ＥＰＣ物聯網絡系統的Ｈ∞控制問題

摘 要：針對EPC物聯網絡系統中存在的時變與不確定性時延問題，建立了EPC物聯網絡系統的控制模型，假設系統中的時延滿足一定的結構性要求下，研究了EPC物聯網絡控制系統的H∞控制問題。基于LMI方法，可以很方便地求出狀態反饋控制器，并可使閉環系統具有良好的動、靜態性能。數值算例及仿真結果證明了所得結論的有效性。

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關鍵詞：EPC;物聯網;網絡控制;H∞控制

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-141-04

H∞ Control of EPC Internet of Things

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LIU Yichang，GUAN Xinping

(Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，066004，China)

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Abstract：The time varying and uncertain delays are inevitably existed in the EPC Internet of things.The control model is set up for the EPC Internet of things.Based on this model，the H∞ control problems are studied in terms of LMI methods.It is very convenient to obtain the state feedback controller such that the closed loop system has very good dynamic and static performance.Simulation results proved the effectiveness of our result.

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Keywords：EPC;Internet of things;networked control;H∞ control

1 引 言

在社會信息化過程中，信息資源劇增，各類信息內容爆炸式增長。龐大的信息資源和昂貴的信息成本，使得人們無法獨立生產所需要的數據，必須通過共享來獲取資源和必要的信息，那么如何實現實時的信息交流呢？

1999年由美國麻省理工學院AutoID中心提出的EPC給人們提供了新的啟迪。人們將按照特定的數據格式，將每一件物品賦予一個惟一的編號，這個編號就是EPC。而電子標簽是這一編號的載體。基于互聯網和射頻技術的EPC系統，即實物物聯網(簡稱物聯網)是在計算機互聯網的基礎上，利用RFID(射頻識別)、無線數據通信等技術，構造了一個實現全球物品信息實時共享的“Internet of things”(物品的網絡)。他將成為繼條碼技術之后，再次變革商品零售結算、物流配送及產品跟蹤管理模式的一項新技術^[1] 。

然而，對于這樣一個龐大的物聯網系統，由于系統中數據量大，結構復雜，線路繁多，如果采用傳統的控制系統結構，會使得系統的可靠性大大降低^[4-8]，因而，基于網絡的控制系統由于其眾多的優點成為了物聯網絡控制系統優選的方案。在EPC物聯網絡系統中，EPC電子標簽將會廣泛存在于系統中的各個部分，承擔著各種不同的功能。例如可以作為被控制對象身份的標識，可以作為系統狀態的記錄器，也可以用來記錄系統中的傳感器和控制器的狀態等。而作為信息采集和寫入操作的執行者——閱讀器，也將分布于系統中的各個部分，完成對EPC電子標簽中數據的采集或寫入操作，并將采集到的信息通過互聯網輸送到需要的地方去。由于信息采集的不準時性和互聯網傳輸的擁擠等現象，系統中不可避免地存在著延時，因而，針對EPC物聯網絡系統，如何設計出穩定、高性能的控制器，使得閉環系統具有穩定的性能，是一個非常重要且亟待解決的問題^[3]。

2 EPC物聯網簡介

EPC網絡使用射頻技術(RFID)實現供應鏈中貿易項信息的真實可見性。他由五個基本要素組成:產品電子代碼(EPC)、識別系統(EPC標簽和讀寫器)、EPC中間件軟件、對象名解析服務(ONS)、實體標記語言(PML)以及EPC信息服務(EPCIS)。EPC編號位于由一片硅芯片和一個天線組成的標簽中，標簽附著在商品上。使用射頻技術，標簽將數字發送到讀寫器，然后讀寫器將數字傳到作為對象名解析服務(ONS)的一臺計算機或本地應用系統中。ONS告訴計算機系統在網絡中到哪里查找攜帶EPC的物理對象的信息。實體標記語言(PML)是EPC網絡中的通用語言，他用來定義物理對象的數據。EPC中間件是一種軟件技術，在EPC網絡中扮演中樞神經的角色并負責信息的管理和流動，確保現有的網絡不超負荷運作。

EPC系統是一個非常先進的、綜合性的和復雜的系統，其最終目標是為每一中品建立全球的、開放的標識標準，他主要包括六個方面，見表1。

表1 EPC系統的構成

系統構成名稱注釋

全球產品電子代碼的編碼體系EPC編碼標準識別目標的特定代碼

射頻識別系統

EPC標簽貼在物品之上或內嵌在物品之中

閱讀器讀取EPC標簽

信息網絡系統

Savant(神經網絡)對象名解析服務(ONS)

實體標記語言(PML)EPC系統的軟件支持系統



在由EPC標簽、讀寫器、Savant服務器、Internet，ONS服務器、PML服務器以及眾多數據庫組成的EPC物聯網中，首先需要給待識別的物品貼上電子標簽，然后由讀寫器讀出的EPC碼只是一個信息參考，該信息經過網絡，傳到ONS服務器，找到該EPC對應的IP地址并獲取該地址存放的相關的物品信息。而采用分布式Savant軟件系統處理和管理由讀寫器讀取的一連串EPC信息，Savant將EPC傳給ONS，ONS指示Savant到一個保存著產品文件的PML服務器查找，該文件可由Savant復制，因而文件中的產品信息就能傳到供應鏈上。其具體結構見圖1。

圖1 EPC物聯網工作流程圖

3 RFID技術在EPC物聯網絡控制系統中的應用模型

基于射頻識別技術的EPC物聯網建立后，由于所有物品均帶上了一張記錄其生、老、病、死的身份證，網絡系統的數據將極大豐富，因而，對于一些從前難以建模的系統，將可以很方便地建立系統的模型，尤其是對于時間周期較長的生態系統更是如此。例如，我們可以為某些瀕臨滅絕的野生動物貼上電子標簽，定期將其健康狀態、種群數量增減等各種信息寫入電子標簽，并將數據存入網絡數據庫，從而根據長時間電子標簽中的數據來建模進行研究，可以建立科學的保護方案。

我們知道，對于一般的生態系統都可以用微分方程的形式來描述，假設系統可以用以下狀態方程來描述^[3]：



(t)=Apx(t)+Bpu(t)+D(t)

z(t)=Cx(t)

(1)



其中，(t)∈Rm1為干擾輸入向量，u(t)∈Rm為控制輸入，z(t)∈Rp為誤差輸出向量，x(t)∈Rn為系統狀態，Ap和Bp為具有適當維數的已知常數矩陣。[LL]

圖2 時滯網絡控制系統結構

對于EPC物聯網模式下的網絡控制系統，信息的采集將更多地通過RFID系統中的閱讀器來進行，而作為系統身份證的電子標簽，由于一般都具有較大的存儲容量，因而，也可以用來記錄系統中的各種狀態信息和控制信息等，而信息的傳遞將主要通過Internet網絡來進行。在EPC物聯網模式下，系統的結構如圖3所示。

圖3 基于EPC物聯網模式下的時滯網絡控制系統結構

由圖3可見，對于物聯網下的網絡控制系統，由于互聯網的阻塞、掉線、傳輸速度慢等種種原因，都可能導致系統在傳輸環節上出現滯后。這里假設系統中傳感器到控制器的滯后時間為τsck ，控制器到執行器的傳輸滯后為τcak ，首先，我們做如下假設：

定期采集系統狀態，定期收集標簽狀態的時間間隔為h；

控制器和執行器為事件驅動，即當新的控制或執行信號到來時，由執行器和控制器輸出信號自動更新標簽狀態；

總體滯后時間為τk，且0≤τk  = τsck  + τcak  < h；

τsck 為已知，τcak 為未知，因而總體滯后時間τk為未知。

根據以上假設，將系統離散化，我們可以得到如下模型：

其中A是獨立于τsck 和τcak 的常數矩陣，但是B0，1(τk)依賴于系統中的滯后時間，因而，該系統(式(2))是一個線性離散的不確定性時滯系統。假設系統中的不確定性可寫為如下形式：



B0(τk)=B0+ΔB0(τk)

B1(τk)=B1+ΔB1(τk)



并假設:



［ΔB0(τk)ΔB1(τk)］=HΔk［E0E1］



其中H，E0，E1是適當維數的已知矩陣，且ΔTkΔk≤I。

通過上面的假設，則可得到如下系統：



xk+1=Axk+(B0+ΔB0)uk+(B1+ΔB1)uk－1+Dkzk=Cxk

(3)



這樣，我們就建立了在物聯網絡環境下的控制系統模型。下面將考慮采用何種控制手段，達到閉環系統的穩定性問題。

4 物聯網絡控制系統的H∞控制

針對系統(3)，本節中考慮針對此系統的H∞控制問題。首先，我們引入如下定義。

[HTH]定義[STHZ]1[STBZ][HTSS]^[3] 當ω≠0時，若存在控制律uk=Kxk使得系統(3)漸近穩定，且:



‖Gzw‖<γ

(4)



則我們稱系統(3)是具有H∞范數界γ魯棒鎮定的。式(4)中，Gzw是閉環系統的傳遞函數矩陣且:



Gz(z)=C［zIn－A－B0K－ΔB0K－

(B1+ΔB1)Kz－1］－1D

(5)

二次穩定且滿足H∞范數界γ。

我們有如下結論：

[HTH]定理[STHZ]1[STBZ][HTSS] 假設存在矩陣X>0，R>0，Y及常數ε>0，滿足以下LMI：



X-γ-2DDT-εHHT AX + B0 Y B1 Y 0 0(AX + B0 Y)T X-R 0 XCT YTET0 YTBT1  0 R 0 YTET1 0 CX 0 I 00 E0 Y E1 Y 0 εI > 0

(8)



則系統(3)是具有H∞范數界γ魯棒鎮定的。且H∞控制律可構造為:



uk=YX－1xk

(9)



證明：考慮以下矩陣不等式:



P-1-Ad R-11 ATd -γ-2DDT Ac ATc  P-R1 -CTC > 0

(10)



其中P與R1為對稱正定矩陣。

首先證明當不等式(10)成立時，式(4)成立。

根據引理1，由式(10)可得:



P-1-γ-2DDT Ac  + Ad z-1ATc  + ATd z P-CTC > 0

(11)



對上式應用Schur補定理，可得:

再次利用Schur定理，則式(23)等價于LMI(8)。

證畢。

5 物聯網絡系統實例分析

針對傳統的網絡控制系統模型：



(t)=Apx(t)+Bpu(t)+D(t)z(t)=Cx(t)



其參數為:



Ap=－0.52－200，Bp=0.51，

C=01T，D=0.80.2



其中電子標簽數據采集周期為h=05 s。假設系統中的傳輸滯后時間是時變且不確定的。且τscmax≤12h。則將系統用電子標簽數據采樣周期離散化，可得如下參數：



A=0778 82718 3010，B0=－0000 20794 9，

B1=0000 20508 9，C=01，D=0.80.2



設不確定性系數陣為：



H=05，E0=－0.03－0.05，

E1=0.010.03，



則由定理1可得:



γ=0836 7，ε=0069 3，K=［－0013 2－1293 6］



運用Matlab對系統進行仿真，從仿真圖圖4可看出，閉環系統狀態漸近穩定。

圖4 閉環系統狀態曲線

6 結 語

本文首次針對EPC物聯網絡系統中存在的時延問題，建立了其閉環網絡控制系統的模型，并將系統中的時延轉化為系數矩陣的不確定性，利用基于LMI的H∞控制方法，設計了狀態反饋控制器，使得閉環系統不但可二次穩定，還可以抑制一定的干擾。本文所提出的方法具有較強的魯棒性和容錯性，將對EPC物聯網絡系統的進一步推廣和應用起到一定的積極作用。

參 考 文 獻

［1］Grace Liang.無線射頻識別技術和物聯網的發展與應用\\[J\\].金卡工程，2004(10):40-48.

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［3］Guan Xinping，Shi Peng，Liu Yichang.Robust Guaranteed Cost Control for Uncertain Discrete Time Delay Systems Via Dynamic Output Feedback\\[J\\].Syst.Anal.Modell.Simul.，2003，[LL]43(12):1 717-1 727.

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作者簡介 劉奕昌 男，1976年出生，博士研究生。主要從事RFID技術研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。