食品标签冲突检测的防碰撞控制

陈卫军，黄永灿（安阳师范学院软件学院，河南安阳455000）



食品标签冲突检测的防碰撞控制

陈卫军，黄永灿
（安阳师范学院软件学院，河南安阳455000）

摘要：提出一种基于冲突检测的食品安全标签防碰撞控制方法.对标签批量读取，进行数据的层次化融合，描述食品安全标签的冲突信号生成模型，分析食品安全追踪标签冲突信号的超宽带特征，实现对食品（食物）的种植、养殖、加工、包装、储藏、运输、销售、消费等活动的安全控制.通过食品安全标签射频识别技术（RFID）进行冲突分流控制，达到防碰撞控制的目的.仿真实验表明：文中方法可加快防碰撞的识别效率，降低标签防碰撞的机率，提高防碰撞检测工作效率.

关键词：冲突检测；防碰撞控制；食品安全；标签；射频识别技术

近年来，随着信息技术的不断发展而出现的物联网技术，使食品安全的网络信息追踪和识别技术得到广泛的应用.在食品安全追踪过程中，需要根据物资标签批量读取技术进行识别，食品标签批次和计量具有复杂性和不规则性，导致标签信息冲突碰撞，需要进行防碰撞控制.食品安全标签防碰撞控制算法在保证食品安全追踪应用过程中具有重要意义［1］.传统方法中，对食品安全追踪标签防碰撞控制方法采用码元帧格式扫频射频识别技术（RFID）达到冲突分流控制的目的，在扩展损失呈突变衰减时，碰撞控制容错效果不好.许多学者对此进行了算法的改进设计［2－6］.本文提出一种基于冲突检测的食品安全标签防碰撞控制方法，达到防碰撞控制的目的.

1　防碰撞控制模型和冲突问题描述

1.1 食品安全标签防碰撞控制模型

建立食品安全标签防碰撞控制模型［7］.食品安全标签控制的分组交换网络有许多组网方式.其中，最为典型的是AD Hoc组网.考虑两种节点k获得未编码分组P的机会：通过链路（k，i）将P传输到节点i，假设食品安全追踪网络系统智能体为Li｛i＝1，2，…，CL｝，网络建模为一个有向图G＝｛V，E｝，其中，V为节点集合，E为链路集合.由此得到食品安全标签控制的节点传递模型，如图1所示.图1（a）中：节点k处的分组为P2.由于超短带格栅状网络路由编码同时涉及到前跳节点和后跳节点的有限功率控制，导致食品安全追踪标签冲突.文中采用射线模型进行邻居节点统计学模型构建，分析食品安全追踪标签冲突信号的超宽带特征，实现对食品（食物）的种植、养殖、加工、包装、储藏、运输、销售、消费等活动的安全控制.生产、加工、销售以及运输整个流通环节的任意时间节点定义为

图1　节点传递模型Fig.1　Node transfer model

zik＝hik（xk，uk）＋vik， i＝1，2，…，M.（1）

式（1）中：i为相应的物资标签传感器节点.

构建标签传感网络模型，采用四元组｛S1，S2，…，SL｝.通过中间件技术对标签批量读取数据层次化融合，食品标签批量读取和网络交互过程中，采用feffecting（Nperception）＝Nsensation描述从知觉层到感觉层的反馈、预测、指导等操作，网络系统节点分布模型为

在使用RFID的无线射频识别技术时，往往会采集到含有大量噪声的原始数据，导致标签碰撞.因此，需要进行防碰撞控制，在信道环境恶劣（如大多普勒频移）时的时隙分配碰撞介质为

采用P为伪码序列，用于时隙同步；I为标识符，用于区分、识别当前食品标签的类型的链路分离.通过上述分析，得到了食品安全标签防碰撞控制模型，为进行防碰撞控制和冲突检测奠定了模型基础.1.2 食品安全检测标签的冲突问题描述

在上述模型构建的基础上，对标签批量读取数据层次化融合，描述食品安全标签的冲突信号生成模型，并进行RFID冲突分流控制［8－13］.假设食品安全检测系统内有m个待识别标签，系统使用L叉树，当搜索深度为1时，食品标签的识别概率为

采用超高频射频识别技术（UHF RFID），得到标签数据的搜索深度的均值为

设计RFID射频中间件技术，提高对计量器具的食品标签批量读取能力，RFID射频中间件分别包括：1）RFID网络中间件；2）RFID配置中间件；3）RFID功能中间件.由此构建食品安全标签的冲突信号模型，得到在约束范围（x，x（k））内，ck以｜mk－lk｜为最大步长，在基点mk的两侧随机取值，i，j分别表示食品安全标签控制网络节点通信范围内的关联状态坐标向量，从而得到节点的密度为

任意网络节点任务执行食品安全追踪标签冲突重整的有限监测向量空间GF（q）上的约束范围为

式（9）中：i′New＝（ei′，1，ei′2，…，ei′，D），其生成公式为式（10）中：sR为局部搜索半径；U（1－sR，1＋sR）取（1－sR，1＋sR）之间的随机数.

当多个食品标签同时存在于阅读器的可读范围内时，所有的电子标签都是工作在读写器的频段上.因此，当读写器唤醒所有标签后，所有标签在同一时间向读写器申请传输数据，产生了数据碰撞，需要进行防碰撞控制［13－16］.

2　冲突检测算法的提出和防碰撞控制改进

2.1 标签冲突检测算法的提出

在食品安全跟踪过程中，各个标签在传输数据时互相干扰，导致标签EPC码的错误传输甚至丢失，产生碰撞（Collision）问题.文中采用RFID技术进行标签的冲突检测.RFID技术最早新兴于国外，各方面已经发展得较为成熟.中国现已在零售业、金融业等行业中大规模地应用了RFID技术，同时也涉及到校园、公共交通和地铁等日常生活范围［17－20］.RFID系统包括标签阅读器和数据处理系统，其组成原理如图2所示.

RFID系统中的信息通信双方是读写器和标签.在实际应用中，RFID系统工作时，一定会出现多个阅读器和标签共同存在的情况.此时，RFID系统的数据传输不可避免地出现信道或时序重叠，容易造成传送的数据错误，即发生了数据碰撞.发生碰撞的射频识别系统中，同时存在着两种不同的碰撞方式：一种是一个标签同时收到了不同阅读器发出的指令，称为阅读器碰撞；另一种是一个阅读器同时收到了多个标签应答的数据，称为多标签碰撞.

目前的防碰撞算法在解决碰撞问题时，通常利用碰撞数据的首位或前几位的信息.传统的食品安全追踪标签防碰撞控制方法采用码元帧格式扫频射频识别技术达到冲突分流控制的目的，在扩展损失呈突变衰减时，碰撞控制容错效果不好.文中提出一种基于冲突检测的食品安全标签防碰撞控制方法.用μ定义碰撞比例，假设标签码长度为n，其中，有nc位产生碰撞.此时，碰撞因子可以表示为μ＝nc/n.如果在阅读识别范围内，共有m个可以识别的标签，那么其中任意一位免于碰撞的概率为0.5m－1，可得

标签识别系统有m个待识别标签，系统使用L叉树，当搜索深度为1时，标签识别概率为P（1）＝［1－L－1］m－1；当搜索深度为k时，识别概率为

此时搜索深度的均值为

图2　RFID系统组成原理Fig.2　RFID system composition principle

通过设置时间窗口的大小检测数据是否冗余，得到时频冲突检测平均时隙数为

由以上分析可知：食品标签的数量与出现碰撞的概率成正比.因此，通过冲突检测可以实现对食品安全标签的防碰撞控制.

2.2 食品安全标签防碰撞控制算法实现

设计一种通过Hashtable保存不同键值数据的时间戳的方法，可实现对食品安全标签的防碰撞控制.具体有以下5个步骤.

步骤1 将空的Hashtable食品数据送入TABLE.

步骤2 判断是否存在标签碰撞，碰撞因子可以表示为μ＝nc/n.如果在阅读识别范围内，共有m个可以计量汲取食品标签的批量识别标签，将下一次食品数据阅读值送入INCOMING.

步骤3 所有的电子标签都是工作在读写器的频段上，因此，当读写器唤醒所有标签后，如果INCOMING的时间戳大于最大窗口时间，则输出INCOMING，同时结束一次阅读循环.

步骤4 组件通过关键字provides和uses申明对接口使用的方式，将食品标签的［INCOMING.key］升级为时间戳.

步骤5 终止循环.

3　仿真实验与结果分析

为了测试文中算法在实现食品安全标签防碰撞控制和食品安全追踪中的性能，进行仿真实验.采用Java语言构建开发在开源的云计算平台框架下进行标签读取的RFID模型.实验仿真环境为：Intel－Core3－530 1G内存；Windows 7操作系统.冲突信号存储了100TB的内容，每个内容块的大小为1 MB，统计表记录了在当前时间周期［t0，t0＋C］内边界路由器R2转发给其他AS的所有interest食品安全追踪报文的统计信息，C为周期长度.仿真实验实验参数为：食品安全追踪数量为1016；节点数目为100个；RFID频段为13.56MHz；标签分布特征为双随机过程.在上述仿真实验环境设计的基础上，进行食品安全标签防碰撞控制实验，生成的冲突信号模型，如图3所示.对冲突信号模型进行时频特征分析，提取能量密度特征，结果如图4所示.图3，4中：t为采样时间；t′为时延.?

图3　食品安全追踪标签冲突信号模型Fig.3　Food safety tracing label conflict signal model

图4　冲突信号时频能量密度特征Fig.4　Time－frequency energy density characteristics of conflict signals

根据上述特征提取结果，对标签批量读取，进行数据的层次化融合，描述食品安全标签的冲突信号生成模型，并进行食品安全标签射频识别技术冲突分流控制，以食品安全检测的识别吞吐率为测试指标，采用传统方法与新方法识别速度的比较结果，如图5所示.图5中：η为吞吐率；n为待识别标签数.

由图5可知：新提出的标签识别比传统的识别速度更快更有效率，加快了防碰撞的识别效率，减低了标签防碰撞的机率，提高了防碰撞检测工作效率，避免了资源的浪费，提高了食品安全追踪的效率和准确性.

图5　传统方法与新方法食品标签识别吞吐率的比较Fig.5　Comparison between traditional methods and new methods for the recognition of food labels

4　结论

食品的安全追踪贯穿于食品种植、养殖、加工、包装、储藏、运输、销售、消费等活动中.在食品安全追踪过程中，需要根据标签物资标签批量读取技术进行识别，食品标签批次和计量具有复杂性和不规则性，导致标签信息冲突碰撞，需要进行防碰撞控制.研究食品安全标签防碰撞控制算法在保证食品安全追踪应用过程中具有重要意义.

文中提出一种基于冲突检测的食品安全标签防碰撞控制方法.构建食品安全标签检测模型，采用中间件技术，对标签批量读取，进行数据的层次化融合，描述食品安全标签的冲突信号生成模型，并进行食品安全标签射频识别技术（RFID）冲突分流控制，达到防碰撞控制的目的.仿真实验表明：改进的RFID标签防碰撞算法可以改善原有的食品标签RFID识别系统，加快防碰撞的识别效率，降低标签防碰撞的

机率，提高防碰撞检测工作效率，避免资源的浪费，提高食品安全追踪的效率和准确性，在食品安全监测等领域具有较好的应用价值.

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（责任编辑：钱筠 英文审校：吴逢铁）

Collision Avoidance Control Based on Food Label Conflict Detection

CHEN Wei－jun，HUANG Yong－can
（School of Software Engineering，Anyang Normal University，Anyang 455000，China）

Abstract：The paper puts forward a kind of food safety label conflict detection based anti－collision control method.It may read labels bulkily，proceed with level data fusion.By describing the conflict signal generation model of food safety labels and analysis the ultra wide band characteristics of food safety traceability label conflict signal，to realize the food safety control of planting，breeding，processing，packaging，storage，transportation，sale and consumption activities.Based on the technology of radio frequency identification（RFID）of the food safety label and the conflict shunt control to achieve the purpose of anti－collision control.Simulation results show that the method may speed up the anti－collision recognition efficiency，reduce the probability of the label anti－collision and improve the anti－collision detection efficiency.

Keywords：conflict detection；collision avoidance control；food safety；tag；radio frequency identification technology

通信作者：陈卫军（1971－），男，副教授，主要从事计算机网络、计算机应用的研究.E－mail：cwj＠aynu.edu.cn.

中图分类号：TP 309.3

文献标志码：A

文章编号：1000－5013（2015）04－0417－05

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0417

收稿日期：2015－06－15

基金项目：河南省科技厅基础与前沿研究基金资助项目（112300410129）