RFID标签算法在船舶物资管理系统中的应用

阎慧杰　王雅君　尹章轩

摘要：针对物联网技术的廣泛应用以及通信技术的大力发展，基于RFID技术的船舶物资管理系统的开发已经成为船舶行业提高自身竞争力与企业管理效率必不可少的手段。RFID技术（无线射频识别）是物联网四大技术之一，经过射频耦合信号的激励对待识别电子标签内的有关数据做出识别、读取以及存储等一系列反应，对于船舶物资管理具有显著作用。本文对RFID技术在船舶物资管理系统中进行应用研究，分析RFID技术中涉及的防碰撞算法及改进，做出算法仿真，从而提高数据信息吞吐率，以及后续对整个系统进行软件开发设计。

关键词：RFID技术；防碰撞ALOHA算法；改进算法；物资管理系统；.NET平台

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）29-0245-04

随着无线电技术、大规模集成电路以及物联网技术的发展与普遍应用，出现了一种高速、实时、信息量大的数据信息采集处理技术，即无线射频识别技术RFID（Radio Frequency Idenfifi-cation）。RFID技术是物联网四大技术之一，已被公认为影响21世纪十大重要技术其中之一，因此RFID技术在各个领域中的运用势在必行。

RFID技术是一种远距离非接触式、高效以及自动化的识别技术，具有数据存储信息量大、识别准确率高、识别距离远、使用寿命长、可适应各种恶劣环境等优点。因而，近年来RFID技术已被广泛应用于生产制造与生产管理、产品物流、公共安全管理、军事管理、卫生医疗事业、交通运输、服务行业等有关社会、经济、军事的各个领域。对物流运输管理、产品供应链管理、人事设备管理、生产控制管理等方方面面发挥了重要的作用。RFID技术已经成为企业实现企业信息化、提高整体管理水平、降低生产成本、提高企业国际化的竞争力必不可少的有力工具。随着经济全球化的影响与物联网技术的大规模应用，RFID技术的普及式的运用已经成为势不可挡的趋势。

1RFID技术工作原理及特点优势

1.1RFID技术组件

在船舶物联网技术应用系统中，其中RFID技术所涉及的组件有标签读写器、物资电子标签和通信网络等部分，具体的结构如图1所示。

1）电子标签

电子标签是RFID技术中携带物资数据信息的电磁器件，主要由电磁耦合天线、内置芯片构成，任意一个电子标签都由唯一的标识码进行标识确定。根据分类的不同，电子标签的种类多式多样。具体分类见图1所示。

2）读写器

标签读写器主要是通过射频器激励发射出的短波与电子标签进行无线磁场耦合，以此进行相关数据信息的传送、存储、控制，从电子标签中的读取到的数据信息通过网络传递给船舶物联网系统中的其他相关设备。

3）通信网络（数据库系统）

该部分是用于将标签读写器、电子标签以与船舶物资管理系统当中的其他相关设备进行网络通信连接。从而对物资信息进行管理，对相关数据做出控制。

涉及RFID技术组件大致框架图2所示。

1.2RFID技术的工作原理

射频识别系统是根据无线电感耦合原理进行工作以及功能实现的。当电子标签进入到标签读卡器辐射范围中时，标签中的耦合天线受到激励产生感应电流，以此电子标签受到激发并向标签读卡器发送自带序列编码或一定频率的信号等信息，标签读卡器接收到来自电子标签的载波信号，将接收过来的信号解调后，传递给计算机控制终端进行处理，终端根据逻辑运算判定该电子标签是否合法，对不同情形进行操作控制以及发送指令等处理。电子标签中携带的数据被解调后发送至控制逻辑，从而接收指令进行从数据传送、存储等其他操作。大致的工作原理见图3所示。

2RFID系统应用的防碰撞算法

2.1防碰撞算法分类

在无线射频识别技术中，标签读写器与电子标签之间的信息干扰（即标签碰撞）是一直存在的技术问题，与此同时，科研学者也对应地研讨出解决该问题的各种方法。基本上分为四种方法，具体关于RWD防碰撞算法的大致分类如图4所示：

2.2改进的动态帧时隙ALOHA算法

RFID读写器与电子标签通过射频耦合构建数据连接时，读写器并不能完全清楚所要处理的标签总数，因而将产生时隙浪费、标签碰撞等不良情况。而动态帧时隙（Dvnamic FSA，DF-SA）算法依据所需识别标签的数目和产生碰撞的时隙数对帧长度做出动态调整，一定程度上克服了帧时隙算法与纯ALOHA算法的不足。如果所需识别标签数大于时隙数，经过加大帧长度来有效降低碰撞；如果所需识别标签数小于时隙数，可通过缩小帧长度，以此尽量减除多余的时隙浪费。动态帧时隙算法可以极大地提高电子标签识别率，出于对设备条件的考虑，系统无法实现一直加大帧长度（一般情况下，帧长度的最大值N_max=256）。因而如果所需识别标签数目过多时，帧长度会增加很多，会导致系统产生严重的工作负荷。经过对常规DFSA算法（原理示意图见图5所示）进行研究，针对RFID技术系统的应用，处理识别标签碰撞的首要问题在于确定所需识别标签数的总数和帧长度的取定，按照电子标签数目设定恰当的帧长度值，从而使系统得到最大信息吞吐率，实现识别过程的灵活调节。

标签读写器通过某一初始的帧长度发出请求指令，以已识别标签数推断标签总数，按照电子标签总数实时地对帧长度值做出调整。假设所需识别电子标签数目小于时隙数则缩小帧长度，若大于时隙数，则加大帧长度。

改进后的算法：

取定帧长度值为Ⅳ，最大帧长度为N_max且N_max=256，假设需要识别的标签数为k，只有一个标签发送数据的时隙数计为o₁，无标签发送数据的时隙数计为o₀，出现标签碰撞的时隙数计为o_i。

如果假定标签读写器读写范围之内的标签数目固定不变，则依据数学统计原理，每一个标签都应当服从同样的统计原理以及规律。任一标签都将以相同的概率（即1/N）随机选取某一帧中某一时隙所传送的数据信息，那么对于某一时隙出现m个标签服从数学统计二项分布，即式（1）所示：

（1）

根据二项分布的概率即（1）式以及期望公式，可以得到o₁、o₀、o_i对应的期望值，

（2）

（3）

（4）

在RFID标签识别过程中，系统定义的标签吞吐率为P（即有效识别标签数与帧长的比值），如式（5）所示：

（5）

将帧长度值Ⅳ设为定值，然后对式（5）进行求导，并将导数值设为0，即可获得在最大标签吞吐率情况下的标签数目。

（6）

通过化简（6）式，获得标签数目k与帧长N的关系，最后得到（7）式。

通过对上面公式的推导，可知，当被识别电子标签数目与帧长度值近乎相等时，整个识别过程可以获得最大吞吐率P_max，且P_max大致为37%。

3算法仿真

本文运用了Matlab R2014a数学分析软件平台做出了仿真操作，统计出被识别标签数k在取不同值时的信息吞吐率，考虑到物资管理过程中数据量庞大，因而本次实验选取了标签数k的取值范围在0-2000。由數据仿真结果如图6、7可知，对识别标签数目的最大帧长度值N的取值在256时，改进后的DFSA算法与常规的DFSA算法系统吞吐率接近一致，最大可接近37%的标签吞吐率，考虑到识别标签数远远大于最大帧长度（N=256）后，做出改进后的算法仍然可将系统保持在接近35%的信息吞吐率上下轻微波动，通常的动态帧时隙算法工作效率出现迅速下滑。因而，改进后的动态帧时隙（DFSA）算法对于物资管理系统中的标签识别的性能有较大的提高，效率增大，有较好的持续性。

4船舶物资管理应用功能分析

4.1结构框架分析

依据上述RFID技术特点与电子标签算法的应用与改进，结合船舶物资管理的需求，导出系统网络拓扑结构如图8所示。系统局域网运用光纤组网作为主要通信线路，通过光纤连接到相关业务管理中心以及物资货仓内部的客户端与固定式扫码设备。现场手持式阅读设备通过无线WIFI网络端口连接到网络中。将RFID电子标签直接粘贴在船舶物资的外部，应用标签读写器发出的无线短波进行激励从而产生信号耦合。在对物资进行库存管理时，电子标签中所包含的数据信息被手持机或固定式读写器进行采集、识别以及存储等数据处理，通过系统局域网络将信息发送给管

理客户端，将传送过来的数据进行核实处理。针对各自客户端发送出去的请求由通信服务器、应用服务器以及web服务器进行处理，做出对应的回应。在整个操作框架当中，数据库服务器对传送过来的数据进行整合与存储，连接对应的接口通道，以便业务管理层进行数据查询、增添、删除和编辑等数据的高效操作。

4.2船舶物资管理系统软件设计

本系统采用了.NET平台对于整个系统进行开发，其中以C#作为主要的设计语言，开发工具用到Visual Studio 2012，系统所应用的数据库为SQL Server 2008。通过对RFID技术的应用，整合得到的数据信息进行可视化软件设计，更高效便捷地实现了对于船舶物资的高效管理，操作简便，易于维护。具体的船舶物资管理系统功能界面设计如图9所示。

5结束语

对于应用到RFID技术的船舶物资管理，其技术优势主要体现在：1）提升船舶企业的生产管理效率，提高了货物物资吞吐率；2）高效地实现了船舶物资实时管理；3）很大程度上节约了人力成本，有益企业高效运行；41实现物资动态跟踪，物资信息处理自动化、智能化。

本文针对船舶物资管理系统中的应用到的RFID技术进行了描述，对其中涉及的算法做出描述，将系统运用到的动态帧时隙ALOHA算法做出了改进及仿真。通过对数据流的处理，给出了船舶物资管理系统的软件实现，从而对于实现船舶行业企业信息化做出进一步发展。