RFID標(biāo)簽算法在船舶物資管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

閻慧杰　王雅君　尹章軒

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及通信技術(shù)的大力發(fā)展，基于RFID技術(shù)的船舶物資管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為船舶行業(yè)提高自身競(jìng)爭(zhēng)力與企業(yè)管理效率必不可少的手段。RFID技術(shù)（無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別）是物聯(lián)網(wǎng)四大技術(shù)之一，經(jīng)過(guò)射頻耦合信號(hào)的激勵(lì)對(duì)待識(shí)別電子標(biāo)簽內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)做出識(shí)別、讀取以及存儲(chǔ)等一系列反應(yīng)，對(duì)于船舶物資管理具有顯著作用。本文對(duì)RFID技術(shù)在船舶物資管理系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用研究，分析RFID技術(shù)中涉及的防碰撞算法及改進(jìn)，做出算法仿真，從而提高數(shù)據(jù)信息吞吐率，以及后續(xù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；防碰撞ALOHA算法；改進(jìn)算法；物資管理系統(tǒng)；.NET平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）29-0245-04

隨著無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、大規(guī)模集成電路以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了一種高速、實(shí)時(shí)、信息量大的數(shù)據(jù)信息采集處理技術(shù)，即無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)RFID（Radio Frequency Idenfifi-cation）。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)四大技術(shù)之一，已被公認(rèn)為影響21世紀(jì)十大重要技術(shù)其中之一，因此RFID技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的運(yùn)用勢(shì)在必行。

RFID技術(shù)是一種遠(yuǎn)距離非接觸式、高效以及自動(dòng)化的識(shí)別技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信息量大、識(shí)別準(zhǔn)確率高、識(shí)別距離遠(yuǎn)、使用壽命長(zhǎng)、可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因而，近年來(lái)RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造與生產(chǎn)管理、產(chǎn)品物流、公共安全管理、軍事管理、衛(wèi)生醫(yī)療事業(yè)、交通運(yùn)輸、服務(wù)行業(yè)等有關(guān)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)物流運(yùn)輸管理、產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理、人事設(shè)備管理、生產(chǎn)控制管理等方方面面發(fā)揮了重要的作用。RFID技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化、提高整體管理水平、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)國(guó)際化的競(jìng)爭(zhēng)力必不可少的有力工具。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的影響與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，RFID技術(shù)的普及式的運(yùn)用已經(jīng)成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。

1RFID技術(shù)工作原理及特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

1.1RFID技術(shù)組件

在船舶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，其中RFID技術(shù)所涉及的組件有標(biāo)簽讀寫(xiě)器、物資電子標(biāo)簽和通信網(wǎng)絡(luò)等部分，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽是RFID技術(shù)中攜帶物資數(shù)據(jù)信息的電磁器件，主要由電磁耦合天線(xiàn)、內(nèi)置芯片構(gòu)成，任意一個(gè)電子標(biāo)簽都由唯一的標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行標(biāo)識(shí)確定。根據(jù)分類(lèi)的不同，電子標(biāo)簽的種類(lèi)多式多樣。具體分類(lèi)見(jiàn)圖1所示。

2）讀寫(xiě)器

標(biāo)簽讀寫(xiě)器主要是通過(guò)射頻器激勵(lì)發(fā)射出的短波與電子標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線(xiàn)磁場(chǎng)耦合，以此進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的傳送、存儲(chǔ)、控制，從電子標(biāo)簽中的讀取到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的其他相關(guān)設(shè)備。

3）通信網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)）

該部分是用于將標(biāo)簽讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽以與船舶物資管理系統(tǒng)當(dāng)中的其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信連接。從而對(duì)物資信息進(jìn)行管理，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)做出控制。

涉及RFID技術(shù)組件大致框架圖2所示。

1.2RFID技術(shù)的工作原理

射頻識(shí)別系統(tǒng)是根據(jù)無(wú)線(xiàn)電感耦合原理進(jìn)行工作以及功能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到標(biāo)簽讀卡器輻射范圍中時(shí)，標(biāo)簽中的耦合天線(xiàn)受到激勵(lì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，以此電子標(biāo)簽受到激發(fā)并向標(biāo)簽讀卡器發(fā)送自帶序列編碼或一定頻率的信號(hào)等信息，標(biāo)簽讀卡器接收到來(lái)自電子標(biāo)簽的載波信號(hào)，將接收過(guò)來(lái)的信號(hào)解調(diào)后，傳遞給計(jì)算機(jī)控制終端進(jìn)行處理，終端根據(jù)邏輯運(yùn)算判定該電子標(biāo)簽是否合法，對(duì)不同情形進(jìn)行操作控制以及發(fā)送指令等處理。電子標(biāo)簽中攜帶的數(shù)據(jù)被解調(diào)后發(fā)送至控制邏輯，從而接收指令進(jìn)行從數(shù)據(jù)傳送、存儲(chǔ)等其他操作。大致的工作原理見(jiàn)圖3所示。

2RFID系統(tǒng)應(yīng)用的防碰撞算法

2.1防碰撞算法分類(lèi)

在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)中，標(biāo)簽讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間的信息干擾（即標(biāo)簽碰撞）是一直存在的技術(shù)問(wèn)題，與此同時(shí)，科研學(xué)者也對(duì)應(yīng)地研討出解決該問(wèn)題的各種方法?；旧戏譃樗姆N方法，具體關(guān)于RWD防碰撞算法的大致分類(lèi)如圖4所示：

2.2改進(jìn)的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法

RFID讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽通過(guò)射頻耦合構(gòu)建數(shù)據(jù)連接時(shí)，讀寫(xiě)器并不能完全清楚所要處理的標(biāo)簽總數(shù)，因而將產(chǎn)生時(shí)隙浪費(fèi)、標(biāo)簽碰撞等不良情況。而動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙（Dvnamic FSA，DF-SA）算法依據(jù)所需識(shí)別標(biāo)簽的數(shù)目和產(chǎn)生碰撞的時(shí)隙數(shù)對(duì)幀長(zhǎng)度做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，一定程度上克服了幀時(shí)隙算法與純ALOHA算法的不足。如果所需識(shí)別標(biāo)簽數(shù)大于時(shí)隙數(shù)，經(jīng)過(guò)加大幀長(zhǎng)度來(lái)有效降低碰撞；如果所需識(shí)別標(biāo)簽數(shù)小于時(shí)隙數(shù)，可通過(guò)縮小幀長(zhǎng)度，以此盡量減除多余的時(shí)隙浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法可以極大地提高電子標(biāo)簽識(shí)別率，出于對(duì)設(shè)備條件的考慮，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)一直加大幀長(zhǎng)度（一般情況下，幀長(zhǎng)度的最大值N_max=256）。因而如果所需識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目過(guò)多時(shí)，幀長(zhǎng)度會(huì)增加很多，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的工作負(fù)荷。經(jīng)過(guò)對(duì)常規(guī)DFSA算法（原理示意圖見(jiàn)圖5所示）進(jìn)行研究，針對(duì)RFID技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，處理識(shí)別標(biāo)簽碰撞的首要問(wèn)題在于確定所需識(shí)別標(biāo)簽數(shù)的總數(shù)和幀長(zhǎng)度的取定，按照電子標(biāo)簽數(shù)目設(shè)定恰當(dāng)?shù)膸L(zhǎng)度值，從而使系統(tǒng)得到最大信息吞吐率，實(shí)現(xiàn)識(shí)別過(guò)程的靈活調(diào)節(jié)。

標(biāo)簽讀寫(xiě)器通過(guò)某一初始的幀長(zhǎng)度發(fā)出請(qǐng)求指令，以已識(shí)別標(biāo)簽數(shù)推斷標(biāo)簽總數(shù)，按照電子標(biāo)簽總數(shù)實(shí)時(shí)地對(duì)幀長(zhǎng)度值做出調(diào)整。假設(shè)所需識(shí)別電子標(biāo)簽數(shù)目小于時(shí)隙數(shù)則縮小幀長(zhǎng)度，若大于時(shí)隙數(shù)，則加大幀長(zhǎng)度。

改進(jìn)后的算法：

取定幀長(zhǎng)度值為Ⅳ，最大幀長(zhǎng)度為N_max且N_max=256，假設(shè)需要識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)為k，只有一個(gè)標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)計(jì)為o₁，無(wú)標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)計(jì)為o₀，出現(xiàn)標(biāo)簽碰撞的時(shí)隙數(shù)計(jì)為o_i。

如果假定標(biāo)簽讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍之內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)目固定不變，則依據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)原理，每一個(gè)標(biāo)簽都應(yīng)當(dāng)服從同樣的統(tǒng)計(jì)原理以及規(guī)律。任一標(biāo)簽都將以相同的概率（即1/N）隨機(jī)選取某一幀中某一時(shí)隙所傳送的數(shù)據(jù)信息，那么對(duì)于某一時(shí)隙出現(xiàn)m個(gè)標(biāo)簽服從數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)二項(xiàng)分布，即式（1）所示：

（1）

根據(jù)二項(xiàng)分布的概率即（1）式以及期望公式，可以得到o₁、o₀、o_i對(duì)應(yīng)的期望值，

（2）

（3）

（4）

在RFID標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程中，系統(tǒng)定義的標(biāo)簽吞吐率為P（即有效識(shí)別標(biāo)簽數(shù)與幀長(zhǎng)的比值），如式（5）所示：

（5）

將幀長(zhǎng)度值Ⅳ設(shè)為定值，然后對(duì)式（5）進(jìn)行求導(dǎo)，并將導(dǎo)數(shù)值設(shè)為0，即可獲得在最大標(biāo)簽吞吐率情況下的標(biāo)簽數(shù)目。

（6）

通過(guò)化簡(jiǎn)（6）式，獲得標(biāo)簽數(shù)目k與幀長(zhǎng)N的關(guān)系，最后得到（7）式。

通過(guò)對(duì)上面公式的推導(dǎo)，可知，當(dāng)被識(shí)別電子標(biāo)簽數(shù)目與幀長(zhǎng)度值近乎相等時(shí)，整個(gè)識(shí)別過(guò)程可以獲得最大吞吐率P_max，且P_max大致為37%。

3算法仿真

本文運(yùn)用了Matlab R2014a數(shù)學(xué)分析軟件平臺(tái)做出了仿真操作，統(tǒng)計(jì)出被識(shí)別標(biāo)簽數(shù)k在取不同值時(shí)的信息吞吐率，考慮到物資管理過(guò)程中數(shù)據(jù)量龐大，因而本次實(shí)驗(yàn)選取了標(biāo)簽數(shù)k的取值范圍在0-2000。由數(shù)據(jù)仿真結(jié)果如圖6、7可知，對(duì)識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目的最大幀長(zhǎng)度值N的取值在256時(shí)，改進(jìn)后的DFSA算法與常規(guī)的DFSA算法系統(tǒng)吞吐率接近一致，最大可接近37%的標(biāo)簽吞吐率，考慮到識(shí)別標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大幀長(zhǎng)度（N=256）后，做出改進(jìn)后的算法仍然可將系統(tǒng)保持在接近35%的信息吞吐率上下輕微波動(dòng)，通常的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法工作效率出現(xiàn)迅速下滑。因而，改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙（DFSA）算法對(duì)于物資管理系統(tǒng)中的標(biāo)簽識(shí)別的性能有較大的提高，效率增大，有較好的持續(xù)性。

4船舶物資管理應(yīng)用功能分析

4.1結(jié)構(gòu)框架分析

依據(jù)上述RFID技術(shù)特點(diǎn)與電子標(biāo)簽算法的應(yīng)用與改進(jìn)，結(jié)合船舶物資管理的需求，導(dǎo)出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)局域網(wǎng)運(yùn)用光纖組網(wǎng)作為主要通信線(xiàn)路，通過(guò)光纖連接到相關(guān)業(yè)務(wù)管理中心以及物資貨倉(cāng)內(nèi)部的客戶(hù)端與固定式掃碼設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)手持式閱讀設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)WIFI網(wǎng)絡(luò)端口連接到網(wǎng)絡(luò)中。將RFID電子標(biāo)簽直接粘貼在船舶物資的外部，應(yīng)用標(biāo)簽讀寫(xiě)器發(fā)出的無(wú)線(xiàn)短波進(jìn)行激勵(lì)從而產(chǎn)生信號(hào)耦合。在對(duì)物資進(jìn)行庫(kù)存管理時(shí)，電子標(biāo)簽中所包含的數(shù)據(jù)信息被手持機(jī)或固定式讀寫(xiě)器進(jìn)行采集、識(shí)別以及存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)處理，通過(guò)系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給管

理客戶(hù)端，將傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)處理。針對(duì)各自客戶(hù)端發(fā)送出去的請(qǐng)求由通信服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及web服務(wù)器進(jìn)行處理，做出對(duì)應(yīng)的回應(yīng)。在整個(gè)操作框架當(dāng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器對(duì)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與存儲(chǔ)，連接對(duì)應(yīng)的接口通道，以便業(yè)務(wù)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、增添、刪除和編輯等數(shù)據(jù)的高效操作。

4.2船舶物資管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了.NET平臺(tái)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中以C#作為主要的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)工具用到Visual Studio 2012，系統(tǒng)所應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2008。通過(guò)對(duì)RFID技術(shù)的應(yīng)用，整合得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化軟件設(shè)計(jì)，更高效便捷地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于船舶物資的高效管理，操作簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。具體的船舶物資管理系統(tǒng)功能界面設(shè)計(jì)如圖9所示。

5結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于應(yīng)用到RFID技術(shù)的船舶物資管理，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：1）提升船舶企業(yè)的生產(chǎn)管理效率，提高了貨物物資吞吐率；2）高效地實(shí)現(xiàn)了船舶物資實(shí)時(shí)管理；3）很大程度上節(jié)約了人力成本，有益企業(yè)高效運(yùn)行；41實(shí)現(xiàn)物資動(dòng)態(tài)跟蹤，物資信息處理自動(dòng)化、智能化。

本文針對(duì)船舶物資管理系統(tǒng)中的應(yīng)用到的RFID技術(shù)進(jìn)行了描述，對(duì)其中涉及的算法做出描述，將系統(tǒng)運(yùn)用到的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法做出了改進(jìn)及仿真。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流的處理，給出了船舶物資管理系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)于實(shí)現(xiàn)船舶行業(yè)企業(yè)信息化做出進(jìn)一步發(fā)展。