奶牛身份射頻識(shí)別系統(tǒng)的防沖突技術(shù)

張 瑩，韓秀枝

(漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河 462000)

0 引言

奶牛養(yǎng)殖是整個(gè)農(nóng)業(yè)組成的重要部分，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)重要地位。目前，奶牛養(yǎng)殖中瘋牛病、口蹄疫等具有強(qiáng)烈傳染性疾病的出現(xiàn)對(duì)這個(gè)行業(yè)有極大的影響；防止這些疾病的傳染擴(kuò)大，對(duì)奶牛單個(gè)體進(jìn)行精細(xì)化養(yǎng)殖是現(xiàn)代奶牛養(yǎng)殖的主要研究方向，運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行奶牛養(yǎng)殖有效減少疫情的發(fā)生，尤其是在奶牛產(chǎn)業(yè)的安全追溯管理中應(yīng)用具有重要價(jià)值[1-2]。射頻識(shí)別技術(shù)在畜牧業(yè)中的運(yùn)用在發(fā)達(dá)地區(qū)已有很多研究，采用中低頻段來(lái)識(shí)別奶牛身份，識(shí)別范圍比較小[3-4]，在現(xiàn)今大規(guī)模的奶牛養(yǎng)殖中，中低頻段的識(shí)別范圍不能滿足需要，需要研發(fā)出范圍更大、更準(zhǔn)確的識(shí)別系統(tǒng)。基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控目標(biāo)[5-8]，滿足遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)監(jiān)控的要求。

奶牛識(shí)別系統(tǒng)中識(shí)別電子標(biāo)簽采用超高頻射頻識(shí)別，為每頭奶牛建立永久電子檔案。射頻識(shí)別時(shí)，由于存在多個(gè)電子標(biāo)簽，易造成識(shí)別沖突，為防止沖突發(fā)生，正確識(shí)別讀取信息，需要一種合適的算法來(lái)防沖突。目前，采用的沖突算法有時(shí)隙Aloha算法和二進(jìn)制搜索算法[9-11]。

本文研究了采用瘤胃式動(dòng)物電子標(biāo)識(shí)奶牛識(shí)別系統(tǒng)，由射頻識(shí)別技術(shù)和單片機(jī)一起使用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線自動(dòng)識(shí)別，并著重研究了奶牛射頻識(shí)別技術(shù)中存在的沖突問(wèn)題。

1 射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、閱讀控制單元和單片機(jī)組成，如圖1所示。其中，閱讀控制單元電路主要由耦合通信電路、控制器單元電路及射頻發(fā)送單元電路3大塊組成。射頻發(fā)送單元電路采用無(wú)線高頻段射頻，并通過(guò)連接天線、電子標(biāo)簽完成識(shí)別工作。RFID技術(shù)可以通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別指定目標(biāo)并讀取數(shù)據(jù)，且識(shí)別系統(tǒng)與讀取目標(biāo)之間不需要建立機(jī)械連接或接觸，屬于非接觸的讀取識(shí)別技術(shù)。

圖1 射頻識(shí)別系統(tǒng)組成

電子標(biāo)簽由芯片、電池和天線組成，芯片是電子標(biāo)簽的核心組成部分，也稱為應(yīng)答器。電子標(biāo)簽可以根據(jù)需要選擇不同性狀的標(biāo)簽。天線是射頻識(shí)別的外置部分，是射頻識(shí)別的媒介。控制器單元電路和射頻發(fā)送單元電路是發(fā)揮閱讀功能的單元，也可以稱之為閱讀器。射頻發(fā)送單元電路的作用是產(chǎn)生一定射頻頻段的射頻信號(hào)，將調(diào)整的信號(hào)發(fā)射出去，并對(duì)接收進(jìn)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理(見(jiàn)圖2)：閱讀控制單元電路將設(shè)置好頻率的射頻頻段通過(guò)天線發(fā)射出去，當(dāng)植入電子標(biāo)簽的奶牛進(jìn)入天線工作的范圍內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而被激活工作；電流激活的電子標(biāo)簽接收閱讀控制單元的指令，按照指令要求將標(biāo)簽中收集的奶牛個(gè)體信息通過(guò)標(biāo)簽上的天線發(fā)送出去；閱讀控制單元接收到信息后，對(duì)其進(jìn)行解碼，將解碼出來(lái)的信息整理并輸送至數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)管理中心通過(guò)邏輯算法判斷標(biāo)簽信息，并做出相關(guān)處理后將判斷信息返回閱讀控制單元[12]。

圖2 射頻識(shí)別系統(tǒng)工作程序

2 射頻識(shí)別系統(tǒng)中防沖突算法

在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，存在多個(gè)電子標(biāo)簽，在射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀范圍內(nèi)進(jìn)入多個(gè)電子標(biāo)簽時(shí)，所有的電子標(biāo)簽都會(huì)接收閱讀控制電路發(fā)送的指令，從而被激活工作；多個(gè)電子標(biāo)簽激活就會(huì)同時(shí)向閱讀控制單元發(fā)送采集的奶牛的個(gè)體信息，而多個(gè)信號(hào)同時(shí)發(fā)送回導(dǎo)致信號(hào)輸送發(fā)生干擾，信號(hào)同時(shí)擁擠發(fā)送導(dǎo)致閱讀控制電路無(wú)法接收到正確的信號(hào)，產(chǎn)生射頻識(shí)別系統(tǒng)中的沖突問(wèn)題。為了避免沖突的發(fā)生，射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)采取防沖突措施。

2.1 時(shí)隙ALOHA算法

ALOHA算法中電子標(biāo)簽發(fā)送奶牛信息時(shí)，如果同時(shí)識(shí)別范圍內(nèi)進(jìn)入其他電子標(biāo)簽也會(huì)發(fā)送信號(hào)，多個(gè)信號(hào)擁擠接收，會(huì)產(chǎn)生疊加現(xiàn)象，這就是沖突問(wèn)題。閱讀控制單元接收的信號(hào)如果有疊加，可以判斷沖突現(xiàn)象，閱讀控制單元可以根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)送指令到電子標(biāo)簽，控制電子標(biāo)簽是否發(fā)送信息，并控制那部分電子標(biāo)簽延遲發(fā)送信息。ALOHA算法防沖突原理，如圖3所示。

圖3 ALOHA算法防沖突原理

由圖3中可以看出：?jiǎn)渭兊腁LOHA算法可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)沖突的解決，但在信號(hào)發(fā)送中存在沖突就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法發(fā)送成功；而ALOHA算法中可能存在對(duì)同一個(gè)電子標(biāo)簽發(fā)送多次指令，產(chǎn)生多次沖突問(wèn)題，導(dǎo)致閱讀控制單元判斷錯(cuò)誤，且指令輸送時(shí)，沖突產(chǎn)生的可能性比較高，且概率比較大。為了克服這些問(wèn)題，在ALOHA算法的基礎(chǔ)上，提出了時(shí)隙ALOHA算法。該算法是將識(shí)別的時(shí)間段分割成為多個(gè)時(shí)間時(shí)隙，每個(gè)時(shí)間時(shí)隙的長(zhǎng)度為識(shí)別一個(gè)電子標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)的時(shí)間。當(dāng)每一個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)入識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，可在時(shí)隙時(shí)間初始時(shí)間開(kāi)始發(fā)送電子標(biāo)簽的信息數(shù)據(jù)。這樣電子標(biāo)簽發(fā)送信息可能導(dǎo)致兩種結(jié)果：成功發(fā)送或完全沖突，如產(chǎn)生完全沖突，閱讀控制單元發(fā)出延遲指令，將這個(gè)標(biāo)簽延遲識(shí)別，可以減少?zèng)_突發(fā)生的概率。若是有多個(gè)電子標(biāo)簽延遲時(shí)間一樣，還是會(huì)造成沖突問(wèn)題，這種情況，閱讀控制單元控制每個(gè)電子標(biāo)簽的延遲發(fā)送時(shí)間不一樣，就減少了沖突問(wèn)題發(fā)生的概率。但是，時(shí)隙ALOHA算法中因?yàn)榇嬖谘舆t指令，導(dǎo)致識(shí)別需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。

2.2 二進(jìn)制搜索算法

二進(jìn)制搜索算法實(shí)現(xiàn)的前提是確定閱讀控制器中的信號(hào)編碼確定沖突中的準(zhǔn)確位置。Manchester編碼是定位相對(duì)準(zhǔn)確的一種編碼，這種編碼邏輯采用改變電平的方法實(shí)現(xiàn)，即采用0位表示上升沿，1位表示下降沿。因此，在信號(hào)輸送中無(wú)變化的跳變是不允許存在的，且會(huì)當(dāng)成沖突處理。當(dāng)識(shí)別范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)電子標(biāo)簽被激活并發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)有大小不同的數(shù)字值，閱讀器接收口的上升沿和下降沿就會(huì)相互抵消，這時(shí)信號(hào)疊加在同一個(gè)位窗中，使位窗中沒(méi)有跳變，通過(guò)這種情況來(lái)識(shí)別沖突發(fā)生的位置。

除此之外，二進(jìn)制搜索算法還需要在閱讀控制器編輯一組命令，將這組命令發(fā)送至電子標(biāo)簽并進(jìn)行處理。這組命令有：

1)REQUEST。請(qǐng)求命令，其作用是發(fā)生指令給電子標(biāo)簽，并以此作為參數(shù)；電子標(biāo)簽將接收的指令數(shù)據(jù)與自有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果小于或等于，電子標(biāo)簽就會(huì)將接收的指令發(fā)送回閱讀控制器。

2)SELECT。選擇命令，其是采用事先設(shè)置的數(shù)據(jù)作為參數(shù)發(fā)送給電子標(biāo)簽，如果接收指令的電子標(biāo)簽本身的數(shù)據(jù)與接收的指令數(shù)據(jù)相吻合，則以此作為切入點(diǎn)命令該電子標(biāo)簽執(zhí)行其他指令。

3)READ-DATA。讀取命令，接收到指令的電子標(biāo)簽將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至閱讀控制器，閱讀控制分析數(shù)據(jù)后并結(jié)果輸送至標(biāo)簽。

4)UNSELECT。去選擇命令，將已識(shí)別的電子標(biāo)簽取消，使電子標(biāo)簽進(jìn)入無(wú)應(yīng)答狀態(tài)；在無(wú)應(yīng)答狀態(tài)下，電子標(biāo)簽對(duì)閱讀控制器發(fā)出的指令不會(huì)應(yīng)答，如果需要重新識(shí)別該電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽需要離開(kāi)識(shí)別感應(yīng)范圍后，再進(jìn)入識(shí)別感應(yīng)區(qū)重新激活并識(shí)別。

二進(jìn)制搜索算法在閱讀控制器識(shí)別中，當(dāng)不存在沖突時(shí)，就不會(huì)有記憶識(shí)別儲(chǔ)存，就需要閱讀控制器重新發(fā)送指令；但這種操作增加了識(shí)別指令發(fā)送的次數(shù)，延長(zhǎng)了識(shí)別時(shí)間。

2.3 返回式二進(jìn)制樹(shù)形搜索算法

二進(jìn)制搜索算法在閱讀控制器識(shí)別中，當(dāng)不存在沖突時(shí)，就不會(huì)有記憶識(shí)別儲(chǔ)存，就需要閱讀控制器重新發(fā)送指令，從而增加了識(shí)別指令發(fā)送的次數(shù)及識(shí)別時(shí)間。因此，在二進(jìn)制搜索算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)為返回式二進(jìn)制樹(shù)形搜索算法，可減少指令發(fā)送次數(shù)，提高識(shí)別閱讀的效率。

3 防沖突算法識(shí)別步驟

假設(shè)識(shí)別識(shí)別范圍內(nèi)有4個(gè)電子標(biāo)簽需要識(shí)別，其系列碼分別為

TAS1: 10110100

TAS2：10100010

TAS3：10111100

TAS4：00111100

識(shí)別步驟如下：

1)閱讀控制單元發(fā)出請(qǐng)求指令(REQUEST0)，范圍中的電子標(biāo)簽應(yīng)答指令并將電子標(biāo)簽上的系列碼發(fā)送回去，閱讀控制器接收的系列碼就為101XXXX0。

2)閱讀控制單元發(fā)出請(qǐng)求指令(REQUEST10)，電子標(biāo)簽TAS1、TAS2、TAS3的序列碼中的前兩個(gè)數(shù)字與指令相同，將為識(shí)別的部分退回，閱讀控制單元接收序列碼為1XXXX0。

3)閱讀控制單元發(fā)出請(qǐng)求指令(REQUEST1010)，電子標(biāo)簽TAS1應(yīng)答，此時(shí)沒(méi)有沖突，該電子標(biāo)簽接收指令，其他電子標(biāo)簽不再應(yīng)答。

4)完成一次識(shí)別，閱讀控制單元返回初始指令，進(jìn)行下一個(gè)電子標(biāo)簽的識(shí)別。

4 射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析

本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行，射頻識(shí)別系統(tǒng)采用單片機(jī)與閱讀控制器為控制中心，通過(guò)耦合電路實(shí)現(xiàn)通訊；由單片機(jī)發(fā)出指令，閱讀控制器接收單片機(jī)發(fā)出的指令，并將閱讀控制器讀取的數(shù)據(jù)輸送回單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)區(qū)采用4個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，隨意組合進(jìn)入射頻識(shí)別范圍，試驗(yàn)進(jìn)行30次，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 射頻識(shí)別系統(tǒng)多標(biāo)簽識(shí)別

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：電子標(biāo)簽進(jìn)入射頻識(shí)別范圍中，依次進(jìn)入識(shí)別范圍的電子標(biāo)簽識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)到100%；當(dāng)識(shí)別范圍過(guò)大時(shí)，由于電子標(biāo)簽感應(yīng)的電磁電流減小，會(huì)對(duì)識(shí)別造成誤差，降低奶牛識(shí)別的正確率。故在實(shí)際安裝該系統(tǒng)時(shí)，需要考慮識(shí)別范圍的大小和電子標(biāo)簽的位置，因?yàn)槟膛Ｔ谧R(shí)別時(shí)處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，排除識(shí)別時(shí)的干擾因素，可提高射頻識(shí)別的準(zhǔn)確率。識(shí)別系統(tǒng)采用的射頻識(shí)別技術(shù)，射頻頻率會(huì)被環(huán)境濕度影響，空氣濕度大時(shí)會(huì)吸收射頻波段，減少射頻幅度，影響識(shí)別效果，故安裝該系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到空氣濕度的影響，并采取措施排除不良影響。

5 結(jié)論

研究了奶牛身份射頻識(shí)別系統(tǒng)的防沖突技術(shù)，針對(duì)二進(jìn)制搜索算法的不足之處，對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，減少識(shí)別過(guò)程中的消耗時(shí)間，排除了射頻識(shí)別系統(tǒng)中的沖突問(wèn)題，提高了射頻識(shí)別的準(zhǔn)確率。本研究對(duì)奶牛精細(xì)化養(yǎng)殖有著重大的意義。