新型Aloha算法在智能电梯门禁系统中的应用

吴房胜，徐金秀，李如平，吴宝胜（.安徽工商职业学院电子信息系，安徽合肥33；.安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥30088）

新型Aloha算法在智能电梯门禁系统中的应用

吴房胜1，徐金秀1，李如平1，吴宝胜2
（1.安徽工商职业学院电子信息系，安徽合肥231131；2.安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥230088）

目前绝大多数电梯功能过于简单，尤其在大酒店中，旅客流动性较大，任何人都能够控制电梯进入相应的楼层，住宿人员的安全性大大降低.针对此问题，设计了一款智能电梯门禁系统，将无线射频技术与PLC技术相结合，并提出了一种新的算法——碰撞则丢弃的Aloha算法，解决了多人同时使用读卡器而产生标签冲突的问题，每位乘客只有通过先刷卡才能进入相应楼层，大大提高了旅客住宿的安全性.

智能电梯；Aloha算法；射频识别

Wu FS,Xu JX,LiRP,etal.The Application ofNew Aloha Algorithm in IntelligentElevator AccessControl System[J].Journalof Yibin University,2015,15（6）：48-52.

随着社会进步的脚步加快，高层楼房的数量日益增长，电梯的使用也随之越来越广泛.电梯已成为人们生活中不可缺少的一部分，人们对电梯门禁的要求越来越高，电梯门禁系统的智能化也越来越高.该系统结合智能控制、门禁控制等众多现代化制造技术，并结合射频识别技术，对用户身份进行确认，控制与管理外来人员的乘梯问题，目前已广泛应用到酒店宾馆、智能建筑等领域，对人类人身财产安全做出了重大的贡献[1].

1　系统概述及算法研究

1.1系统概述

系统主要由射频卡模块、读卡器模块、PLC控制模块、触摸屏模块四部分组成，其构成如图1所示[2].PLC控制模块以三菱FX2N系列PLC作为主控器件，结合RFID技术，设计出读卡器与主控器件PLC的串口通讯，并利用RS232串行口将读卡器上识别的信息发送给PLC，判断是否具有权限：如有权限，即可控制电梯楼层选择与呼叫功能；没有权限的人员则不能控制电梯，也不能使用呼叫功能，从而实现门禁的作用，提高住宿安全性.但如遇有人拜访、忘带射频卡或射频卡损坏等特殊情况，本系统同时设计了一款通过触摸屏输入密码的方法，进而控制电梯[3].

图1　电梯门禁系统构成图

系统完成以下功能[4]：

（1）射频卡权限的设定．乘客将射频卡贴近电梯读卡器上，系统自动判断射频卡的权限，自动识别卡内信息并自动选择乘客所要到达的层数，如果用户未被授权，则不能呼叫与操纵电梯，从而实现电梯门禁的智能控制.

（2）临时密码的设定．如果射频卡丢失，或者有来访者需要乘用电梯，采用输入密码控制电梯，在电梯口安装一个西门子smart700 IE系列触摸屏，进行密码输入，如密码正确，则可控制电梯，该密码是由管理员设定的一次性临时密码.

（3）IC卡级别的设定．按照不同级别的需要，将射频卡设定为管理员卡、普通人员卡和临时用户卡，卡片种类不同，其授予的权限也不同[5].

1.2Aloha防冲突算法

当系统运行时，如果在电梯读卡器有效信号覆盖范围内同时出现多位乘客刷卡使用电梯，则射频卡会同时向电梯读卡器发出信号，射频卡与读卡器之间的数据传输将受到干扰，读卡器无法识别正确的卡片，从而出现冲突.因此，为了快速准确判断多个射频卡片，卡片之间的防冲突技术显得尤为重要.

为了预防碰撞以及发生碰撞后如何处理，研究人员提出了很多非常实用的解决方法.常用的防止碰撞方法有：时分多路法（Time Division Multiple Ac⁃cess）、空分多路法（Space Division Multiple Access）、频分多路法（Frequency Division Multiple Access）以及码分多路法（Code Division Multiple Access）等.目前使用最广泛的是时分多路法，该方法主要有两种控制方式：标签控制与读卡器控制.其中，标签控制成本低，应用十分广泛，并且其有Aloha算法，该算法比较简单且容易实现，本系统即采用该算法[6-7].

由于每张卡片的数据帧发送时间占重复发送时间的比例比较小，每两个数据帧之间的时间间隔会比较长，因此两张卡片的数据帧不产生碰撞具有一定的概率.

在公共信道中，一个单位时间T内，传输通路的吞吐率S与平均发送的数据帧数G的运算公式如下所示：

式中，n为该系统的电子标签数量，Rn为单位时间T内标签n发出的数据帧数.

按照式1与式2，如果G=0.5，根据指数关系计算得出S的最大值为18.4％，则有81.6％的数据通道为空闲状态，但该算法完成防止碰撞的效率代价非常高.正因如此，Aloha算法比较简易，而且对于电子标签数量不固定的情况非常适合，该算法作为这种防碰撞法，非常适合电子标签系统[8].

Aloha算法模型如图2所示，模型采用了四张标签卡，模拟展示了部分冲突和全部冲突的现象.该算法是标签先发出信号给阅读器，阅读器在其识别区内一旦接收到电子标签信号，电子标签内部携带的ID号就会自动发送给读写器，实现标签与阅读器之间的数据传输.当其中一个电子标签正在传送数据时，一旦有其他电子标签也进入识别范围，并且自动发送数据给阅读器，那么就会出现数据信号的重叠，产生如图2所示的完全冲突或部分冲突的现象.为解决此问题，需要由阅读器自动检测接收到的信号是否产生冲突，如果检测到有冲突，阅读器会发送一个命令，控制电子标签暂停发送数据，经过设定的一个等待时间后，电子标签被再次重新激活，并发送ID号，从而避免冲突的发生[9-10].

图2　Aloha算法模型图

根据前面计算，一般的Aloha算法的数据吞吐率只达到18.4％，因此提出一种新型的Aloha算法——时隙Aloha算法，即在普通的Aloha算法的基础上，将时间分隔为n个离散的大小相同的时隙，标签只有在每个时隙的交界处才可以发送信息.这时，电子标签要么发送成功，要么完全冲突，只有这两种情况出现，间隔时间由T=2τ减小为T=τ，使原来一般的Aloha算法产生冲突的时间大大缩短[11-12].

在公式S=Ge-G中，当G=1时，S=1/e，则可算出吞吐率S=36.8％，为该函数的最大值.通过计算得知，时隙Aloha算法的吞吐率比Aloha算法的吞吐率要高出一倍，该算法是一种随机的、读卡器同步控制的时分多路防碰撞算法.

该新型的时隙Aloha算法计算简单，在电子标签数目不定的前提下非常实用.但是通过计算发现，时隙Aloha算法的通道利用率不到40％，其利用率过低，另外，该算法对电子标签硬件的要求比较特殊，必须要求电子标签需读卡器的同步控制[13].

针对上述问题，提出了一种新的处理方案，即碰撞则丢弃的Aloha算法.乘客一般对读卡器响应电子标签的时间反应要求不高，每个电子标签发送信息的时间非常短，一般为毫秒级别，所以即使时间发生碰撞，乘客一般很难发现此现象的.以电梯承载最多20人为例，电子标签阅读器安装在电梯里面的上下楼按键的面板上，空间比较狭窄，能在信号范围内同时刷卡最多只有4到6位乘客，发生碰撞的概率非常小.假设同时刷卡人数num=5，每次碰撞发生延迟时间t=1 s，则总时间T=num×t=5 s.在当今的电梯控制系统中，用户基本上感知不到5 s的识别延迟.而且，在系统控制中，对信息的处理均由逻辑芯片进行控制.逻辑芯片反应速度快，主频一般可达到125MHz，当数据处理位宽是8字节时，1 s的处理速度可达1GHz.当射频卡发出的数据请求为20个字节时，芯片处理时间只需要0.1ms.而20个字节已经是电梯乘客总数的最大值，因此出现碰撞的可能性非常小，如果将乘客数缩减为2人，可以算出出现碰撞的可能性仅有十亿分之一，如果采用时隙Aloha算法处理如此低的碰撞概率，会导致系统成本与复杂性的提高.针对此现象，本文提出了一种新的处理方案，即碰撞则丢弃的Aloha算法[14-15].

碰撞则丢弃的处理方案是在读卡器的信号输入端，感应模块一旦感应到有碰撞发生，则将目前处理的信息丢弃.待目前处理的信息丢弃后，感应模块继续感应请求信息，一旦感应到有碰撞发生则再次丢弃，而再次发生碰撞的可能性会降为原来的百万分之一倍[16]，大大降低了系统的复杂性.

此算法是在感应模块中加一个简单的碰撞检测模块，当今市场上碰撞检测的感应模块非常多，产品也很成熟，价格便宜，对系统的成本基本不产生影响，而且此检测对处理芯片的影响也微乎其微.所以，在系统中采用新型的碰撞则丢弃的Aloha算法.通过测试，在电梯中同时将5张射频卡放在感应区内，每张卡片的信息均可准确识别.

2　系统硬件设计

系统硬件主要分为读卡器模块、PLC控制模块和触摸屏模块三部分组成.PLC控制模块以三菱FX2N系列PLC作为主控器件，读卡器主要用来实现射频卡与PLC控制系统之间的通信；PLC控制模块用来对读卡器接受到的数据进行处理和验证，授权用户相应的电梯使用权限；触摸屏模块实现外来访客输入密码与PLC控制模块的通信.

读卡器模块是整个电梯门禁系统的核心器件，该模块由主控芯片与其相对应的外围电路两部分组成.主控芯片采用stc12csa32ad单片机进行控制，外围电路主要由串口通信电路、无线发送电路、射频卡读写芯片电路等组成[17].

采用芯片MFRC500实现射频卡的读写操作，主控芯片通过控制阅读器进而控制射频卡.主控芯片与射频卡阅读器之间利用芯片MFRC500完成数据的传输，射频卡利用其自身线圈，与天线模块进行LC振荡，完成与射频模块的通信.主控芯片与MF RC500芯片的硬件电路图如图3所示，MFRC500的晶振为13.56MHz，该芯片的D0～D7口与主控芯片的P0口相连，实现数据的传输；其产生中断信号引脚（IRQ）以及低电检测与复位引脚（RSTPD）分别由主控芯片的P3.2与P4.0口控制；NWR与NRD引脚分别与单片机的P3.6与P3.7口相连，实现数据读写功能；TX1、TX2引脚接外部有源天线[18].

图3　主控芯片与MFRC500芯片硬件电路图

3　系统软件设计

当乘客乘坐电梯时，只需在电梯内阅读器上直接刷卡.阅读器进行判别射频卡是否有效合法.如果同时有多位乘客刷卡，则程序调用Aloha防碰撞算法处理多位乘客刷卡冲突现象.

读卡器经初始化后，发出射频信号，不停地搜索信号覆盖区内的射频卡信号.一旦读卡器成功搜索到射频卡，即开始判断是否有冲突：如没有，直接读卡；如有冲突，出现多个电子标签信号，进行防碰撞处理，本系统会随机的挑选出其中一个电子标签信号，对其进行合法性验证，未被选中的电子标签信号则重新回到准备模式状态，直到等待下一条指令的发生.卡片被选中并验证其合法性后，对射频卡的级别进行判断，判断该卡是管理员卡、用户卡还是临时卡，根据卡的级别决定对电梯功能级别的操作，最终将数据信息传送给PLC处理器，完成电梯控制功能[19].射频卡读卡流程图如图4所示.

图4　射频卡读卡流程图

整个读卡程序中最关键的是防碰撞功能的应用.防碰撞功能的使用可以确保同一信号覆盖区内，允许多张卡同时使用，根据Aloha算法防碰撞理论，能有效读出每张卡唯一的序列号来区分其他卡.每次被选中的卡需进行合法性验证和级别判定，没被选中的卡则回到准备模式状态，等待下一条请求命令的到来.防冲突算法流程如图5所示.

图5　防冲突算法流程图

忘带卡或者来访客人乘坐电梯则需通过输入密码乘坐，本系统的密码设定界面采用触摸屏与PLC控制器进行数据传递，用户输入设定的密码，触摸屏将密码传送到PLC控制器中，PLC控制器根据输入的密码数值，判定操作权限并控制电梯.本系统选用的是西门子smart700 IE系列触摸屏，触摸屏编辑软件采用WinCC flexible standard软件.触摸屏编辑界面将触摸屏型号与三菱PLC型号进行匹配连接，连接图如图6所示：

图6　触摸屏与PLC连接图

4　结果展示

系统的硬件以 stc12csa32ad单片机以及MFRC500作为的读卡器的主控芯片和读写芯片；PLC软件编程采用GX Developer软件编写梯形图；触摸屏编辑软件采用WinCC flexible standard软件，触摸屏按键与显示设定界面如图7所示；忘带卡或者来访客人乘坐电梯，需输入密码乘坐，使用者键入密码界面如图8所示；系统软硬件调试与整体测试效果均满足要求，最终智能电梯射频识别部分实物图如图9所示.

图7　触摸屏按键显示设定界面

图8　键入密码界面

图9　实物图展示

5　结语

本文针对射频识别技术在智能电梯中的应用时出现的电子标签碰撞现象，提出了一种新的Aloha标签防碰撞算法，即碰撞则丢弃的Aloha碰撞算法，通过测试，电梯同时将5张射频卡放在感应区内，每张卡片的信息均可准确识别，使再次发生碰撞的可能性大大降低，有效解决了多人同时刷卡发送碰撞的问题，并且增加了乘客忘记带卡可通过触摸屏输入密码控制电梯的功能，使用简便，可广泛应用到酒店宾馆、高档智能小区、办公大楼等，有力地保障乘住人员的人身财产安全.

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（编校：王露）

The Application of New Aloha Algorithm in Intelligent Elevator Access Control System

WU Fangsheng1,XU Jinxiu1,LIRuping1,WU Baosheng2
（1.Electronic Information Department,AnhuiBusinessVocationalCollege,Hefei,Anhui231131,China；2.CollegeofElectronic Commu⁃nication Engineering,AnhuiXinhua University,Hefei,Anhui230088,China）

Themajority ofelevators are too simple in function,especially those in the grand hotels,where themobility of visitors is larger.Ifanyone can control the elevator and access a given floor,the security ofaccommodation willbe greatly reduced.To solve this problem,an access control system of intelligentelevatorwas designed,which combined the radio frequency technology and PLC technology.A new algorithm：the Aloha algorithm which followed the principle of discard upon collision,was proposed to solve the issue of tab conflict whenmore than one people used a card reader at the same time.Each passenger could only enter the appropriate floor by using the card first.The safety of passenger can be im⁃proved greatly.

intelligentelevator；Alohaalgorithm；RFID

TP23

A

1671-5365（2015）06-0048-05

2014-11-20修回：2014-12-17

2013年国家级大学生创新创业训练计划项目（201312216019）；安徽省厅级自然科研项目（KJ2013Z105）

吴房胜（1983-），男，讲师，硕士研究生，研究方向为智能控制技术

网络出版时间：2014-12-18 11：05网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141218.1105.001.html

引用格式：吴房胜，徐金秀，李如平，等.新型Aloha算法在智能电梯门禁系统中的应用[J].宜宾学院学报,2015,15（6）：48-52.