基于R F I D傳感器網絡的多閱讀器低功耗防碰撞算法研究

武珠琳 孫瑞雪

（重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，中國 重慶400065）

0 引言

在RFID傳感器網絡[1]中，存在兩類信息碰撞問題:一類是多個標簽同時回復一個RFID閱讀器時產生的碰撞問題。另一類多RFID閱讀器同時閱讀同一標簽數據時產生的碰撞問題。RFID傳感器網絡往往需要多個RFID閱讀器密集分布在同一區域，這就使多RFID閱讀器的碰撞問題顯得更為突出。目前解決RFID傳感網中多RFID閱讀器碰撞問題的典型算法中，DiCa[2]算法通過在臨近的讀寫器之間分布式的簡單交互，不僅避免讀寫器間的碰撞，而且可自主改變能量狀態。單純考慮無碰撞成功讀取標簽率，Dica很高效，然而仿真結果顯示其平均能耗高于CSMA。基于CSMA的ECO[3]算法運作在一個由RFID讀寫器和一個mote組成的UBICON集成節點上，平均能耗相比較DiCa要低，但是ECO算法沒有一個同步時鐘來維持整個網絡的同步，標簽的讀取效率低。

由上述分析可知，已有的解決方案里面以單獨的RFID部分的防碰撞研究為主，并沒有充分發揮RFID網絡與無線傳感器網絡相結合的技術優勢，本文結合以如圖1所示的智能節點為主的RFID傳感器網絡體系架構[1]，提出一種雙信道防碰撞算法來解決上述問題。該算法的工作原理是：智能節點中的RFID讀取部分向WSN網絡申請自己的專用采集時隙，在專用采集時隙到來時RFID閱讀器讀取標簽數據，并最終將自己申請到的采集時隙再次劃分，完成標簽的讀取，這樣能充分利用無線傳感網的組網優勢，提供精確的時間同步，實現多智能節點的防碰撞，降低智能節點能耗，仿真結果表明與ECO算法相比，該算法有效地降低了RFID傳感器網絡中智能節點的能耗，提高了智能節點的讀取效率。

圖1 RFID傳感器網絡智能節點平臺示意圖

1 以智能節點為主的RFID傳感器網絡體系架構研究

目前RFID傳感器網絡的體系結構，可以分為三類[4]，（1）異構混合式網絡；（2）智能化的融合了傳感器的RFID標簽組成的網絡體系架構；（3）以智能節點為主的RFID傳感器網絡體系架構。其中RFID閱讀器和WSN基站混合的異構混合式網絡架構中，智能基站成為整個系統的決定性因素，這種架構對大量實時數據的傳輸是非常有效的，不必擔心能源限制，但是基站復雜、昂貴、笨重且不易移動，因此，整個系統的可靠性并不高。本文在后兩種體系架構中選擇以智能節點為主的RFID傳感器網絡體系架構為切入點進行研究。

圖2 RFID傳感網體系結構

以智能節點為主的RFID傳感器網絡體系架構整體設計如圖1所示，智能節點的無線組網部分向網關發送入網請求，網關判斷是否將該智能節點入網，如果入網成功，智能節點的射頻讀寫部分通過ISO18000-4協議讀取標簽的數據，并將數據通過智能節點的主控芯片發送給無線組網部分，在初步處理采集到的信息后經Zigbee網絡協議將信息發送至網關，網關將接收到的數據包進行處理后交付上位機，由上位機對信息進行進一步的解析，從而實現對RFID前端設備的遠程監控和管理。

2 基于RFID傳感器網絡的多閱讀器防碰撞算法

該RFID傳感器網絡低功耗軟件設計思路是通過無線傳感網（WSN）信道分配專用采集時隙來控制RFID系統的讀取，使RFID傳感器網絡中的智能節點之間的碰撞減少。并將專用采集時隙在RFID采集部分再次細化，使多標簽被同一智能節點讀取時的碰撞減少，從而提高智能節點的讀取效率，降低智能節點的能耗。

2.1 采集時隙的申請分配過程

專用采集時間的申請分配過程如圖2所示：RFID閱讀器 S1～S6依次入網，然后向網關C申請采集數據專有時隙。首先閱讀器S1申請超幀中的第一個保護時隙GTS時隙為專用采集時隙，網關C收到RFID閱讀器S1發送的專用采集時隙請求后，進行查找判斷，如果有空白的可用的時隙，就回復GTS響應給S1,同時S1就會發送廣播給周圍鄰居閱讀器，通知周圍所有其他鄰居第一個GTS已經被占用，其他鄰居如果要申請，就要申請其他GTS。RFID部分的數據采集通過時隙調度的機制將沖突機率最小化，提高帶寬的利用率。

專用時隙的分配原則是先申請先分配，首先由智能節點提出申請請求，網關收到請求后，查詢當前超幀是否有足夠的容量后決定是否分配。網關是專用時隙的管理者，它能夠存儲管理專用時隙的起始時隙、長度以及時隙占用者的地址等。當設備需要釋放專用時隙時，網關也同時釋放。為了使智能節點有效的被分配和使用專用時隙，智能節點必須對信標保持追蹤，維護同步狀態。

圖3 專用采集時隙的申請分配過程

當閱讀器入網成功后，RFID采集部分分配到各自的專用采集時隙，統一受到WSN網絡的調度，為整個網絡的通信提供精確的時鐘同步，同時也減少了閱讀器中RFID讀寫器之間的碰撞。

2.2 專用采集時隙在RFID采集部分的再次細化

在閱讀器的RFID采集部分申請到各自的采集時隙后，把分給閱讀器采集標簽的時間再進行細化，這樣一來，每個時隙都有可能出現空閑、識別和沖突的情況。如圖3所示：在空閑時隙中沒有標簽上傳，在碰撞時隙中有兩個及以上的標簽上傳，而在識別時隙會有一個標簽上傳被正確識別。時間細化的基本思想是：將閱讀器的采集時間等分成多個離散時隙。標簽進入閱讀器的閱讀區，在每個時隙的分界處，它自動將自身ID上傳，隨即閱讀器和標簽開始通信。

圖4 采集過程中各時隙的情況

由于閱讀器的采集時間是以超幀為周期進行循環的，那些因為沖突而沒有被識別的標簽就有機會在下一個采集時間正確被識別，這樣大大提高了智能節點的讀取效率。

3 智能節點功耗分析

3.1 實驗環境

本實驗所用到的智能節點的設計，射頻讀寫芯片選用TI公司的CC2500射頻收發芯片。無線組網通信芯片選用CC2530芯片。主控芯片選用了MSP430。假設在100平米范圍內，m個智能節點均勻分布，每個智能節點的讀取范圍內存在n個標簽。基于上述假設，可以建立如下能量模型：

單個智能節點讀取n個標簽所需要的能耗如式（3-1）所示：

其中，Escan是單個智能節點讀取n個標簽所需的能量，P是單個智能節點讀標簽時的功率，T是這個智能節點讀取所有n個標簽的平均讀取時間。

智能節點轉發數據的能耗如式（3-2）所示：

其中，Etx是智能節點發送k位數據的能耗，Er是智能節點接收k位數據的能耗，Ee是收發器電路所需的電能，k是節點傳送的數據報的大小，ω是單元距離上傳輸單元數據所需的放大器能量，r是通信節點之間的距離，λ是路徑損失。

當電池中的總能量為B時，可估算智能節點的壽命如式（3-3）所示：

本文研究的新的防碰撞機制主要是針對智能節點RFID部分的碰撞問題，因此可以通過將該機制和功耗較低的ECO多閱讀器防碰撞算法進行對比，來客觀評估新機制的性能。新方法在閱讀器上的功耗為：

其中，Lid（bits）是一個標簽 ID 的長度，Vdata-rate（bps）是標簽的數據速率而原有的RFID閱讀器防碰撞算法復雜且基于概率，可計算它的總功耗為

3.2 仿真結果

圖5 RFID傳感器網絡多閱讀器碰撞能耗對比仿真圖

從圖5可以看出，智能節點的壽命隨著標簽個數的增加而逐漸降低，當標簽的數目在200以內的時，本文提出的新的雙信道防碰撞算法與原來的基于CSMA的ECO算法相比，兩種防碰撞算法的能耗相差不是很大，但當標簽數目超過200之后，與原有的ECO算法相比，雙信道防碰撞算法使智能節點的能耗大大降低，仿真結果表明,新的雙信道防碰撞算法能有效地降低智能節點的能耗。

4 結束語

本文針對RFID傳感器網絡中多RFID閱讀器同時讀取同一標簽數據所產生的碰撞問題進行了討論，在分析了現有的研究多RFID閱讀器碰撞的基礎上，提出了一種采用無線傳感網（WSN）信道分配專用采集時隙來控制RFID系統信道讀取的雙信道防碰撞算法，該算法有效的解決了現有的多閱讀器防碰撞算法在應用中存在的功耗高，時間同步難，讀取效率低等問題。仿真結果表明,新的算法能有效地防止多RFID閱讀器的碰撞問題，降低智能節點能耗。

［1］張彥,楊Laurence T.Yang,陳積明.RFID與傳感器網絡:架構、協議、安全與集成[M].機械工程出版社，2012.7．

［2］Cha K,Ramachandran A,Jagann athan S.A daptive and Probabilistic Power Control Algorithms for Dense RFID Reader Network[C]//Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Networking Sensing and Control,2006 ICNSC 06 2006:474-479.

［3］Ch a K,Ramachandran A,Jagann athan S.Decentralized Power Control with Implem entation for RFID Networks[C]//IEEE Conference on Decision and Control,2006:1858-1863.

［4］Xiaoguang Zhou,Wei Long.Study on Design and Application of Wireless Sensor Network Based on Communication of Radio Frequency Identification System[C]//Proceedings of5th Conference on InternationalWireless Communications,Networking and Mobile Computing,WiCom,2009.