基于物联网技术的声表面波无线标签接收方法

孙杰林，赵俊栋

（威海北洋光电信息技术股份公司，山东 威海 264209）

0 引 言

声表面波无线标签接收采用表面波器件作为无线射频标签，是射频识别探测技术的分类之一。声表面波无线标签主要分为射频标签和无芯片标签两种。根据表面波器件是否加装电池，又可以将射频标签分为有源标签、无源标签以及半无源标签三种类型。无线标签的作用是存储声表面波相关信息，是由声表面波无线传感器根据反射信号自动生成的。近几年，声表面波无线传感技术快速发展，声表面波传感器由于具有灵敏度高、精度高、效率高等优点，已经被广泛应用到多个领域。而标签接收作为声表面波传感器数据采集过程中的一个重要流程，其接收精度直接关系到声表面波传感器的数据采集精度，因此无线标签接收在声表面波无线传感中起到至关重要的作用。国内声表面波无线标签接收的研究起步比较晚，该方面的技术与理论还不够成熟，现有的接收方法主要为基于人工智能的接收方法。该方法主要采用人工智能技术对声表面波无线标签进行深度挖掘，通过迭代计算识别到无线标签。由于计算过程比较复杂、计算量较大，很容易出现误差，导致传统方法在实际应用中经常出现漏收、错收现象，无线标签接收率较低，已经无法满足实际需求。为此，本文提出基于物联网技术的声表面波无线标签接收方法设计。

1 声表面波无线标签接收方法设计

1.1 无线标签识别

标签识别是声表面波无线标签接收的首要步骤。为了保证无线标签的接收精度，需要在接收前确定声表面波射频范围内存在的无线标签的数量，识别目标标签。正常情况下，无线标签相关信息主要赋存于标签发射端I、Q 两路信号和包络信号中。由于包络信号与信号发射距离具有正相关关系，即随着声表面波传播距离的增加，包络信号会逐渐衰弱，该信号不利于获取。而I、Q 两路信号却不存在该关系，信号的强弱不会随着声表面波传播距离的增加而变化，因此选择I、Q 两路信号作为声表面波无线信号识别数据依据[1]。声表面波无线标签是否存在，可以从I、Q 两路信号的幅度看出。当声表面波射频范围内存在无线标签时，I、Q 两路信号在部分时域上存在连续的波峰，波峰数量通常在3 个或3 个以上，波峰是射频信号发射端发出的高频脉冲激励信号。因此可以根据该特征判断声表面波射频范围内是否存在无线标签。

判断有效识别范围内存在无线标签后，利用动态帧时隙算法对无线标签的数量进行估算。无线标签识别通过阅读器实现。假设声表面波无线标签发射端在发射周期内发射了N个无线标签，阅读器初始帧长为h。阅读器接收到标签识别指令后，随机选择一个时隙号，将其作为识别结果恢复的工作时隙，将阅读器的工作时隙设定为空闲时隙、成功时隙及碰撞时隙三种。其中，空闲时隙表示在识别范围内没有声表面波无线标签；成功时隙表示在识别范围内仅存在一个声表面波无线标签，即I、Q两路信号在时间域上仅表现出一组连续的波峰，其余为回波噪声；碰撞时隙表示存在两个或者两个以上的无线标签。利用最小值估算法计算当前无线标签数量下限值，其计算公式为：

式中：Nmin表示当前无线标签数量下限值，S表示一帧中成功时隙的数量，C表示一帧中碰撞时隙的数量[2]。再根据一帧中碰撞概率计算出无线标签总数，其计算公式为：

式中：E表示一帧中碰撞时隙的数学期望值，Cq表示碰撞概率，L表示帧长[3]。利用上述公式计算出识别范围内声表面波无线标签数量，以此完成无线标签识别。

1.2 基于物联网技术的无线标签定位及接收

根据阅读器识别结果，利用物联网技术对识别到的无线标签进行定位和接收。物联网技术实际是物与物、物与网关联，形成一个网络架构，为信号传输搭建桥梁。声表面波无线标签接收涉及到标签发射端、阅读器、放大器、定位器以及标签接收端，无线标签接收是在各个单元与设备之间数据通信基础上实现的，因此利用物联网技术设计接收通信网关。该网关采用IEEE1514.62.4 协议栈，为各个单元与设备之间的通信提供网络协议，包括传输控制协议、因特网互联协议、局域网协议等，并为每个通信网络协议设定了相应的网络接口[4]。通过网络接口将标签发射端、阅读器、放大器、定位器、标签接收端连接，建立通信关系。阅读器将时隙信号发送给定位器，由定位器对无线标签进行定位。正常情况下，标签接收端在无线网络中产生无线脉冲信号，信号接触到声表面波标签后会形成无线激励信号。由于声表面波传播的速度要比无线脉冲信号传播速度低3～4 个数量级，射频的无线标签可以被存储在声表面波器件中，经过时延，标签接收端会接收到被声表面波无线标签的反射栅反射回来的编码信息，根据声表面波无线标签的编码方式，对无线标签进行解码，从而接收到无线标签[5]。实现这一过程，标签接收端需要根据脉冲时延确定无线标签所在位槽位置，利用最大相关法计算出脉冲时延，其计算公式为：

式中：x表示在前一时刻已对准回波的脉冲信号，x2表示此时待对准回波的脉冲信号，ε表示声表面波发射周期，t表示脉冲信号接触到声表面波无线标签后返回的时延[6]。根据计算得到的脉冲时延计算出无线标签所在槽位位置，其计算公式为：

式中：r(d)表示脉冲信号传播路径，即信号发射点与声表面波无线标签之间的距离；m表示回波序号，n表示距离门序号。

定位器利用上述公式对声表面波无线标签定位后，经过搭建的网关，选择相应的网络协议，将信息发送给标签接收端[7]。标签接收端向放大器发送信号放大指令，由信号放大器对信号放大处理，并经过物联网基站的同步信号后，对声表面波无线标签进行接收。码字接收数据帧格式如图1 所示。

如图1 所示，标签接收端接收标签字码的字节为0x21，将声表面波无线标签存放在Data 中，其中包括码字类型、码字数据。将接收到的声表面波无线标签编码，按照其编码生成方式对其进行解码，从而接收到声表面波无线标签。

2 实验论证分析

实验以7 000 个声表面波无线标签为实验对象，无线标签所在槽位序号为A、B、C、D、E、F、G、H，利用此次设计方法与传统方法对其进行接收。实验准备了一台信号发射器、一台阅读器、一台定位器、一台信号放大器以及一台无线标签接收机。由信号发射器发射脉冲信号，发射频率设定为 0.15 Hz，信号发射周期设定为0.5 s，共发射10 000个脉冲信号。按照上文接收流程对信号进行处理和分析，对声表面波无线标签进行识别、定位和接收，具体接收情况如表1 所示。

实验以接收率作为检验两种方法接收效果的唯一指标。在实验中，记录两种方法接收到声表面波无线标签的数量，将其与实际情况对比，计算出声表面波无线标签数量为1 000 个、2 000 个、3 000 个、4 000 个、5 000 个、6 000 个、7 000 个时，两种方法的标签接收率，并使用电子表格对数据进行记录，具体结果如表2 所示。

通过对表2 中的数据进行分析可以得出以下结论：应用本文设计方法，声表面波无线标签接收率平均值为98.68%，最高接收率为99.97%，说明基本可以实现对声表面波无线标签全部接收；而应用传统方法，声表面波无线标签接收率最高仅为68.46%，平均接收率为59.67%，远远低于本文设计方法。因此，实验结果证明了，本文设计方法的声表面波无线标签接收效果比传统方法更好，本次提出的声表面波无线标签接收思路具有良好的可行性与可靠性。

表2 两种方法应用下声表面波无线标签接收率对比

3 结 语

本文将物联网技术应用到声表面波无线标签接收中，提出一种新的无线标签接收方法，并通过实验论证了该方法的可行性与可靠性，有效提高了声表面波无线标签接收率。此次研究有助于提高声表面波无线标签接收技术水平，同时还有助于丰富该方法的研究理论，具有重要的现实意义。但是由于提出的方法尚未在实际中进行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之处，今后仍会对该课题进行研究，为声表面波无线标签接收提供有力的理论支撑。