢測平均時隙數為

由以上分析可知：食品標簽的數量與出現碰撞的概率成正比.因此，通過沖突檢測可以實現對食品安全標簽的防碰撞控制.

2.2 食品安全標簽防碰撞控制算法實現

設計一種通過Hashtable保存不同鍵值數據的時間戳的方法，可實現對食品安全標簽的防碰撞控制.具體有以下5個步驟.

步驟1 將空的Hashtable食品數據送入TABLE.

步驟2 判斷是否存在標簽碰撞，碰撞因子可以表示為μ＝nc/n.如果在閱讀識別范圍內，共有m個可以計量汲取食品標簽的批量識別標簽，將下一次食品數據閱讀值送入INCOMING.

步驟3 所有的電子標簽都是工作在讀寫器的頻段上，因此，當讀寫器喚醒所有標簽后，如果INCOMING的時間戳大于最大窗口時間，則輸出INCOMING，同時結束一次閱讀循環.

步驟4 組件通過關鍵字provides和uses申明對接口使用的方式，將食品標簽的［INCOMING.key］升級為時間戳.

步驟5 終止循環.

3　仿真實驗與結果分析

為了測試文中算法在實現食品安全標簽防碰撞控制和食品安全追蹤中的性能，進行仿真實驗.采用Java語言構建開發在開源的云計算平臺框架下進行標簽讀取的RFID模型.實驗仿真環境為：Intel－Core3－530 1G內存；Windows 7操作系統.沖突信號存儲了100TB的內容，每個內容塊的大小為1 MB，統計表記錄了在當前時間周期［t0，t0＋C］內邊界路由器R2轉發給其他AS的所有interest食品安全追蹤報文的統計信息，C為周期長度.仿真實驗實驗參數為：食品安全追蹤數量為1016；節點數目為100個；RFID頻段為13.56MHz；標簽分布特征為雙隨機過程.在上述仿真實驗環境設計的基礎上，進行食品安全標簽防碰撞控制實驗，生成的沖突信號模型，如圖3所示.對沖突信號模型進行時頻特征分析，提取能量密度特征，結果如圖4所示.圖3，4中：t為采樣時間；t′為時延.?

圖3　食品安全追蹤標簽沖突信號模型Fig.3　Food safety tracing label conflict signal model

圖4　沖突信號時頻能量密度特征Fig.4　Time－frequency energy density characteristics of conflict signals

根據上述特征提取結果，對標簽批量讀取，進行數據的層次化融合，描述食品安全標簽的沖突信號生成模型，并進行食品安全標簽射頻識別技術沖突分流控制，以食品安全檢測的識別吞吐率為測試指標，采用傳統方法與新方法識別速度的比較結果，如圖5所示.圖5中：η為吞吐率；n為待識別標簽數.

由圖5可知：新提出的標簽識別比傳統的識別速度更快更有效率，加快了防碰撞的識別效率，減低了標簽防碰撞的機率，提高了防碰撞檢測工作效率，避免了資源的浪費，提高了食品安全追蹤的效率和準確性.

圖5　傳統方法與新方法食品標簽識別吞吐率的比較Fig.5　Comparison between traditional methods and new methods for the recognition of food labels

4　結論

食品的安全追蹤貫穿于食品種植、養殖、加工、包裝、儲藏、運輸、銷售、消費等活動中.在食品安全追蹤過程中，需要根據標簽物資標簽批量讀取技術進行識別，食品標簽批次和計量具有復雜性和不規則性，導致標簽信息沖突碰撞，需要進行防碰撞控制.研究食品安全標簽防碰撞控制算法在保證食品安全追蹤應用過程中具有重要意義.

文中提出一種基于沖突檢測的食品安全標簽防碰撞控制方法.構建食品安全標簽檢測模型，采用中間件技術，對標簽批量讀取，進行數據的層次化融合，描述食品安全標簽的沖突信號生成模型，并進行食品安全標簽射頻識別技術（RFID）沖突分流控制，達到防碰撞控制的目的.仿真實驗表明：改進的RFID標簽防碰撞算法可以改善原有的食品標簽RFID識別系統，加快防碰撞的識別效率，降低標簽防碰撞的

機率，提高防碰撞檢測工作效率，避免資源的浪費，提高食品安全追蹤的效率和準確性，在食品安全監測等領域具有較好的應用價值.

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（責任編輯：錢筠 英文審校：吳逢鐵）

Collision Avoidance Control Based on Food Label Conflict Detection

CHEN Wei－jun，HUANG Yong－can
（School of Software Engineering，Anyang Normal University，Anyang 455000，China）

Abstract：The paper puts forward a kind of food safety label conflict detection based anti－collision control method.It may read labels bulkily，proceed with level data fusion.By describing the conflict signal generation model of food safety labels and analysis the ultra wide band characteristics of food safety traceability label conflict signal，to realize the food safety control of planting，breeding，processing，packaging，storage，transportation，sale and consumption activities.Based on the technology of radio frequency identification（RFID）of the food safety label and the conflict shunt control to achieve the purpose of anti－collision control.Simulation results show that the method may speed up the anti－collision recognition efficiency，reduce the probability of the label anti－collision and improve the anti－collision detection efficiency.

Keywords：conflict detection；collision avoidance control；food safety；tag；radio frequency identification technology

通信作者：陳衛軍（1971－），男，副教授，主要從事計算機網絡、計算機應用的研究.E－mail：cwj＠aynu.edu.cn.

中圖分類號：TP 309.3

文獻標志碼：A

文章編號：1000－5013（2015）04－0417－05

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0417

收稿日期：2015－06－15

基金項目：河南省科技廳基礎與前沿研究基金資助項目（112300410129）