基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聲表面波無線標(biāo)簽接收方法

孫杰林，趙俊棟

（威海北洋光電信息技術(shù)股份公司，山東 威海 264209）

0 引 言

聲表面波無線標(biāo)簽接收采用表面波器件作為無線射頻標(biāo)簽，是射頻識別探測技術(shù)的分類之一。聲表面波無線標(biāo)簽主要分為射頻標(biāo)簽和無芯片標(biāo)簽兩種。根據(jù)表面波器件是否加裝電池，又可以將射頻標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽以及半無源標(biāo)簽三種類型。無線標(biāo)簽的作用是存儲聲表面波相關(guān)信息，是由聲表面波無線傳感器根據(jù)反射信號自動生成的。近幾年，聲表面波無線傳感技術(shù)快速發(fā)展，聲表面波傳感器由于具有靈敏度高、精度高、效率高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域。而標(biāo)簽接收作為聲表面波傳感器數(shù)據(jù)采集過程中的一個重要流程，其接收精度直接關(guān)系到聲表面波傳感器的數(shù)據(jù)采集精度，因此無線標(biāo)簽接收在聲表面波無線傳感中起到至關(guān)重要的作用。國內(nèi)聲表面波無線標(biāo)簽接收的研究起步比較晚，該方面的技術(shù)與理論還不夠成熟，現(xiàn)有的接收方法主要為基于人工智能的接收方法。該方法主要采用人工智能技術(shù)對聲表面波無線標(biāo)簽進行深度挖掘，通過迭代計算識別到無線標(biāo)簽。由于計算過程比較復(fù)雜、計算量較大，很容易出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)漏收、錯收現(xiàn)象，無線標(biāo)簽接收率較低，已經(jīng)無法滿足實際需求。為此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聲表面波無線標(biāo)簽接收方法設(shè)計。

1 聲表面波無線標(biāo)簽接收方法設(shè)計

1.1 無線標(biāo)簽識別

標(biāo)簽識別是聲表面波無線標(biāo)簽接收的首要步驟。為了保證無線標(biāo)簽的接收精度，需要在接收前確定聲表面波射頻范圍內(nèi)存在的無線標(biāo)簽的數(shù)量，識別目標(biāo)標(biāo)簽。正常情況下，無線標(biāo)簽相關(guān)信息主要賦存于標(biāo)簽發(fā)射端I、Q 兩路信號和包絡(luò)信號中。由于包絡(luò)信號與信號發(fā)射距離具有正相關(guān)關(guān)系，即隨著聲表面波傳播距離的增加，包絡(luò)信號會逐漸衰弱，該信號不利于獲取。而I、Q 兩路信號卻不存在該關(guān)系，信號的強弱不會隨著聲表面波傳播距離的增加而變化，因此選擇I、Q 兩路信號作為聲表面波無線信號識別數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。聲表面波無線標(biāo)簽是否存在，可以從I、Q 兩路信號的幅度看出。當(dāng)聲表面波射頻范圍內(nèi)存在無線標(biāo)簽時，I、Q 兩路信號在部分時域上存在連續(xù)的波峰，波峰數(shù)量通常在3 個或3 個以上，波峰是射頻信號發(fā)射端發(fā)出的高頻脈沖激勵信號。因此可以根據(jù)該特征判斷聲表面波射頻范圍內(nèi)是否存在無線標(biāo)簽。

判斷有效識別范圍內(nèi)存在無線標(biāo)簽后，利用動態(tài)幀時隙算法對無線標(biāo)簽的數(shù)量進行估算。無線標(biāo)簽識別通過閱讀器實現(xiàn)。假設(shè)聲表面波無線標(biāo)簽發(fā)射端在發(fā)射周期內(nèi)發(fā)射了N個無線標(biāo)簽，閱讀器初始幀長為h。閱讀器接收到標(biāo)簽識別指令后，隨機選擇一個時隙號，將其作為識別結(jié)果恢復(fù)的工作時隙，將閱讀器的工作時隙設(shè)定為空閑時隙、成功時隙及碰撞時隙三種。其中，空閑時隙表示在識別范圍內(nèi)沒有聲表面波無線標(biāo)簽；成功時隙表示在識別范圍內(nèi)僅存在一個聲表面波無線標(biāo)簽，即I、Q兩路信號在時間域上僅表現(xiàn)出一組連續(xù)的波峰，其余為回波噪聲；碰撞時隙表示存在兩個或者兩個以上的無線標(biāo)簽。利用最小值估算法計算當(dāng)前無線標(biāo)簽數(shù)量下限值，其計算公式為：

式中：Nmin表示當(dāng)前無線標(biāo)簽數(shù)量下限值，S表示一幀中成功時隙的數(shù)量，C表示一幀中碰撞時隙的數(shù)量[2]。再根據(jù)一幀中碰撞概率計算出無線標(biāo)簽總數(shù)，其計算公式為：

式中：E表示一幀中碰撞時隙的數(shù)學(xué)期望值，Cq表示碰撞概率，L表示幀長[3]。利用上述公式計算出識別范圍內(nèi)聲表面波無線標(biāo)簽數(shù)量，以此完成無線標(biāo)簽識別。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線標(biāo)簽定位及接收

根據(jù)閱讀器識別結(jié)果，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對識別到的無線標(biāo)簽進行定位和接收。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實際是物與物、物與網(wǎng)關(guān)聯(lián)，形成一個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為信號傳輸搭建橋梁。聲表面波無線標(biāo)簽接收涉及到標(biāo)簽發(fā)射端、閱讀器、放大器、定位器以及標(biāo)簽接收端，無線標(biāo)簽接收是在各個單元與設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計接收通信網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)采用IEEE1514.62.4 協(xié)議棧，為各個單元與設(shè)備之間的通信提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括傳輸控制協(xié)議、因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議、局域網(wǎng)協(xié)議等，并為每個通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)定了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口[4]。通過網(wǎng)絡(luò)接口將標(biāo)簽發(fā)射端、閱讀器、放大器、定位器、標(biāo)簽接收端連接，建立通信關(guān)系。閱讀器將時隙信號發(fā)送給定位器，由定位器對無線標(biāo)簽進行定位。正常情況下，標(biāo)簽接收端在無線網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生無線脈沖信號，信號接觸到聲表面波標(biāo)簽后會形成無線激勵信號。由于聲表面波傳播的速度要比無線脈沖信號傳播速度低3～4 個數(shù)量級，射頻的無線標(biāo)簽可以被存儲在聲表面波器件中，經(jīng)過時延，標(biāo)簽接收端會接收到被聲表面波無線標(biāo)簽的反射柵反射回來的編碼信息，根據(jù)聲表面波無線標(biāo)簽的編碼方式，對無線標(biāo)簽進行解碼，從而接收到無線標(biāo)簽[5]。實現(xiàn)這一過程，標(biāo)簽接收端需要根據(jù)脈沖時延確定無線標(biāo)簽所在位槽位置，利用最大相關(guān)法計算出脈沖時延，其計算公式為：

式中：x表示在前一時刻已對準(zhǔn)回波的脈沖信號，x2表示此時待對準(zhǔn)回波的脈沖信號，ε表示聲表面波發(fā)射周期，t表示脈沖信號接觸到聲表面波無線標(biāo)簽后返回的時延[6]。根據(jù)計算得到的脈沖時延計算出無線標(biāo)簽所在槽位位置，其計算公式為：

式中：r(d)表示脈沖信號傳播路徑，即信號發(fā)射點與聲表面波無線標(biāo)簽之間的距離；m表示回波序號，n表示距離門序號。

定位器利用上述公式對聲表面波無線標(biāo)簽定位后，經(jīng)過搭建的網(wǎng)關(guān)，選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將信息發(fā)送給標(biāo)簽接收端[7]。標(biāo)簽接收端向放大器發(fā)送信號放大指令，由信號放大器對信號放大處理，并經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)基站的同步信號后，對聲表面波無線標(biāo)簽進行接收。碼字接收數(shù)據(jù)幀格式如圖1 所示。

如圖1 所示，標(biāo)簽接收端接收標(biāo)簽字碼的字節(jié)為0x21，將聲表面波無線標(biāo)簽存放在Data 中，其中包括碼字類型、碼字?jǐn)?shù)據(jù)。將接收到的聲表面波無線標(biāo)簽編碼，按照其編碼生成方式對其進行解碼，從而接收到聲表面波無線標(biāo)簽。

2 實驗論證分析

實驗以7 000 個聲表面波無線標(biāo)簽為實驗對象，無線標(biāo)簽所在槽位序號為A、B、C、D、E、F、G、H，利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對其進行接收。實驗準(zhǔn)備了一臺信號發(fā)射器、一臺閱讀器、一臺定位器、一臺信號放大器以及一臺無線標(biāo)簽接收機。由信號發(fā)射器發(fā)射脈沖信號，發(fā)射頻率設(shè)定為 0.15 Hz，信號發(fā)射周期設(shè)定為0.5 s，共發(fā)射10 000個脈沖信號。按照上文接收流程對信號進行處理和分析，對聲表面波無線標(biāo)簽進行識別、定位和接收，具體接收情況如表1 所示。

實驗以接收率作為檢驗兩種方法接收效果的唯一指標(biāo)。在實驗中，記錄兩種方法接收到聲表面波無線標(biāo)簽的數(shù)量，將其與實際情況對比，計算出聲表面波無線標(biāo)簽數(shù)量為1 000 個、2 000 個、3 000 個、4 000 個、5 000 個、6 000 個、7 000 個時，兩種方法的標(biāo)簽接收率，并使用電子表格對數(shù)據(jù)進行記錄，具體結(jié)果如表2 所示。

通過對表2 中的數(shù)據(jù)進行分析可以得出以下結(jié)論：應(yīng)用本文設(shè)計方法，聲表面波無線標(biāo)簽接收率平均值為98.68%，最高接收率為99.97%，說明基本可以實現(xiàn)對聲表面波無線標(biāo)簽全部接收；而應(yīng)用傳統(tǒng)方法，聲表面波無線標(biāo)簽接收率最高僅為68.46%，平均接收率為59.67%，遠遠低于本文設(shè)計方法。因此，實驗結(jié)果證明了，本文設(shè)計方法的聲表面波無線標(biāo)簽接收效果比傳統(tǒng)方法更好，本次提出的聲表面波無線標(biāo)簽接收思路具有良好的可行性與可靠性。

表2 兩種方法應(yīng)用下聲表面波無線標(biāo)簽接收率對比

3 結(jié) 語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到聲表面波無線標(biāo)簽接收中，提出一種新的無線標(biāo)簽接收方法，并通過實驗論證了該方法的可行性與可靠性，有效提高了聲表面波無線標(biāo)簽接收率。此次研究有助于提高聲表面波無線標(biāo)簽接收技術(shù)水平，同時還有助于豐富該方法的研究理論，具有重要的現(xiàn)實意義。但是由于提出的方法尚未在實際中進行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之處，今后仍會對該課題進行研究，為聲表面波無線標(biāo)簽接收提供有力的理論支撐。