门禁系统中的RFID时隙防冲突算法

孙 洁，赵春晨

(河北联合大学电气工程学院，河北唐山063009)

0 引言

将RFID技术应用于门禁系统是门禁设备发展的一个新方向，门禁设备通过自身携带的RFID阅读器，读取带有身份信息的电子标签并加以判断，从而获取秘钥并以高度安全的方式进行门控操作。

RFID射频识别技术是一种自动识别技术，它通过无线射频方式获取目标的相关数据，并对目标加以识别。RFID技术的构成主要有两部分:电子标签和阅读器。被识别目标的信息由电子标签承载，电子标签包含电子芯片和天线，电子芯片用来存储目标物体的数据，天线用来收发无线射频。电子标签的天线通过无线电波将目标的数据发射到附近的RFID阅读器，RFID阅读器就会对接收到的数据进行收集和处理。

图1 RFID门禁系统组成框图

1 RFID门禁系统的组成

RFID门禁系统主要由门禁控制器、读卡器、电控锁、识别卡片、其他设备、传输部分所组成。其中控制器是门禁系统的核心部分，它负责整个系统的信息处理、存储和控制;读卡器用来读取识别卡中的相关身份数据;电控锁是门禁系统当中的执行部件，按照不同场合的的使用要求，可将其分为电磁锁、阳极锁、阴极锁;其他设备主要包括时钟、存储器、电源;传输部分是指系统当中与后台监控设备相连的通信网络。RFID门禁系统的组成框图如图1所示。

2 门禁系统防碰撞

在RFID门禁系统中，可能会有1个以上的电子标签同时处于阅读器的工作范围内，这样当有多个电子标签同时发送数据的时候就会出现数据的干扰，其结果将会导致一次传输的失败，因此必须制定相应的通信方式来解决这个问题。一般情况阅读器与电子标签的通信方式主要有三种，分为从一个阅读器到多个电子标签的无线广播式，从多个电子标签到一个阅读器的多路存取式，以及多个阅读器给多个电子标签同时发送数据的形式。

碰撞问题主要发生在多路存取方式中，因此需要用到多路存取法解决防碰撞问题。在无线通信中，多路存取法主要有空分多路法(SDMA)、频分多路法(FDMA)、码分多路法(CDMA)和时分多路法(TDMA)。在RFID系统中，根据其通信的特点，空分法、频分法和码分法在应用中受到一定的限制，只能应用到一些特定的环境，一般系统主要采用时分多路法(TDMA)，而时隙法便是时分多路法的一种。

3 时隙法的分析与描述

每个电子标签中都存储有唯一的二进制代码，阅读器通过识别此代码来建立与电子标签的通信。当阅读器范围内的电子标签多于一个的时候，阅读器在同一时间内无法同时接受到这些代码，便产生了冲突。而时隙法是将一段时间分成若干小段后，在分配给若干电子标签，使每个电子标签对应于唯一的一段时隙，已解决冲突的问题。需要注意的是电子标签的数目和时隙的数目不一定相等，当电子标签数小于时隙数时，会出现空闲的时隙，当电子标签数大于时隙数时，有些时隙会再次分配给多个电子标签。

对于时隙法而言，当前时隙识别的电子标签数目只与前一次时隙后识别的电子标签数有关，即每次能够识别的数目只取决于相邻前一次识别的数目，因此可以通过引入马尔可夫链来分析时隙法。马尔可夫链是具有马尔可夫性质的离散时间随机过程。在该过程中，在给定当前信息的情况下，过去(即当期以前的历史状态)对于预测将来(即当期以后的未来状态)是无关的。设pij=q(Xn+1=j/Xn=i)为转移概率，下面用马尔科夫链建立时隙法的数学模型。

一次时隙后识别的电子标签数目与前一次时隙相比有三种情况，即j＜i，j＞i，j=i，其中j是当前识别数，i是前次识别数。

对于第一种情况j＜i不符合实际逻辑，则可知pij=0;

对于第二种情况j＞i，有如下转移概率:

(2)式表示在固定的时间段内恰有一个电子标签的时隙数量为r的概率。Nn表示n个电子标签被分配给N个时隙的所有分配方法;表示从N个时隙中选出r个时隙，从而建立起与同等数量的电子标签一对一链接，以成功完成数据传输;表示从电子标签中一一选出r个电子标签;H(N－r，n－r)表示将剩下的n－r电子标签分配给N－r个时隙。注意必须要排除一对一的分配情况，否则会出现重复，H(N－r，n－r)可带入公式(3)计算得到。

综合上面的叙述，可以得到时隙法的转移概率

到此，时隙法的马尔可夫链数学模型表述完成。

4 时隙法的性能表述

上面所得的转移概率是一矩阵，记为P=［pij］，而对于马尔科夫链来说，其性质是离散的无限的，因此存在一个向量表示稳态概率分布，记此向量为Τ=［t0，t1，……，tm］，而这个稳态概率向量可以通过线性方程组来计算。下面给出计算公式，从而可以确定时隙数与电子标签识别之间存在的关系。

(8)式中T是特征值对应的特征向量，(9)式E表示识别电子标签数量的数学期望。

根据上述公式，通过MATLAB软件仿真可以得出定时隙数和标签识别成功率之间的关系图如图2所示。

在时隙数为固定值15个，一个阅读器范围内电子标签的数目为20个的情况下，根据图2可知，当系统中只有一个电子标签的时候，阅读器识别标签100%成功。随着电子标签数量的增加，阅读器识别标签的成功率有所下降，当电子标签数量达到8个左右时，阅读器成功识别率趋于平稳，直到电子标签的数量为15个以上时，即开始超过给定时隙数时，阅读器的识别率才大幅度下降。

图2 时隙数固定识别成功率随标签变化关系图

5 小结

目前，将RFID技术应用与门禁设备相结合是门禁系统发展的趋势，为了提高门禁系统管控效率，改善对于电子身份标签读取的碰撞问题，本文描述了时隙防碰撞算法，并引用马尔可夫链为电子标签防碰撞识别建立数学模型，通过对其性能分析得出在定时隙的情况下电子标签的变化与识别成功率之间的关系，从而为门禁系统合理规划标签提供了帮助，并可以此为根据，通过改变时隙数来获取门禁识别范围内同时处理的最佳电子标签数目。

［1］ 黄玉兰.物联网射频识别(RFID)核心技术详解［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

［2］ 刘青，杜江.RFID防碰撞算法中ALOHA算法的研究［J］.科技信息信息，2012，18:113-118.

［3］ 刘云浩.物联网导论［M］.科学出版社，2011.

［4］ 崔沂峰，陈平，张景元.RFID电子标签防碰撞算法的研究［J］.微计算机信息，2007，23:233-234.

［5］ 谢振华，赖声礼，陈鹏.RFID技术和防冲撞算法［J］.计算机工程与应用，2007，43:223-225.