基于RFID的频谱动态信息实时采集技术研究

李素桂，朱锦锋，龚让声

基于RFID的频谱动态信息实时采集技术研究

李素桂1，朱锦锋2，龚让声1

（1.厦门华天涉外职业技术学院，福建 厦门 361102；2.厦门大学，福建 厦门 361005）

在频谱动态信息实时采集过程中，常规的采集技术采样率过高，导致采集操作动态链接不稳定。为了解决这一问题，提出基于RFID的频谱动态信息实时采集技术研究。采用FFT算法控制频率分辨力，限制频谱动态信息的采样率，采用RFID技术融合处理电子标签内的数据，建立RFID事件处理模型，生成对应的频谱动态信息实时采集业务，根据需求的不同，配置相应的采集规则和采集模式。在此基础上，定义频谱动态信息通信协议，在W5300网口芯片的支持下，实现信息的采集。实验结果表明，设计的基于RFID的采集技术在采集信息过程中动态链接稳定，数据相对误差小，数据精确度高。

RFID；频谱动态信息；实时采集；数据融合；频率分辨力；动态链接

现阶段，光学和无线电技术发展非常迅速，在多个领域中得到了成熟的运用，这样良好的发展离不开各种频谱的分析，在频谱分析中，如何保证频谱信息采集的实时性和可靠性始终是研究的重点[1-3]。射频识别技术RFID是一项非常成熟的自动识别技术，在各个领域使用中，能够突破空间的限制，实现对电子标签的读写，通过无接触的通信模式获得目标信息，发展到现在研究内容非常丰富[4]。使用RFID技术实现频谱动态信息的实时采集是一个值得研究与实践的课题。

目前研究资料显示，在频谱动态信息采集中，比较常规的采集技术的方法[5]是基于次用户优先级的采集技术，利用优先级机制，考虑主服务的收益和次服务的满意度，实现频谱的动态博弈，从中采集动态信息。但是在实际应用中，采样率过高，导致采集过程中链接不稳定，出现链接中断事故，采集数据不可靠。文献[6]提到的基于STM32的频谱测量系统存在相同的问题，该方法通过ADF4351和滤波器等实现了不同工作状态下的频谱信息的采集，能够适应室外环境和室内环境的切换，但是并没有解决采样率过高的问题。因此，设计基于RFID技术的频谱动态信息实时采集技术，解决上述常规的采集技术中存在的问题。

1 基于RFID的频谱动态信息实时采集技术设计

1.1 控制频率分辨力

令：

1.2 基于RFID的动态信息融合

在使用RFID采集频谱动态信息时，RFID数据存在多读、漏读现象，导致数据冗余或缺失，需要通过数据预处理保证数据的干净和完整性[13]。针对RFID数据的多读现象，将相隔时间短的数据删除，同时探测RFID数据噪声，清洗来自同一个阅读器的数据，将异常数据和噪声数据去除掉，消除异常数据和噪声数据对RFID数据的干扰，这样的处理方式在一定程度上也减小了后续数据处理的运算量，保证了数据采集的实时性[14-16]。针对处理后的数据，采用动态融合技术融合目标数据，减小RFID数据读取和传输过程中产生的误差。

在信息融合后，以融合后的信息作为采集目标，建立RFID处理模型，实时采集目标信息。

1.3 建立RFID处理模型

将融合后的动态信息作为采集目标，在采集过程中，生成不同的RFID事件，对于RFID中间件工作过程中随时都可能会有大量的数据通过阅读器上传到中间件中，通过RFID中间件的清洗、过滤处理后，再提供给后台使用。如果没有RFID中间件的使用，大量数据的同时采集会给用户造成极大的负担[19]。

通过阅读器获取的RFID原始事件能够反映标识信息是否存在，为频谱动态信息采集提供更多的细节。但是这些信息并不能表示完整的频谱动态信息采集事件。因此，整理这些杂乱的信息，通过过滤与合并操作将这些信息连接汇聚在一起，形成一个具备实际意义的RFID事件[20]，用户在采集频谱信息过程中，根据不同的采集需求，为RFID事件配置事件规则和事件的处理层次，从而实现频谱动态信息实时采集与RFID技术的有效融合。

根据采集事件的聚合程度，将事件分为简单事件和复杂事件，在进入到RFID中间件后，将事件分为异常事件和常规事件，建立RFID处理模型的目的，就是分辨出采集过程中RFID事件，以此采取针对性的处理措施。

在RFID插件获得信息后，用户读取RFID电子标签的时间间隔，过滤标签数据，整合出过滤后的数据报告，向上级汇报。在每个电子标签的阅读周期内，对电子标签的读写操作由RFID中间件控制接口实现，此时，使用阅读器可以从电子标签内读取到目标信息，目标信息经过阅读器被传输到RFID中间件上，整个读写过程中的周期是可控的。用户可根据实际需求进行配置。RFID会把一个完整事件内的所有标签信息汇聚起来，在经过过滤后，生成一个ECReport信息，这一信息规定了RFID事件周期及数据报告产生的格式，在使用RFID采集信息过程中，RFID事件处理器定义了信息采集的规则和模式，由此才能完整频谱动态信息的采集。

1.4 采集频谱动态信息

频谱动态信息的采集，使用自顶向下的高通滤波模块和辨向技术模块实现，使用高通滤波模块消除高频干扰对动态信息的干扰，使用辨向技术模块保证数据的精度。由于频谱动态变化过程中，频谱信息容易受到干扰，最明显的干扰就是电磁干扰，这两者会影响采集信号脉冲产生毛刺，严重影响数据精度。因此，采用一种高频数字技术滤除脉冲干扰。高频滤波过程如图1所示。在实际应用中，为了避免在采样率为临界值时的脉冲信号受到外部干扰，被高频滤波清除掉，减小判断的工作时钟，选用40个工作时钟周期作为判断依据，将小于此数据的脉冲滤除掉。

图1 高频滤波示意图

采用差分信号接口将采集模块与待采集目标相连接，通信协议定义如下：帧头表示为0Xa1，帧尾表示为0X5a，整个采集信号包含5个字节，去掉帧头和帧尾，中间3个字节分别是高8位数据、校验位、低8位数据。设置同步信号为1kHz，同步时钟上升沿数据采集，下降沿发送数据。

在上述通信协议的支持下，使用W5300网口芯片控制数据通信，在采集频谱信息前，将W5300网口芯片的状态设置为TCP/IP服务器状态，侦听采集方发出的连接请求。在上位机发送连接请求后，在采集端和待采集端建立起TCP/IP连接，接收数据采集单元所发送的1kHz同步时钟信号，实现对频谱动态信息实时采集。

2 基于RFID的频谱动态信息实时采集技术实验研究

2.1 实验数据准备

在频谱动态信息实时采集技术实验研究中，针对以往采集技术存在死链的情况，设计对比实验，实验中以提出的基于RFID的采集方法和两种常规的采集方法作为实验目标，通过动态链接性能实验和动态数据误差实验结果验证采集方法的性能。为了保证实验结果的可靠性，准备统一的实验数据。

图2 频组扫描

以可编程交直流信号源输出的正弦信号频率为基准，使用频谱检测插件扫描频谱，获得待采集的实验数据。频组扫描界面如图2所示。

在频组扫描后，将得到的频谱数据分为低频段数据和高频段数据进行实验研究，具体的数据如表1所示。

在数据准备完成后，使用不同的信息采集方法采集实验数据，使用计算机自带的监控插件监督整个采集过程，在采集结束后分析各个采集方法的实际性能。

表1 低频段和高频段数据

2.2 动态链接性能实验结果与分析

在采集过程中，待采集的一方和采集的一方需要建立起链接，通过链接才能实现数据的采集。以动态链接性能作为实验目标，使用不同的采集方法采集准备好的实验数据，在采集过程中设置计算机自带的监控插件监控整个采集过程，实时输出动态链接。实验结果如图3所示。

图3 不同采集方法动态链接性能实验结果

观察实验结果可知，各个采集方法中动态链接输出正常，但是在基于次用户优先级的采集方法实验结果中存在3次没有发现目标数据的事故，说明此时链接中断，出现短暂的异常，数据采集情况并不可靠；基于STM32的频谱测量系统实验结果中存在相同的问题，并且链接中断次数更多，采集过程更不可靠；与前两组实验结果相比，设计的基于RFID的采集方法实验结果中，没有出现动态链接中断的情况，始终保持稳定的链接，目标数据在采集中呈现出连续性。综上所述，设计的基于RFID的频谱动态信息实时采集方法动态链接性能更好，在此基础上，为了使采集方法的性能更加明显，计算各个采集方法的动态数据误差，进一步验证各个采集方法的实际性能。

2.3 动态数据误差实验结果及分析

以上述实验结果作为依据，计算各个采集方法的动态误差，动态误差的产生是由于频谱在时间的作用下，时刻发生改变，输出的频率是动态不稳定信息，在采集时，各个环节的传递会产生不同程度的时延，在时延的影响下，采集的数据与真实的数据之间存在相对误差。在动态数据误差实验中，基于上述动态链接实验的结果，计算各个采集方法的动态数据相对误差，分析各个采集方法的精确程度。相对误差计算过程如下：

(12)

图4中显示的方形图案是基于次用户优先级的采集方法实验结果，黑色圆形图案是基于STM32的频谱测量系统实验结果，白色圆形图案是提出的基于RFID的采集方法实验结果。对比观察图中结果可知，在三组实验结果中，只有提出的采集方法相对误差变化较小，在误差允许的变化范围内，而其它两组实验结果相对误差变化比较大，其中基于STM32的频谱测量系统动态数据相对误差最高达到了+3.0，基于次用户优先级的采集方法动态数据相对误差最高达到了-3.0。结合动态链接性能实验共同分析，验证了提出的基于RFID的频谱动态信息实时采集方法的稳定性，保证了频谱动态信息的精确程度。

3 结束语

以频谱动态信息实时采集为研究重点，在大量研究文献和资料基础上后，将RFID技术应用到频谱动态信息采集中，设计基于RFID技术的实时采集方法，在方法设计完成后，通过动态链接性能实验和动态数据误差的计算验证了提出的采集方法的稳定性和数据的可靠性，为频谱动态信息的实时采集工作提供一定的技术支持和保障。

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Real-time acquisition technology of spectrum dynamic information based on RFID

LI Su-gui1，ZHU Jin-feng2，GONG Rang-sheng1

(1.Xiamen Huatian International Vocation Institute, Fujian Xiamen 361102, China; 2.Xiamen University, Fujian Xiamen 361005, China)

In the process of real-time acquisition of spectrum dynamic information, the sampling rate of conventional acquisition technology is too high, which leads to unstable dynamic link of acquisition operation. In order to solve this problem, the real-time acquisition technology of spectrum dynamic information based on RFID is proposed.Using FFT algorithm control frequency resolution, limit frequency spectrum sampling rate of dynamic information, using RFID electronic tag data fusion processing, RFID event handling model, generate the corresponding spectrum real-time dynamic information collection business, according to different requirements, the configuration of the corresponding sampling rules and patterns, based on this, The spectrum dynamic information communication protocol is defined, and the information collection is realized with the support of W5300 network interface chip.The experimental results show that the designed RFID-based acquisition technology is stable in the process of collecting information, and the data relative error is small and the data accuracy is high.

RFID；spectrum dynamic information；real-time acquisition；data fusion；frequency resolution；ynamic linking

2021-08-31

福建省教育科学“十四五”规划2021年科研项目——基于RFID的频谱动态信息实时采集技术研究（FJJKGZ21-045）

李素桂（1982-），女，福建安溪人，讲师，本科，主要从事物联网技术、电子信息与通信工程应用研究，guils982@126.com。

TP274

A

1007-984X(2022)02-0038-06