實驗室儀器管理中RFID 多標簽識別防碰撞算法研究

龔玉梅，胡金艷

（上海第二工業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，上海 201209）

在新時代新工科建設(shè)的大背景下，相關(guān)高等院校均致力于提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。實踐教學(xué)在高等院校教書育人中的地位不斷提高，實驗室規(guī)模不斷擴大，儀器設(shè)備數(shù)量逐漸增多。傳統(tǒng)教學(xué)實驗室向開放性創(chuàng)新實驗室轉(zhuǎn)型，對于以服務(wù)學(xué)生為中心的實驗室設(shè)計，其開放性和流動性大大增強。在這種需求背景下，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，該應(yīng)用相較于傳統(tǒng)的實驗設(shè)備手動信息掃描、登記和管理，可以遠距離批量化進行儀器設(shè)備信息的獲取與修改，大大提高了儀器設(shè)備的信息管理效率，降低了實驗室儀器管理中的相應(yīng)成本[1-7]。

在實際應(yīng)用中，由于實驗室儀器設(shè)備種類和數(shù)量的日趨多樣化，射頻識別技術(shù)中的讀寫器在識別范圍內(nèi)通常會包含多個電子標簽。讀寫器與多個電子標簽間的無線通信信道共享必然引起通信鏈路上的數(shù)據(jù)碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確讀取，電子標簽信息無法正確識別，降低了無線信道傳輸效率，影響了實驗室儀器設(shè)備的有效識別率。針對高等院校實驗室儀器管理的應(yīng)用場景，如何優(yōu)化多個RFID 標簽的識別算法，降低多個電子標簽間的數(shù)據(jù)碰撞概率，提高儀器設(shè)備的識別效率，成為了該應(yīng)用場合中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 無線射頻識別技術(shù)

無線射頻識別技術(shù)在各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，如物流管理、車輛識別、產(chǎn)線生產(chǎn)、智能倉儲等多個方面。該技術(shù)與傳統(tǒng)的紙質(zhì)和磁性標簽相比，具有防水、防磁、快速、簡便等特點。RFID 技術(shù)完成物體標簽信息讀取和處理的方式具有較強的應(yīng)用價值和前景。無線射頻讀寫器、電子標簽、射頻收發(fā)天線、RFID 中間件和RFID 應(yīng)用軟件構(gòu)成了典型RFID 系統(tǒng)，如圖1 所示[8]。

無線射頻讀寫器與電子標簽的射頻天線起到了收發(fā)無線射頻信號的作用，建立了無線信道的連接。系統(tǒng)高層應(yīng)用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的信息交互，用以傳達用戶的需求和意圖。RFID 中間件主要起到了應(yīng)用層與射頻鏈路層之間的連接作用，對電子標簽信息進行采集和處理，并解析應(yīng)用層的命令。

在實驗室儀器管理的典型應(yīng)用環(huán)境中，通常只有一個讀寫器，儀器設(shè)備端安裝電子標簽，由于實驗室儀器使用壽命約為五到十年，考慮到儀器端的電子標簽使用周期，一般使用無源標簽和半有源標簽，且采用一主多從式的系統(tǒng)架構(gòu)，其工作流程如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)工作流程圖

1）應(yīng)用系統(tǒng)軟件根據(jù)用戶需求，發(fā)出信息采集要求。

2）讀寫器根據(jù)系統(tǒng)指令，進行相關(guān)編碼調(diào)制，發(fā)出無線射頻信號。

3）電子標簽接收到讀寫器發(fā)送的指令，通過天線感應(yīng)到電流后，電子標簽被喚醒。

4）電子標簽通過無線天線發(fā)射信號，傳送自身的識別信息，對讀寫器響應(yīng)。

5）讀寫器將接收到的信息進行相關(guān)處理，并傳送給系統(tǒng)應(yīng)用層。

6）系統(tǒng)應(yīng)用層根據(jù)用戶需求及相關(guān)邏輯運算和基本計算，進行相應(yīng)的處理，并進一步發(fā)出響應(yīng)指令，控制讀寫器作相應(yīng)的處理和指令發(fā)送。

2 多標簽防撞算法

RFID 系統(tǒng)利用無線通信信道，在多個電子標簽存在的應(yīng)用中，共享信道上必然發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，通常解決信道沖突的方法主要有以下幾種[9-10]。

1）空分多路利用定向天線技術(shù)，可在讀寫器作用范圍內(nèi)在不同角度進行定向讀取對應(yīng)不同的電子標簽，該技術(shù)中天線設(shè)計較為復(fù)雜。

2）頻分多路在無線通信鏈路中通過頻率調(diào)制方法，分別讀寫相應(yīng)頻點的電子標簽信息，從而避免數(shù)據(jù)沖突。該技術(shù)增加了收發(fā)端的電路復(fù)雜度。

3）碼分多路通過在發(fā)送端和接收端使用偽隨機碼進行相關(guān)調(diào)制解調(diào)，達到擴頻的目的，該技術(shù)增加了收發(fā)端的信息處理復(fù)雜度。

4）時分多路將信息的傳輸時間切分成若干個時間間隔（Time Slot，TS，又稱時隙），每個時隙只有一路通信，目前該方法較為簡單易行，成本也較低。

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大背景，前3 種方式的技術(shù)手段相對復(fù)雜，增加了讀寫器和電子標簽端的設(shè)計復(fù)雜度和成本，尤其是電子標簽數(shù)較多的情況下。目前在RFID 系統(tǒng)中，時分多路的防碰撞方法應(yīng)用較為廣泛。其中，純ALOHA 算法及其改進算法具有較強的應(yīng)用優(yōu)勢，文中將對純ALOHA 算法和時隙ALOHA算法進行比較分析[11-17]。

2.1 純ALOHA算法

純ALOHA 算法所采用的算法邏輯為電子標簽端隨機接入，簡單易行，非常適用于一主多從式的無線通信網(wǎng)絡(luò)，該算法是一種隨機發(fā)送和競爭發(fā)送協(xié)議。在電子標簽識別過程中，讀寫器處于接收位置，電子標簽主動進行信息發(fā)送，各設(shè)備間不需要時鐘同步，降低了設(shè)計成本。

在某一讀寫器識別范圍內(nèi)，電子標簽隨機地在信道上發(fā)送信息給讀寫器。如果檢測到數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，相應(yīng)的電子標簽將等待一段隨機時長后，進行信息重發(fā)。由于等待的時長隨機，對各電子標簽的應(yīng)答時間進行了分散處理，從而在一定程度上規(guī)避沖突和碰撞，提高了電子標簽的識別率和信息傳輸?shù)男省＜傾LOHA 算法原理示意圖如圖3 所示。

圖3 純ALOHA算法原理示意圖

圖中以3 個標簽隨機發(fā)送信息為例，若同一時刻無線通道上出現(xiàn)了兩個以上的標簽正在發(fā)送信息，就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)碰撞。多個電子標簽進行數(shù)據(jù)的隨機發(fā)送時，在無線共享信道中將會不可避免地發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。由于各電子標簽的隨機發(fā)送是異步的，因此往往會出現(xiàn)部分數(shù)據(jù)沖突和完全數(shù)據(jù)沖突兩種情況。

假設(shè)在單讀寫器識別范圍內(nèi)，有n個標簽在單位時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其分布符合泊松分布，則響應(yīng)讀寫器的概率為：

其中，λ為響應(yīng)讀寫器的單位時間內(nèi)的平均標簽數(shù)。

設(shè)標簽發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間為T，則數(shù)據(jù)未發(fā)生碰撞的概率為：

發(fā)送的總數(shù)據(jù)率G為：

信道的吞吐率S為：

2.2 幀時隙ALOHA算法

幀時隙ALOHA（Framed Slotted Aloha，F(xiàn)SA）算法引入了同步的概念，將每一幀分成若干個時隙，單個時隙長度必須大于收發(fā)數(shù)據(jù)的長度，以保證數(shù)據(jù)包的傳輸完整性。讀寫器范圍內(nèi)的電子標簽不能隨意發(fā)送數(shù)據(jù)，必須隨機選擇某個時隙的起始點進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

如圖4 所示，在信息傳輸中包含以下時隙：1）空閑時隙，信道處于空閑狀態(tài)，無電子標簽進行數(shù)據(jù)傳輸；2）應(yīng)答時隙，僅有一個電子標簽在該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)；3）碰撞時隙，多個電子標簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞。

圖4 幀時隙ALOHA算法示意圖

如圖4 所示，圖中以3 個電子標簽選擇時隙進行隨機發(fā)送信息為例，黑色部分為發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時隙。各個電子標簽之間通過時鐘同步，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紩r刻必須為某一時隙的起始點，因此在無線共享信道上消除了部分沖突的可能性，僅存在數(shù)據(jù)的完全沖突。

設(shè)在信息傳輸中，每一幀切分成L個時隙，在某一讀寫器的識別范圍內(nèi)，可以被識別的電子標簽數(shù)為N，則單個電子標簽隨機選擇進行數(shù)據(jù)發(fā)送的概率為，被讀寫器成功識別的概率為：

通過理論計算，系統(tǒng)的吞吐率為：

3 仿真與驗證

根據(jù)高等院校實驗室實驗設(shè)備的基本硬件布局和RFID 的相關(guān)工作參數(shù)，選用甚高頻工作頻段，其工作距離能夠覆蓋實驗室儀器放置的基本范圍。同時該頻段的電子標簽主要為無源和半有源兩種方式，具有使用壽命長、功耗低等特點，滿足實驗室儀器管理的日常需求。文中以單個讀寫器對多個實驗設(shè)備進行識別的工作模式為主要仿真對象，對純ALOHA算法和幀時隙ALOHA算法進行仿真和驗證。

在純ALOHA 算法中，以一個閱讀器為主服務(wù)器，對識別范圍內(nèi)2～200 個電子標簽進行隨機的數(shù)據(jù)發(fā)送，檢測各個電子標簽之間的數(shù)據(jù)發(fā)送時間是否有重疊。當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞后，各標簽進行隨機延時重發(fā)。仿真結(jié)果如圖5 所示。在多個電子標簽的RFID 系統(tǒng)中，電子標簽數(shù)目的增加帶來信道上數(shù)據(jù)碰撞概率的增大，而發(fā)送成功率逐步降低，信道的有效數(shù)據(jù)吞吐率峰值為0.18 左右。

圖5 純ALOHA算法仿真結(jié)果

在幀時隙ALOHA 算法中，選擇固定的循環(huán)時隙，通過讀寫器向電子標簽發(fā)送命令確保各標簽的同步。各電子標簽隨機選擇某一特定時隙進行數(shù)據(jù)發(fā)送。如果在信道上檢測到數(shù)據(jù)碰撞，則電子標簽將重新隨機選擇時隙進行數(shù)據(jù)重發(fā)。

考慮到在實驗室儀器日常管理中，實驗室儀器設(shè)備數(shù)量較為穩(wěn)定，作用范圍內(nèi)的電子標簽數(shù)相對固定，在仿真分析中，設(shè)定幀內(nèi)時隙為固定個數(shù)。隨著電子標簽數(shù)增加后帶來數(shù)據(jù)包量的顯著增加，數(shù)據(jù)沖突增多，通過仿真軟件對信道的吞吐率進行進一步分析，仿真結(jié)果表明，峰值信道吞吐率可達0.37，如圖6 所示。

圖6 幀時隙ALOHA算法仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

射頻識別技術(shù)（RFID）以其特有的優(yōu)勢，在實驗室儀器管理中被廣泛地應(yīng)用。隨著實驗室儀器設(shè)備密集度的增大，多個電子標簽系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)碰撞算法在提高信息識別獲取上的作用越發(fā)顯著。文中通過對實驗室儀器管理的應(yīng)用場景和多標簽數(shù)據(jù)防撞的機理進行仿真驗證，結(jié)果表明，幀時隙ALOHA 算法通過時隙同步的引入，消除了部分碰撞的可能性，相較于傳統(tǒng)純ALOHA 算法，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率。同時，幀內(nèi)固定時隙個數(shù)的方法在實驗室儀器設(shè)備數(shù)量變化較頻繁的場合下，有一定的局限性。隨著實驗室儀器設(shè)備開放性和流動性的增強，同一實驗室空間下的儀器設(shè)備數(shù)量和種類將會發(fā)生變化，相應(yīng)地，某一讀寫器范圍內(nèi)的電子標簽數(shù)目可能會出現(xiàn)動態(tài)變化，可以在此基礎(chǔ)上探索時隙數(shù)的動態(tài)可調(diào)算法，增強系統(tǒng)的普適性。