面向物联网的RFID技术在仓储管理系统中的应用

李政 刘钊 孟思彤

摘要：现今，“物联网”一词已出现我们生活的方方面面。如在物资仓储管理过程当中，物联网便扮演着重要角色。然而，物资管理过程当中，更多的是通过人员来操作，导致劳动效率低下，人力资源严重浪费。同时货物数量也在不断地增加，出入库频率更是与日剧增，该模式下，工作效率会大打折扣。针对此现象，本文在物资仓储管理系统中结合了RFID系统，在贴有标签的物资扫描过程中，对信号冲突问题进行标签防碰撞算法优化，提高系统吞吐率，使得新算法读取大量标签时高效、准确。

关键词：仓储管理；RFID；标签防碰撞算法

现今，“物联网”一词频繁地出现在世人眼前，伴随着网络技术、通信技术和智能嵌入技术的迅速发展，物联网已出现在我们生活的方方面面。在众多的自动识别技术中，RFID成为物联网中物品自动识别的最重要的技术，它提供了物联网的“物”与“网”连接的基本手段。RFID系统利用射频信号的空间耦合传输特性，实现对物体信息的自动读取和识别。系统由三个部分组成： 硬件和应用软件部分，以及 RFID应用标准格式和通信协议。

读写器扫描有效范围内的标签，读取数据，完成对产品信息的搜集。在此过程中由于会读取大量标签，势必会造成标签信号冲突，导致标签漏读、误读现象。通过众多学者的研究，标签防碰撞技术主要有4种：空分多路法（SDMA）、频分多路法（FDMA）、码分多路法（CDMA）、时分多路法（TDMA）。而TDMA是现今最常用的。利用该方法设计的算法主要分为两大类：ALOHA算法和二进制树搜索算法。二进制树搜索算法算法在设计过程中较为复杂，需要运行较长时间。因此本文在ALOHA算法的基础上进行改进。

1 Aloha算法描述

1.1 传统防碰撞算法

在纯ALOHA算法中，标签随机选取时间点响应阅读器，发生碰撞时，阅读器向标签发出延迟指令，但该延迟是随机的，因此在该算法中，碰撞周期会很长， 所能达到吞吐率的最大值为18.4%，只适合标签稀疏情况下使用。在纯 ALOHA 算法的基础上稍作改进得到时隙 ALOHA 算法（SA），它将一段时间划分为离散的时隙单元，使得碰撞时长缩短为纯ALOHA算法的一半，因此，吞吐率提高了一倍。帧时隙 ALOHA（FSA）算法引用帧的概念，标签随机选择帧值范围内的一个时隙对阅读器进行响应。

假设N为帧长，n为阅读器范围内可识别标签数，在此假定，各个时隙内所有标签都是均匀分布，则标签选择每个时隙的概率都是 1/N，因此在一个时隙内，具有r个标签的概率为：Pr=Crn（11N）r（1-11N）n-r，该时隙为空时隙、成功时隙、碰撞时隙的概率分别为P0，P1，Pr，三种情况对应的期望值分别为E0，E1，Er，系统吞吐率为S=E11N，由S′=0可知，N≈n+1，可得到帧长与标签数相近时，系统吞吐率最大。由此人们又提出了动态帧时隙ALOHA 算法（DFSA）对每轮查询后未识别标签数进行估计，然后動态地调整帧长，使之与系统内当前标签数相近。

1.2 自适应分组位隙ALOHA標签防碰撞算法

自适应分组位隙ALOHA标签防碰撞算法（AGSA）在DFSA的基础上，在每轮阅读过程中结合了标签估计算法，通过分析根据剩余标签的数量，合理分配帧长。通过MATLAB仿真不同帧长下（N=16，32，64，128，256）吞吐率的变化，发现，相邻帧长下的两条吞吐率曲线会有交点，交点以上，吞吐率一直保持着较高水平，在此基础上进行合理分组，使得时隙数不会因为过多而浪费，也不会因为过少而导致堵塞，系统吞吐率会保持较高水平。当标签数n的取值为22～44时，帧长为32；44～88时，帧长为64；88～177时，帧长为128；当n大于128时，帧长为256且保持不变。这就为后期分组奠定了基础。

L为标签位隙长度，由上述可知，一轮查询内，每个冲突时隙平均含有的标签数如下式：t=n-N11Nr，由此可得系统吞吐率为：

通过MATLAB仿真分析，AGSA算法吞吐率基本维持在70%左右，大大提高了仓储管理系统的工作效率。

2 系统操作

主机与标签进行通信时，首先主机会发送命令给AS3992读写模块，读写模块将收集到的数据返回给主机，两者通信的数据格式是相同的。主机向阅读器发送的命令体为命令码、命令字节长度和命令数据的结合，返回数据的命令码是对发送数据命令码的回答。可对标签操作的命令有盘存命令，唤醒表签/休眠标签，访问命令。例如要选中EPC为01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23的标签，发送33 0F 0C 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23 若接受34 03 09，表示此标签无法读写，若接收34 03 00，表示可以读写此标签了。

打开AS3992 Reader Suite应用程序，首先设置工作频率为915MHz，在Rogers读写器表示上点击右键，选择 Advanced Reader Settings。点击Edit中 Settings 按钮，点击位置 1 ，选择“USA”，然后调整 Output level 的值到恰当的值，比如3 或者1。完成后，均需要点击对应的 Set 按键。接上天线，点击 Start Scan，即可扫描到标签。

3 结论

本文在物联网前提下，研究RFID在仓储管理系统中的应用，并在动态帧时隙ALOHA算法的基础上提出了改进算法。该算法通过在标签信息段后加入一定的时隙数，当碰撞发生时通过时隙再识别，使得系统吞吐率提高近一倍，并结合动态分组，在保持高吞吐率的同时，大大降低了阅读器的查询周期数。

参考文献：

[1]李萌，钱志鸿，张旭，等.基于时隙预测的RFID防碰撞ALOHA算法[J].通信学报，2011，32（12）：4350.

[2]刘晓岗.RFID系统防碰撞算法研究[D].南昌航空大学，2015.

作者简介：李政（1993），女，山西晋城人，计算机技术专业，研究方向：系统监控与网络管理；刘钊（1992），男，河北沧州人，计算机技术专业，研究方向：系统监控与网络管理；孟思彤（1993），女，辽宁本溪人，计算机技术专业，研究方向：系统监控与网络管理。