面向物联网的RFID系统防碰撞技术研究

张燕宁++杜辉++杨洪雪

摘 要：近年来，物联网的发展极为迅速。从技术发展的根源来看，物联网这一概念是继计算机产业技术、互联网信息技术以后的第三次技术革命发起时出现的，标志着信息革命浪潮的再一次掀起。实际上，物联网体系内外的安全架构的建设并不是一蹴而就的，针对用户的服务同样不是一劳永逸的，需要在实践过程中进行调整，尤其是有关物联网RFID标签冲突问题，相关研究领域一直在探究有效解决这一问题的方法。该文就物联网RFID标签防冲突方法加以剖析，详细解读物联网射频冲突问题的改善措施，以期为相关领域的实践应用带来有益的借鉴。

关键词：物联网 RFID标签 技术研究 防冲突方法

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0029-02

在现代社会，需要采取新型RFID标签识别技术来提升物联网环境的科学特性及相关的实践应用效能，并深入探索在二进制树确定性算法支撑下的冲突解决办法与采用ALOHA算法降低RFID标签发生冲突的概率这两项物联网RFID标签防冲突方法。从目前的情况来看，物联网RFID多目标标签识别冲突的情况时有发生，需要采取行之有效的方法来对其进行适当调整，以增强基于RFID标签识别技术的实践应用实效。

1 物联网RFID标签防冲突方法综述

RFID射频识别技术被公认为是本世纪最有发展前途的信息技术之一，已经得到业界以及科研领域的高度重视。从总体来看，在物联网环境下，RFID技术在实际应用的过程中，当RFID阅读器辐射的范围内存在多个目标需要识别时，就出现了标签冲突问题。RFID标签防冲突的方法又要有两种模式：一种是，采用二进制树搜索方法来解决确定性RFID标签冲突；另一种是，采用ALOHA算法来降低随机RFID标签发生冲突的概率[1]。另外，从项目研究的角度来看，对这两种方式的探究都是为日后改善物联网射频阅读器冲突问题的解决做铺垫。

1.1 射频识别技术（RFID）概述

射频识别技术是一种无线通信技术，亦可被称为非触式的自动识别技术。在实践过程中，在无需识别系统与指定目标之间直接接触便可以通过无线电讯号来识别或读写信息数据，该技术的应用范围较为广泛[2]。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波[3]。但同时也存在一个较为特殊的情况，那就是当有多个电子标签进入到一个或者多个阅读器的感应区间范围内时，阅读器就会与多个电子标签发生同时通讯连接，从而使被感应到的无线通信信号相互干扰，造成局部读取信息混乱，最终可能导致阅读器没有办法读取到准确的目标数据信息，在理论上，将这种现象归于“冲突”。

1.2 物联网射频识别技术研发背景

一段时期以来，我们在各个零售商品的实体店环境中，随处可见用以识别物品条形码的设备，该物件的应用替代了以往以人工操作来识别商品的模式，但就从目前市面上所使用的扫码设备来看，设备的使用存在一定局限性，如读取速度较慢，适应性较弱等。同样，二维码技术虽然具备条形码技术所不具备的储存信息量大的优势，但需要进行人工识别，同样存在一定的缺陷，不完全符合大部分应用领域的实际需求。在将RFID系统研究的相关内容付诸于实践的过程中，出现了上文所提及的阅读器无法接受正确信息的状况，即数据获取“冲突”。为了避免这一现象的出现对实际应用产生较为严重的影响，RFID系统定义了一系列当“冲突”发生时的操作方法，并将其定义为物联网RFID标签防冲突方法。近几年，各类IT技术升级换代的速率较以往更快，用户对网络的安全性要求也在不断提升，信息共享与传播随处可见，获取大数据成为现代物联网商业发展的主要手段，而且，各实践领域对于信息识别精准度也有一定的要求。在种种复杂的情形之下，我们更要清醒地认识到，构建面向物联网应用层的安全架构的重要性，让新科技以及有效的信息资源为我们服务。

2 物联网RFID标签防冲突方法解析

在实践过程中可以明显感觉到，RFID射频识别技术虽然具备远距离扫射、识别速度快等特点，但其防冲突能力仍旧存在一定的局限性。为了进一步解析物联网RFID标签防冲突的方法，则要针对射频识别技术进行探讨。在现代人的日常生活中，物联网的应用频率越来越高，安全平台的搭建迫在眉睫，物联网的发展需要一个稳定持久的安全系统平台来巩固其地位。

2.1 时分多址复用内容概述

实际上，对于系统要求低、功耗低的普通RFID系统而言，通常情况下，在解决物联网RFID标签防冲突问题时，所采取的是时分多址复用方法。该方法的操作较为简易，仅在时间上分配可用的信息容量给到多个用户即可，无需对物联网RFID系统进行技术上的改良。从时分多址复用方法的具体应用特征上来看，可将其分为非确定性时分多址与确定性时分多址两种类型[4]。一般情况下，物联网RFID标签防冲突方法的本质都是源于确定性时分多址的资源分配原理。其中，在二进制树确定性算法支撑下的冲突解决办法以及采用ALOHA算法降低RFID标签发生冲突的概率这两种方式都是基于时分多址复用。

2.2 在二进制树确定性算法支撑下的冲突解决办法

RFID技术不仅具备适应性强的特点，而且可以实现加密与读写操作，所储存的商品物件的信息也能够在扫描商品物件时反映出来，因此，增强了多物件商品扫描的快速识别性，进而提高了多目标自动化识别的效率，该技术的应用领域较广。如何提高物联网RFID系统的防冲突能力，有效降低其总的识别时间，改善应用实效，则是当下诸多基于RFID技术实践领域所面临的同一难题。针对这种状况，业界及科研领域在针对物联网RFID系统能力的总体改进思路上达成一致，即提出一种基于电子标签智能化的二进制树型搜索算法。具体来说，从树型搜索算法的不同分集方式来看，可将其再细分为基于随机数算法与电子标签ID算法两种类别，其中，前者是依据时分多址复用的非确定性解决方案而来的，后者是依据时分多址复用的确定性解决方案而来的。通常情况下，二进制树搜索防冲突算法可以解决绝大部分RFID标签冲突问题，因其实质上是在原有协议上进行了技术升级。基于电子标签智能化的二进制树型搜索算法的原理是：按照递归工作方式将冲突的标签进行分类，对RFID辐射范围内的多目标物件进行划归处理，直至最终识别出目标物件[5]。在这一过程中，通过阅读器所发出的带有冲突信息的询问，只有电子标签ID符合询问中的前缀信息的电子标签才能进行应答。另外，每当物联网RFID标签辐射范围内的“冲突”再出现时，阅读器便可以逐渐地在前缀后加0或1对“冲突”信息进行有效扩展，从而达到对其进行分集细化、突出目标对象的目的[6]。在研究领域，也有部分学者或专家针对二进制树确定性算法进行改进，并构建一套较为完整的数据模型验证其效果。实践证明，改进后的二进制树算法较以往有着更小的阅读器寻呼次数、更短的传输时延、更低的电子标签能耗，成果较为突出。

2.3 采用ALOHA算法降低RFID标签发生冲突的概率

发展低成本、精准度高的物联网RFID技术是时下业界的主流趋势。超高频RFID射频识别技术因为其识别距离远、识别速度快、有较强的防冲突能力而被主要用在物流和供应链管理上，并且得到了沃尔玛、麦德隆和IBM等国际大公司的大力推动，发展十分迅速[7]。但实际上，在过去的一段时期里发现，实践过程中RFID标签发生冲突的概率是真实存在的，且不容小觑，否则会给相关领域带来一定的麻烦，进而影响企业经营效益。因此，可以采用ALOHA算法来降低RFID标签发生冲突的概率，简单来说，ALOHA算法思想来源于对数据包通信网络中突发流量问题的解决方案。实践表明，该模式下的RFID标签发生冲突的情况有所改善。从理论上来看，帧时隙（ALOHA）算法的原理相对较为复杂，涉及到很多计算问题，其主要是利用帧大小来决定时隙大小，进而降低RFID标签发生冲突的概率。从某种程度上来看，现代科技的发展势不可挡，但需要采用合理有效的安全管理措施来降低系统出错概率，为广大物联网用户保驾护航。

RFID射频识别技术的功能极为强大，给人们的日常工作带来了便利。经过一段时期的研究与实践，物联网RFID标签防冲突方法定会日趋完善，而且，相关领域基于该技术方法的实际应用成效也会有所改善。除此之外，由于考虑到电子标签发生碰撞的比特位位置的不确定性，在研究以及实践应用过程中增加了锁位寻呼指令，将发生“冲突”的比特位进行锁定，在锁定位上进行二进制树防碰撞处理，这样可以有效地去除寻呼过程中信息冗余的那些位，以提高系统的性能。这种方式同样可以在一定程度上防止物联网RFID标出现“冲突”现象，进而提升RFID射频识别技术的整体性能，并能够在实践的过程中，突显其重要价值。从现阶段的社会环境中以及项目研究的过程中可以清楚地看到，随着物联网RFID标签价格的下降以及该技术的日益成熟，物联网RFID标签的应用正在快速地渗透到现代人们的日常生活与工作中，加紧了“大数据”时代的发展步伐。

3 结语

总而言之，物联网技术及服务的整合是信息时代发展的必然趋势，在实践过程中，我们会发现一些问题，如类似物联网RFID标签冲突的问题等等，但这些状况并不能成为阻碍物联网技术应用的实质性因素，而应成为提升物联网技术实践效能的突破口。研究发现，解决RFID系统标签冲突的方案有两项：其一是采用二进制树搜索方法来解决确定性RFID标签冲突；其二是采用ALOHA算法来降低随机RFID标签发生冲突的概率，尽管这两项方案的机理有所不同，但都可以在一定程度上改善物联网射频识别技术的发展潜能，并提高相关领域的应用成效。

参考文献

[1] 吴海锋，曾玉，丰继华.无标签数估计的被动RFID标签防冲突二进制树时隙协议[J].计算机研究与发展，2012（9）：1969-1971.

[2] 高金萍，石竑松，王宇航，等.物联网应用中有源RFID标签的EAL4安全要求[J].清华大学学报：自然科学版，2012，10（10）：1457-1459.

[3] 吴黎明，陈泰伟，项颖.新颖的物联网RFID传感系统防冲突算法[J].计算机应用，2013（3）：614-617.

[4] 王永红，肖硕.高密度物联网标签防止冲突的研究[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2010（5）：14-16.

[5] 胡艺峰，张友华，李绍稳，等.基于RFID技术的农产品流通信息系统研究[J].数字技术与应用，2011（5）：63-64.

[6] 彭康，徐闯，余洪江，等.远程识别中多标签防冲突算法的改进[J].电子测量与仪器学报，2011（6）：558-560.

[7] 谢磊，殷亚凤，陈曦，等.RFID数据管理：算法、协议与性能评测[J].计算机学报，2013（3）：468-470.