朱應莉

（西安交通工程學院交通運輸學院，陜西西安 710000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和電子標簽識別技術的快速發(fā)展，物流管理和控制將向著網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展，隨著物流需求量大幅度增加，對大規(guī)模物流信息的處理速度和智能化提出更高的要求。在物流配送過程中，貨物附加了許多數(shù)據(jù)信息，主要包括物品基本屬性、配送信息、出產(chǎn)地等信息內(nèi)容，通過電子標簽、條形碼識別等進行標簽信息的采集和配對，需要建立準確和高效的信息數(shù)據(jù)加工和分析系統(tǒng)，通過信息監(jiān)控和挖掘提高物流管理和貨物追溯能力[1]。文中采用無線射頻標簽識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，構建新型多卡識別系統(tǒng)，實現(xiàn)對電子標簽的多卡同時識別，以提升電子標簽的識別效率和準確性。

1 基于Q值的動態(tài)Aloha防碰撞算法

在快速批量的標簽識別過程中，為防止多個RFID 標簽同時讀取識別時發(fā)生碰撞沖突，導致誤識別現(xiàn)象發(fā)生，提出了一種基于Q值的動態(tài)Aloha 改進型防碰撞算法。Aloha 算法屬于一種隨機接入式算法，利用多路分時實現(xiàn)對RFID 標簽識別的高效防碰撞處理，算法具有結構簡單、運算高效的特點[2-3]。Aloha 算法中在相鄰兩幀識別之間存在一個時間間隙，假定在該時間間隙中存在r個標簽，則r個標簽的概率分布符合二項分布，概率分布公式為[4]：

式中，N表示標簽總量，n表示響應到的標簽數(shù)量，r表示時間間隙中存在的標簽數(shù)量。

在時間間隙中存在一個標簽的概率為：

僅存在一個標簽的時間間隙數(shù)目平均期望X可表示為：

系統(tǒng)的平均識別效率可表示為：

由于物流系統(tǒng)中物品標簽的輸入速度是時變的，若采用固定長度的幀間時間間隙，則無法很好地適應標簽識別的速度變化。這里引入一個Q值，根據(jù)RFID 標簽輸入的速度變化實時調(diào)整Q值，幀間時間間隙長度與Q值成指數(shù)關系，從而實現(xiàn)幀間時間間隙的實時調(diào)整，從而提高資源利用率，提升標簽的識別效率[5]。首先需要建立空閑、識別成功、識別碰撞狀態(tài)與Q值之間的映射關系，這里定義一個Q值調(diào)整步長變量C和一個Q值浮點表示變量Qfp，通過對變量C的增加和減小，實現(xiàn)對Qfp的動態(tài)實時調(diào)整，保證識別效率始終保持在較高水平。

Q值的動態(tài)實時調(diào)整策略如圖1 所示，標簽讀取識別結果包括3 個狀態(tài)：空閑、識別成功、碰撞。識別標簽數(shù)目為0 個時，標記為空閑；識別標簽數(shù)目為1 個時，標記為成功；識別標簽數(shù)目為2 個及以上的標記為碰撞。當標簽讀取識別結果為空閑狀態(tài)時，將Qfp值向減小的方向調(diào)整，更新為Qfp-C；若標簽讀取識別結果為碰撞狀態(tài)時，將Qfp值向增大的方向調(diào)整，更新為Qfp+C；若識別結果為成功時，則保持Qfp值不變。每個識別周期均進行Qfp值的判斷和更新，以實現(xiàn)Qfp值的實時調(diào)整。步幅參數(shù)C的選取對Q值的調(diào)整效果具有很大影響，其取值范圍為[0.1,0.5]，與Q值之間的關系為[6]：1）當Q≤6時，C=0.5；2）當6

圖1 Q 值的動態(tài)實時調(diào)整策略

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

物流電子采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如圖2 所示，主要可分為三層，分別為感知層、網(wǎng)絡層和應用層[7-8]。其中，最底層為感知層，主要運用RFID 技術實現(xiàn)對電子標簽的物流信息采集和識別，采集到的物流信息包含了物品的配送信息和相關用戶信息等，具體包括物品種類、尺寸、重量、發(fā)送和接收客戶資料等信息。感知層的核心設備為電子信息采集終端，該電子設備利用讀寫器對電子標簽進行數(shù)據(jù)讀取，并將獲取的信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至應用層，以用于信息的錄入與分析。網(wǎng)絡層的設計可選用基于ZigBee 技術的物流網(wǎng)絡傳輸機制，運用多個網(wǎng)絡連接組件對網(wǎng)絡傳輸進行控制，以提升物流信息的傳輸性能。應用層中，對各個傳輸組件及模塊采用統(tǒng)一的傳輸接口，將物流信息進行錄入并存入數(shù)據(jù)庫，通過云計算環(huán)境對物流信息進行集中處理，實現(xiàn)相關的邏輯分析和數(shù)據(jù)運算。數(shù)據(jù)感知層和網(wǎng)絡傳輸作為最前端系統(tǒng)，影響著整個物流信息采集系統(tǒng)的運行性能，文中重點對電子采集終端進行改進設計，優(yōu)化終端設計方案，提升其數(shù)據(jù)采集速度，以提升整個物流信息的采集和傳輸效率。

圖2 物流電子采集系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

多卡電子識別系統(tǒng)的硬件結構如圖3 所示，主要包括3 部分：RFID 識別模塊、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、應用PC端[9]。RFID 模塊主要負責電子標簽的識別和數(shù)據(jù)讀寫，其硬件電路主要由控制處理模塊、RFID 讀寫模塊、電子標簽、通信電路、供電電源電路等部分組成。物流網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)信息的傳輸通道，主要由基于ZigBee 技術的網(wǎng)絡節(jié)點構成，依照ZigBee 通信協(xié)議組建無線網(wǎng)絡，確保RFID 終端與PC 端之間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。

圖3 多卡電子識別系統(tǒng)硬件結構

3 RFID識別模塊設計

RFID 識別模塊負責完成對電子標簽的檢測和識別，其硬件結構如圖4 所示，主要由控制處理模塊、RFID 讀寫模塊、通信接口及電源模塊構成。

圖4 RFID識別模塊結構

3.1 控制處理模塊

控制處理模塊是系統(tǒng)的核心處理部分，主要負責對多個RFID 讀寫模塊的控制以及與ZigBee 模塊的通信接口控制?？刂破魈幚硇酒吞枮镾TM32 F103VCT6，該處理器為ARM M3 內(nèi)核，其最高時鐘速度為72 MHz，內(nèi)部集成的FLASH 存儲器空間大小為256 kB，RAM 存儲空間大小為48 kB，配置多種串行通信接口，包括CAN、I2C、SPI、UART 等串行接口，配有豐富的I/O 接口，能夠很好地滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需求[10]。

3.2 RFID讀寫模塊

RFID 讀寫模塊的性能主要受其工作頻率、通信協(xié)議及編碼方式等因素的影響，為了提高讀寫器的通用性和高效性，選用RC632 芯片作為RFID 讀寫模塊的處理器，該芯片的工作頻率為13.56 MHz，具備多種高頻通信協(xié)議，包括射頻前端和基帶處理兩個部分[11]。其中，射頻前端通過變頻和功率放大處理，對基帶信號處理后，將其發(fā)射到電子標簽。電子標簽接收到基頻信號后反饋返回信號，射頻前端接收到返回信號后，首先對信號進行放大、濾波、變頻等處理，然后將處理后的信號轉發(fā)至基帶處理模塊中，完成對電子標簽的讀寫。

3.3 通信接口設計

RFID 讀寫系統(tǒng)中主要涉及的通信接口包括串行接口、USB 接口和無線通信接口。串行接口主要是完成PC 終端與讀寫器之間的通信，由于讀寫器中的微型處理器接口電平為TTL 標準，無法與PC 終端直接進行通信，系統(tǒng)選用MAX232 芯片實現(xiàn)電平轉換，發(fā)送端口選用T1IN 端口，接收端口選用R1OUT端口，通過標準DB9 連接器與PC 終端連接，分別對接COM端的RXD 和TXD端口[12]。USB選用2.0 標準，通過控制USBDM 和USBDP 端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，無線通信模塊采用UART 串口進行控制。

4 ZigBee無線模塊設計

ZigBee 技術屬于一種近距離、高密度、低成本的無線傳輸技術，具有低功耗、低成本、高靈活性的優(yōu)勢，比較適用于大規(guī)模的物流管理場合。系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器和通信節(jié)點均采用結構相同的ZigBee 模塊，ZigBee 模塊的硬件電路如圖5 所示，主要包括CC2530 通信模塊、匹配電路、發(fā)射天線、串口接口及電源時鐘等部分。ZigBee 模塊的主控處理芯片為CC2530，該芯片工作頻率范圍為2.4～2.48 GHz，最大有效傳輸距離達到1 600 m，具有較低的誤碼率，利用匹配濾波器實現(xiàn)對雜諧波的抑制和濾除，采用RS232 標準通信協(xié)議接口，數(shù)據(jù)傳輸波特率選為9 600 bit/s。ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)議中包括3 種網(wǎng)絡拓撲結構，分別為星型網(wǎng)絡、樹形網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡。不同網(wǎng)絡結構的成本、速度及功能存在一定的差異，結合倉庫物流管理環(huán)境的特點，選取網(wǎng)狀網(wǎng)絡進行ZigBee網(wǎng)絡的組建。

圖5 ZigBee模塊硬件電路

5 系統(tǒng)軟件設計

RFID 識別系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是基于ZigBee 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)絡，該物聯(lián)網(wǎng)絡的程序設計采用ZigBee 2006 協(xié)議棧標準[14-15]，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點程序主流程如圖6 所示。由圖可知，系統(tǒng)工作時首先進行新的物流網(wǎng)絡構建，對網(wǎng)絡進行默認參數(shù)的配置，然后等待或監(jiān)聽工作，對接收到的無線信號進行判斷。當未接收到有效控制信號時，判斷是否有新的節(jié)點加入或斷開網(wǎng)絡；當收到有效控制信號時，則信號轉發(fā)至終端節(jié)點，進行對應的識別工作。數(shù)據(jù)傳輸模式選擇主從模式，將連接網(wǎng)絡的節(jié)點作為主節(jié)點，其他的節(jié)點當作從節(jié)點。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點程序主流程

RFID 讀寫器采用嵌入式程序開發(fā)，主要包括API 函數(shù)和電子標簽讀寫兩部分。API 函數(shù)主要負責完成系統(tǒng)參數(shù)配置、存儲器讀寫、串口通信等基礎功能[16]。利用串口通信實現(xiàn)ZigBee 模塊對RFID 讀寫器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)設定的初始化參數(shù)對其端口、數(shù)據(jù)有效位、波特率等參數(shù)進行設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。電子標簽讀寫程序按照RFID 接口協(xié)議，實現(xiàn)對電子標簽的數(shù)據(jù)讀寫。

6 實驗測試

6.1 系統(tǒng)識別準確率測試

為驗證該識別系統(tǒng)的有效性，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)識別系統(tǒng)進行實驗對比。兩套系統(tǒng)采用相同型號（CC2530）的處理器芯片，存儲容量均配置為8 GB，該文系統(tǒng)與傳統(tǒng)識別系統(tǒng)同時對電子標簽進行識別，統(tǒng)計兩者的識別準確率。在相同測試條件下，分成10 組進行測試，每組取100 個電子標簽，每次取5個標簽進行同時識別。該文提出的電子識別系統(tǒng)和傳統(tǒng)識別系統(tǒng)的統(tǒng)計結果如圖7 所示。對比識別結果曲線，可以明顯看出與傳統(tǒng)識別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)識別準確率明顯更高，傳統(tǒng)多卡識別系統(tǒng)的平均準確率在72%左右，該系統(tǒng)平均識別準確率達到93%左右，識別效果明顯更優(yōu)。

圖7 識別統(tǒng)計結果

6.2 防碰撞算法效率仿真

為了驗證Q值的取值對識別效率的影響，在Matlab 軟件中對Aloha 算法進行仿真，驗證Q值分別取4、5、6、7、8時，其識別效率隨幀間隙中標簽數(shù)量變化的特性，幀間的時間間隙取Q值的指數(shù)（即2Q）。仿真結果如圖8 所示。由仿真結果可知，幀間隙中存在的標簽數(shù)量不同時，其讀取識別效率也不同，且隨著標簽數(shù)量的增加，識別效率會發(fā)生急劇下降。當幀間隙中存在的標簽數(shù)量與Q值基本相等時，其識別效率接近峰值，驗證了利用基于Q值的動態(tài)Aloha 防碰撞算法，對Q值實時調(diào)整，保持幀間的時間間隙接近標簽數(shù)量，從而保證識別效率一直接近最大識別效率。

圖8 不同Q值下的識別效率變化曲線

7 結論

RFID 電子識別技術在物流領域得到越來越深入的應用，為了提高電子標簽的識別精度和效率，文中利用RFID 識別技術，結合無線物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡，搭建了一套改進型的多卡識別系統(tǒng)，并利用動態(tài)Aloha 防碰撞算法提高多卡識別效率，通過優(yōu)化網(wǎng)絡結構和讀卡器布局，減少電子標簽識別過程中的信號干擾，同時通過節(jié)能電路設計，降低系統(tǒng)功耗和成本，測試結果表明其識別準確率和識別效率得到明顯提升。