許仙明 吳敏 吳靜進 胡小兵 朱淑云

摘要：RFID技術具有安全可靠、可遠距離識別等特點，被廣泛應用于智能識別與機器人技術中。傳統(tǒng)的類標簽算法普遍存在不足，文中基于RFID技術研究了自適應分組的標簽防碰撞算法。自適應分組的標簽防碰撞算法在一定程度上改善了多目標標簽的情形，提高了系統(tǒng)的識別速度，且利用了閱讀器與標簽中的信息通道。仿真結果表明，自適應分組標簽防碰撞算法可以大幅減少能量損耗，提高識別精度，彌補了傳統(tǒng)算法的不足。

關鍵詞：自適應分組;標簽防碰撞算法;RFID技術;信號控制;參數(shù)設定;仿真實驗

中圖分類號：TN959.1+7-34;TP391.4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0055-04

在自動識別技術的發(fā)展中，有諸多識別技術，其有各自的優(yōu)勢。但由于射頻識別技術其自身的獨特優(yōu)勢，被廣泛應用于物流、AGV、倉儲等行業(yè)，研究者也著手研究功能更加成熟的RFID技術[1-3]。

RFID技術的防碰撞算法是近年來的研究熱點，本文在分析國內外研究現(xiàn)狀的基礎上，分析了現(xiàn)有RFID標簽防碰撞技術的缺點和局限性，并在現(xiàn)有防碰撞算法的基礎上[4-6]，研究了自適應標簽分組的防碰撞算法。標簽防碰撞算法的基本思路是在檢測到有其他信號源發(fā)送信號時，射頻識別系統(tǒng)內信號發(fā)生器停止發(fā)生指令。再經(jīng)過一段時間后，若無干擾信號，則繼續(xù)發(fā)生信號，以此來減少發(fā)生碰撞的概率。仿真結果表明，基于RFID技術的自適應分組標簽的防碰撞算法在滿足通信協(xié)議的基礎上，可以較好地達到防碰撞的目的，該算法具有良好的實用價值。

1 RFID基本原理

RFID又稱為射頻識別技術，射頻識別系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是中央處理系統(tǒng)、標簽和閱讀器，各部分之間的聯(lián)系如圖1所示[7-8]。

1.1 閱讀器

閱讀器是射頻識別系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責對標簽進行讀寫操作，即與標簽進行雙向通信，并接收其他設備發(fā)出的指令。射頻識別系統(tǒng)的工作頻率與閱讀器的工作頻率緊密相關，且構成因果關系。閱讀器的工作頻率影響整個系統(tǒng)的頻率，系統(tǒng)的識別距離由閱讀器決定。因此，閱讀器在射頻識別系統(tǒng)中起著重要的作用，其是射頻識別系統(tǒng)的控制中心，起控制整個系統(tǒng)和處理信息的作用。

1.2 標 簽

射頻識別系統(tǒng)的另一個重要組件是標簽，也是防碰撞算法的核心部件。標簽用于存儲數(shù)據(jù)，在識別系統(tǒng)中起到重要作用。其可以實現(xiàn)自動管理，自動將獲取的信號傳輸?shù)阶R別系統(tǒng)，方便用戶使用。標簽由邏輯控制單元控制信息的存儲，其具有芯片和射頻接口。與其他的通信系統(tǒng)類似，標簽又被稱作接收器。標簽的結構見圖2。

1.3 中央處理系統(tǒng)

射頻識別系統(tǒng)的核心是中央處理系統(tǒng)，其是整個系統(tǒng)的控制中心。讀寫器獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)，中央處理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行分類和處理。同時，管理內部的存儲、控制閱讀器。典型的RFID為無源系統(tǒng)，表1為無源RFID的技術參數(shù)。

2 算法設計思路

在實際的射頻識別系統(tǒng)應用中，通常難以事先獲取標簽的總數(shù)目，即無法根據(jù)標簽的數(shù)量確定最佳幀長。而幀長是影響整個系統(tǒng)的關鍵，也是設計防碰撞算法所要用到的一個參數(shù)。在傳統(tǒng)的時隙ALOHA算法中，無法獲得最佳幀長，存在局限性[9-10]。為解決這一問題，本文提出了基于RFID技術的自適應分組標簽防碰撞算法。其通過將獲取到的標簽進行動態(tài)分組.來識別和確定幀長，改善時隙ALOHA算法。自適應分組標簽的防碰撞算法（TAAG）核心思想是合理地對標簽進行分組，并對標簽進行編號。按照一定的原則將所有標簽進行動態(tài)分組，通過射頻識別系統(tǒng)識別每一組的標簽。依據(jù)系統(tǒng)的識別結果，可以估計整個系統(tǒng)的標簽數(shù)量，獲得最佳幀長。

2.1 算法步驟

自適應分組標簽算法涉及標簽的幾個工作狀態(tài)，分別為準備狀態(tài)、待命狀態(tài)和靜默態(tài)[11]。

準備狀態(tài)（READY）：當系統(tǒng)處于該狀態(tài)時，標簽處于詢問狀態(tài)，此時的標簽準備接收訪問。

待命狀態(tài)（STANDBY）：在準備狀態(tài)之后，標簽內部將所有數(shù)據(jù)進行初始化，并通過標簽分組，再選擇一個分組的標簽進行算法識別，被選中標簽所處的狀態(tài)稱為待命狀態(tài)。

靜默態(tài)（QUIET）：在待命態(tài)之后，標簽不再參與后續(xù)識別過程，該狀態(tài)被稱為靜默態(tài)。

在自適應分組算法中，通過射頻識別系統(tǒng)的識別算法步驟為：當標簽寄存器中的數(shù)值全為0時，識別系統(tǒng)內部的標簽把本身的地址發(fā)送給閱讀器;在固定的時間間隔內，若標簽和閱讀器之間能夠正常進行通信，則將其看作成功時隙。

2.2 標簽防碰撞算法

標簽防碰撞算法的基本思路是標簽與閱讀器發(fā)送通信時，若有其他標簽干擾，則多個標簽發(fā)送的信號出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，會使得物體之間發(fā)生完全或非完全碰撞。為了避免物體碰撞，在檢測到有其他信號源發(fā)送信號時，射頻識別系統(tǒng)停止發(fā)生指令。經(jīng)過一段時間后，若檢測到無干擾信號，則繼續(xù)發(fā)生信號，以此來減少發(fā)生碰撞的概率。

2.3 算法分析

自適應分組標簽防碰撞算法傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，是用二進制數(shù)來表示的。在傳輸過程中，最高碰撞位被傳輸?shù)缴漕l識別系統(tǒng)中，若標簽的ID為M位，則傳輸?shù)拇螖?shù)為：

m= log2M

（1）

用二進制位來表示碰撞信息，可以提高精確度，且在傳輸過程中，可以減少有效信息的丟失。對于任意一個標簽的分組，若有Mi個需要識別的標簽，系統(tǒng)則自動計算需要碰撞的次數(shù)，自動選擇搜索算法來查詢，且查詢次數(shù)公式為：

根據(jù)自適應分組算法的特點，無論查詢次數(shù)和標簽處理數(shù)據(jù)是否滿足條件，系統(tǒng)均會動態(tài)使用自適應分組搜索，且搜索時間為：

3 算法仿真結果與分析

本節(jié)將通過仿真實例來說明自適應分組標簽防碰撞算法的優(yōu)點。在仿真的過程中，使用到了3個參數(shù)，用來衡量算法的性能，分別是吞吐率、Number of Slots（NoS）、Required Cycles'12'。

吞吐率：通過S時隙的數(shù)目與總時隙數(shù)目之比，其反應了信道的使用率。

Throughput=S/S+E+C

Number of Slots：其用來描述閱讀器訪問數(shù)據(jù)庫時所花的時間?；ㄙM的時間越短，表示算法的性能越強。

Required Cycles：其是描述算法性能的通信參數(shù)，表征射頻識別系統(tǒng)通信能力的強弱。

綜合以上3個參數(shù)，可以判斷防碰撞算法的優(yōu)劣。在本文自適應分組標簽防碰撞算法的仿真分析中，采用蒙特卡羅方法，將初始數(shù)據(jù)設為：M=4，A=4，L表示幀時隙長度。仿真對吞吐率、識別時隙數(shù)和識別周期數(shù)進行跟蹤。圖3是本文自適應分組算法仿真結果圖。從圖中可以看出，算法在閱讀器閱讀標簽時，有更少的Cy-cles數(shù)目，可以減少算法使用閱讀器和標簽的通信次數(shù)。相對于其他算法，該算法的防碰撞率更高，其使用到的標簽數(shù)更少，這也說明了該算法的優(yōu)越性。不同算法的比較，如表2所示。

4 結語

本文基于RFID技術研究自適應分組標簽的防碰撞算法，通過將獲取到的標簽進行動態(tài)分組，來識別和確定幀長，改善了傳統(tǒng)的時隙ALOHA算法。雖然TAAG算法和TAPC算法均可維持識別精度，且有較好的應用價值，但本文提出的自適應算法在性能上更優(yōu)，能夠彌補難以獲取幀長的缺陷。其使用到的標簽數(shù)更少，且該算法的防碰撞率更高，更具備節(jié)能性，為后續(xù)研究工作提供了理論依據(jù)。在后續(xù)研究中，將研究在大規(guī)模標簽分組情形下，提高算法的防碰撞能力。

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作者簡介：許仙明（1981-），男，江西吉安人，碩士，講師，研究方向為電機與電器控制研究。