奶牛身份射频识别系统的防冲突技术

2019-12-22韩秀枝

农机化研究 2019年5期

张莹，韩秀枝

(漯河食品职业学院，河南漯河 462000)

0 引言

奶牛养殖是整个农业组成的重要部分，在农业经济体系中占据重要地位。目前，奶牛养殖中疯牛病、口蹄疫等具有强烈传染性疾病的出现对这个行业有极大的影响；防止这些疾病的传染扩大，对奶牛单个体进行精细化养殖是现代奶牛养殖的主要研究方向，运用现代化技术进行奶牛养殖有效减少疫情的发生，尤其是在奶牛产业的安全追溯管理中应用具有重要价值[1-2]。射频识别技术在畜牧业中的运用在发达地区已有很多研究，采用中低频段来识别奶牛身份，识别范围比较小[3-4]，在现今大规模的奶牛养殖中，中低频段的识别范围不能满足需要，需要研发出范围更大、更准确的识别系统。基于无线射频识别技术的奶牛身份识别系统可实现监控目标[5-8]，满足远距离、多目标监控的要求。

奶牛识别系统中识别电子标签采用超高频射频识别，为每头奶牛建立永久电子档案。射频识别时，由于存在多个电子标签，易造成识别冲突，为防止冲突发生，正确识别读取信息，需要一种合适的算法来防冲突。目前，采用的冲突算法有时隙Aloha算法和二进制搜索算法[9-11]。

本文研究了采用瘤胃式动物电子标识奶牛识别系统，由射频识别技术和单片机一起使用来实现无线自动识别，并着重研究了奶牛射频识别技术中存在的冲突问题。

1 射频识别系统设计

1.1 系统总设计

射频识别系统主要由标签、阅读控制单元和单片机组成，如图1所示。其中，阅读控制单元电路主要由耦合通信电路、控制器单元电路及射频发送单元电路3大块组成。射频发送单元电路采用无线高频段射频，并通过连接天线、电子标签完成识别工作。RFID技术可以通过无线电讯号识别指定目标并读取数据，且识别系统与读取目标之间不需要建立机械连接或接触，属于非接触的读取识别技术。

图1 射频识别系统组成

电子标签由芯片、电池和天线组成，芯片是电子标签的核心组成部分，也称为应答器。电子标签可以根据需要选择不同性状的标签。天线是射频识别的外置部分，是射频识别的媒介。控制器单元电路和射频发送单元电路是发挥阅读功能的单元，也可以称之为阅读器。射频发送单元电路的作用是产生一定射频频段的射频信号，将调整的信号发射出去，并对接收进来的信号进行解调。

1.2 系统工作原理

射频识别系统的工作原理(见图2)：阅读控制单元电路将设置好频率的射频频段通过天线发射出去，当植入电子标签的奶牛进入天线工作的范围内时，电子标签就会产生感应电流，从而被激活工作；电流激活的电子标签接收阅读控制单元的指令，按照指令要求将标签中收集的奶牛个体信息通过标签上的天线发送出去；阅读控制单元接收到信息后，对其进行解码，将解码出来的信息整理并输送至数据管理中心，数据管理中心通过逻辑算法判断标签信息，并做出相关处理后将判断信息返回阅读控制单元[12]。

图2 射频识别系统工作程序

2 射频识别系统中防冲突算法

在射频识别系统中，存在多个电子标签，在射频识别系统阅读范围内进入多个电子标签时，所有的电子标签都会接收阅读控制电路发送的指令，从而被激活工作；多个电子标签激活就会同时向阅读控制单元发送采集的奶牛的个体信息，而多个信号同时发送回导致信号输送发生干扰，信号同时拥挤发送导致阅读控制电路无法接收到正确的信号，产生射频识别系统中的冲突问题。为了避免冲突的发生，射频识别系统应采取防冲突措施。

2.1 时隙ALOHA算法

ALOHA算法中电子标签发送奶牛信息时，如果同时识别范围内进入其他电子标签也会发送信号，多个信号拥挤接收，会产生叠加现象，这就是冲突问题。阅读控制单元接收的信号如果有叠加，可以判断冲突现象，阅读控制单元可以根据判断结果发送指令到电子标签，控制电子标签是否发送信息，并控制那部分电子标签延迟发送信息。ALOHA算法防冲突原理，如图3所示。

图3 ALOHA算法防冲突原理

由图3中可以看出：单纯的ALOHA算法可以简单实现冲突的解决，但在信号发送中存在冲突就会导致信号无法发送成功；而ALOHA算法中可能存在对同一个电子标签发送多次指令，产生多次冲突问题，导致阅读控制单元判断错误，且指令输送时，冲突产生的可能性比较高，且概率比较大。为了克服这些问题，在ALOHA算法的基础上，提出了时隙ALOHA算法。该算法是将识别的时间段分割成为多个时间时隙，每个时间时隙的长度为识别一个电子标签发送信号的时间。当每一个电子标签进入识别范围内时，可在时隙时间初始时间开始发送电子标签的信息数据。这样电子标签发送信息可能导致两种结果：成功发送或完全冲突，如产生完全冲突，阅读控制单元发出延迟指令，将这个标签延迟识别，可以减少冲突发生的概率。若是有多个电子标签延迟时间一样，还是会造成冲突问题，这种情况，阅读控制单元控制每个电子标签的延迟发送时间不一样，就减少了冲突问题发生的概率。但是，时隙ALOHA算法中因为存在延迟指令，导致识别需要的时间比较长。

2.2 二进制搜索算法

二进制搜索算法实现的前提是确定阅读控制器中的信号编码确定冲突中的准确位置。Manchester编码是定位相对准确的一种编码，这种编码逻辑采用改变电平的方法实现，即采用0位表示上升沿，1位表示下降沿。因此，在信号输送中无变化的跳变是不允许存在的，且会当成冲突处理。当识别范围内出现多个电子标签被激活并发送数据信息时，数据有大小不同的数字值，阅读器接收口的上升沿和下降沿就会相互抵消，这时信号叠加在同一个位窗中，使位窗中没有跳变，通过这种情况来识别冲突发生的位置。

除此之外，二进制搜索算法还需要在阅读控制器编辑一组命令，将这组命令发送至电子标签并进行处理。这组命令有：

1)REQUEST。请求命令，其作用是发生指令给电子标签，并以此作为参数；电子标签将接收的指令数据与自有的数据进行比较，如果小于或等于，电子标签就会将接收的指令发送回阅读控制器。

2)SELECT。选择命令，其是采用事先设置的数据作为参数发送给电子标签，如果接收指令的电子标签本身的数据与接收的指令数据相吻合，则以此作为切入点命令该电子标签执行其他指令。

3)READ-DATA。读取命令，接收到指令的电子标签将采集的数据信息发送至阅读控制器，阅读控制分析数据后并结果输送至标签。

4)UNSELECT。去选择命令，将已识别的电子标签取消，使电子标签进入无应答状态；在无应答状态下，电子标签对阅读控制器发出的指令不会应答，如果需要重新识别该电子标签，该标签需要离开识别感应范围后，再进入识别感应区重新激活并识别。

二进制搜索算法在阅读控制器识别中，当不存在冲突时，就不会有记忆识别储存，就需要阅读控制器重新发送指令；但这种操作增加了识别指令发送的次数，延长了识别时间。

2.3 返回式二进制树形搜索算法

二进制搜索算法在阅读控制器识别中，当不存在冲突时，就不会有记忆识别储存，就需要阅读控制器重新发送指令，从而增加了识别指令发送的次数及识别时间。因此，在二进制搜索算法的基础上改进为返回式二进制树形搜索算法，可减少指令发送次数，提高识别阅读的效率。

3 防冲突算法识别步骤

假设识别识别范围内有4个电子标签需要识别，其系列码分别为

TAS1: 10110100

TAS2：10100010

TAS3：10111100

TAS4：00111100

识别步骤如下：

1)阅读控制单元发出请求指令(REQUEST0)，范围中的电子标签应答指令并将电子标签上的系列码发送回去，阅读控制器接收的系列码就为101XXXX0。

2)阅读控制单元发出请求指令(REQUEST10)，电子标签TAS1、TAS2、TAS3的序列码中的前两个数字与指令相同，将为识别的部分退回，阅读控制单元接收序列码为1XXXX0。

3)阅读控制单元发出请求指令(REQUEST1010)，电子标签TAS1应答，此时没有冲突，该电子标签接收指令，其他电子标签不再应答。

4)完成一次识别，阅读控制单元返回初始指令，进行下一个电子标签的识别。

4 射频识别系统实验及分析

本实验在实验室的条件下进行，射频识别系统采用单片机与阅读控制器为控制中心，通过耦合电路实现通讯；由单片机发出指令，阅读控制器接收单片机发出的指令，并将阅读控制器读取的数据输送回单片机。实验区采用4个电子标签进行识别，随意组合进入射频识别范围，试验进行30次，试验结果数据如表1所示。

表1 射频识别系统多标签识别

由实验数据可知：电子标签进入射频识别范围中，依次进入识别范围的电子标签识别准确率可达到100%；当识别范围过大时，由于电子标签感应的电磁电流减小，会对识别造成误差，降低奶牛识别的正确率。故在实际安装该系统时，需要考虑识别范围的大小和电子标签的位置，因为奶牛在识别时处于运动的状态，排除识别时的干扰因素，可提高射频识别的准确率。识别系统采用的射频识别技术，射频频率会被环境湿度影响，空气湿度大时会吸收射频波段，减少射频幅度，影响识别效果，故安装该系统时应考虑到空气湿度的影响，并采取措施排除不良影响。