奶牛身份射頻識別系統的防沖突技術

張 瑩，韓秀枝

(漯河食品職業學院，河南 漯河 462000)

0 引言

奶牛養殖是整個農業組成的重要部分，在農業經濟體系中占據重要地位。目前，奶牛養殖中瘋牛病、口蹄疫等具有強烈傳染性疾病的出現對這個行業有極大的影響；防止這些疾病的傳染擴大，對奶牛單個體進行精細化養殖是現代奶牛養殖的主要研究方向，運用現代化技術進行奶牛養殖有效減少疫情的發生，尤其是在奶牛產業的安全追溯管理中應用具有重要價值[1-2]。射頻識別技術在畜牧業中的運用在發達地區已有很多研究，采用中低頻段來識別奶牛身份，識別范圍比較小[3-4]，在現今大規模的奶牛養殖中，中低頻段的識別范圍不能滿足需要，需要研發出范圍更大、更準確的識別系統。基于無線射頻識別技術的奶牛身份識別系統可實現監控目標[5-8]，滿足遠距離、多目標監控的要求。

奶牛識別系統中識別電子標簽采用超高頻射頻識別，為每頭奶牛建立永久電子檔案。射頻識別時，由于存在多個電子標簽，易造成識別沖突，為防止沖突發生，正確識別讀取信息，需要一種合適的算法來防沖突。目前，采用的沖突算法有時隙Aloha算法和二進制搜索算法[9-11]。

本文研究了采用瘤胃式動物電子標識奶牛識別系統，由射頻識別技術和單片機一起使用來實現無線自動識別，并著重研究了奶牛射頻識別技術中存在的沖突問題。

1 射頻識別系統設計

1.1 系統總設計

射頻識別系統主要由標簽、閱讀控制單元和單片機組成，如圖1所示。其中，閱讀控制單元電路主要由耦合通信電路、控制器單元電路及射頻發送單元電路3大塊組成。射頻發送單元電路采用無線高頻段射頻，并通過連接天線、電子標簽完成識別工作。RFID技術可以通過無線電訊號識別指定目標并讀取數據，且識別系統與讀取目標之間不需要建立機械連接或接觸，屬于非接觸的讀取識別技術。

圖1 射頻識別系統組成

電子標簽由芯片、電池和天線組成，芯片是電子標簽的核心組成部分，也稱為應答器。電子標簽可以根據需要選擇不同性狀的標簽。天線是射頻識別的外置部分，是射頻識別的媒介。控制器單元電路和射頻發送單元電路是發揮閱讀功能的單元，也可以稱之為閱讀器。射頻發送單元電路的作用是產生一定射頻頻段的射頻信號，將調整的信號發射出去，并對接收進來的信號進行解調。

1.2 系統工作原理

射頻識別系統的工作原理(見圖2)：閱讀控制單元電路將設置好頻率的射頻頻段通過天線發射出去，當植入電子標簽的奶牛進入天線工作的范圍內時，電子標簽就會產生感應電流，從而被激活工作；電流激活的電子標簽接收閱讀控制單元的指令，按照指令要求將標簽中收集的奶牛個體信息通過標簽上的天線發送出去；閱讀控制單元接收到信息后，對其進行解碼，將解碼出來的信息整理并輸送至數據管理中心，數據管理中心通過邏輯算法判斷標簽信息，并做出相關處理后將判斷信息返回閱讀控制單元[12]。

圖2 射頻識別系統工作程序

2 射頻識別系統中防沖突算法

在射頻識別系統中，存在多個電子標簽，在射頻識別系統閱讀范圍內進入多個電子標簽時，所有的電子標簽都會接收閱讀控制電路發送的指令，從而被激活工作；多個電子標簽激活就會同時向閱讀控制單元發送采集的奶牛的個體信息，而多個信號同時發送回導致信號輸送發生干擾，信號同時擁擠發送導致閱讀控制電路無法接收到正確的信號，產生射頻識別系統中的沖突問題。為了避免沖突的發生，射頻識別系統應采取防沖突措施。

2.1 時隙ALOHA算法

ALOHA算法中電子標簽發送奶牛信息時，如果同時識別范圍內進入其他電子標簽也會發送信號，多個信號擁擠接收，會產生疊加現象，這就是沖突問題。閱讀控制單元接收的信號如果有疊加，可以判斷沖突現象，閱讀控制單元可以根據判斷結果發送指令到電子標簽，控制電子標簽是否發送信息，并控制那部分電子標簽延遲發送信息。ALOHA算法防沖突原理，如圖3所示。

圖3 ALOHA算法防沖突原理

由圖3中可以看出：單純的ALOHA算法可以簡單實現沖突的解決，但在信號發送中存在沖突就會導致信號無法發送成功；而ALOHA算法中可能存在對同一個電子標簽發送多次指令，產生多次沖突問題，導致閱讀控制單元判斷錯誤，且指令輸送時，沖突產生的可能性比較高，且概率比較大。為了克服這些問題，在ALOHA算法的基礎上，提出了時隙ALOHA算法。該算法是將識別的時間段分割成為多個時間時隙，每個時間時隙的長度為識別一個電子標簽發送信號的時間。當每一個電子標簽進入識別范圍內時，可在時隙時間初始時間開始發送電子標簽的信息數據。這樣電子標簽發送信息可能導致兩種結果：成功發送或完全沖突，如產生完全沖突，閱讀控制單元發出延遲指令，將這個標簽延遲識別，可以減少沖突發生的概率。若是有多個電子標簽延遲時間一樣，還是會造成沖突問題，這種情況，閱讀控制單元控制每個電子標簽的延遲發送時間不一樣，就減少了沖突問題發生的概率。但是，時隙ALOHA算法中因為存在延遲指令，導致識別需要的時間比較長。

2.2 二進制搜索算法

二進制搜索算法實現的前提是確定閱讀控制器中的信號編碼確定沖突中的準確位置。Manchester編碼是定位相對準確的一種編碼，這種編碼邏輯采用改變電平的方法實現，即采用0位表示上升沿，1位表示下降沿。因此，在信號輸送中無變化的跳變是不允許存在的，且會當成沖突處理。當識別范圍內出現多個電子標簽被激活并發送數據信息時，數據有大小不同的數字值，閱讀器接收口的上升沿和下降沿就會相互抵消，這時信號疊加在同一個位窗中，使位窗中沒有跳變，通過這種情況來識別沖突發生的位置。

除此之外，二進制搜索算法還需要在閱讀控制器編輯一組命令，將這組命令發送至電子標簽并進行處理。這組命令有：

1)REQUEST。請求命令，其作用是發生指令給電子標簽，并以此作為參數；電子標簽將接收的指令數據與自有的數據進行比較，如果小于或等于，電子標簽就會將接收的指令發送回閱讀控制器。

2)SELECT。選擇命令，其是采用事先設置的數據作為參數發送給電子標簽，如果接收指令的電子標簽本身的數據與接收的指令數據相吻合，則以此作為切入點命令該電子標簽執行其他指令。

3)READ-DATA。讀取命令，接收到指令的電子標簽將采集的數據信息發送至閱讀控制器，閱讀控制分析數據后并結果輸送至標簽。

4)UNSELECT。去選擇命令，將已識別的電子標簽取消，使電子標簽進入無應答狀態；在無應答狀態下，電子標簽對閱讀控制器發出的指令不會應答，如果需要重新識別該電子標簽，該標簽需要離開識別感應范圍后，再進入識別感應區重新激活并識別。

二進制搜索算法在閱讀控制器識別中，當不存在沖突時，就不會有記憶識別儲存，就需要閱讀控制器重新發送指令；但這種操作增加了識別指令發送的次數，延長了識別時間。

2.3 返回式二進制樹形搜索算法

二進制搜索算法在閱讀控制器識別中，當不存在沖突時，就不會有記憶識別儲存，就需要閱讀控制器重新發送指令，從而增加了識別指令發送的次數及識別時間。因此，在二進制搜索算法的基礎上改進為返回式二進制樹形搜索算法，可減少指令發送次數，提高識別閱讀的效率。

3 防沖突算法識別步驟

假設識別識別范圍內有4個電子標簽需要識別，其系列碼分別為

TAS1: 10110100

TAS2：10100010

TAS3：10111100

TAS4：00111100

識別步驟如下：

1)閱讀控制單元發出請求指令(REQUEST0)，范圍中的電子標簽應答指令并將電子標簽上的系列碼發送回去，閱讀控制器接收的系列碼就為101XXXX0。

2)閱讀控制單元發出請求指令(REQUEST10)，電子標簽TAS1、TAS2、TAS3的序列碼中的前兩個數字與指令相同，將為識別的部分退回，閱讀控制單元接收序列碼為1XXXX0。

3)閱讀控制單元發出請求指令(REQUEST1010)，電子標簽TAS1應答，此時沒有沖突，該電子標簽接收指令，其他電子標簽不再應答。

4)完成一次識別，閱讀控制單元返回初始指令，進行下一個電子標簽的識別。

4 射頻識別系統實驗及分析

本實驗在實驗室的條件下進行，射頻識別系統采用單片機與閱讀控制器為控制中心，通過耦合電路實現通訊；由單片機發出指令，閱讀控制器接收單片機發出的指令，并將閱讀控制器讀取的數據輸送回單片機。實驗區采用4個電子標簽進行識別，隨意組合進入射頻識別范圍，試驗進行30次，試驗結果數據如表1所示。

表1 射頻識別系統多標簽識別

由實驗數據可知：電子標簽進入射頻識別范圍中，依次進入識別范圍的電子標簽識別準確率可達到100%；當識別范圍過大時，由于電子標簽感應的電磁電流減小，會對識別造成誤差，降低奶牛識別的正確率。故在實際安裝該系統時，需要考慮識別范圍的大小和電子標簽的位置，因為奶牛在識別時處于運動的狀態，排除識別時的干擾因素，可提高射頻識別的準確率。識別系統采用的射頻識別技術，射頻頻率會被環境濕度影響，空氣濕度大時會吸收射頻波段，減少射頻幅度，影響識別效果，故安裝該系統時應考慮到空氣濕度的影響，并采取措施排除不良影響。

5 結論

研究了奶牛身份射頻識別系統的防沖突技術，針對二進制搜索算法的不足之處，對該算法進行了改進，減少識別過程中的消耗時間，排除了射頻識別系統中的沖突問題，提高了射頻識別的準確率。本研究對奶牛精細化養殖有著重大的意義。