煤矿安全预警系统中RFID防碰撞算法的研究

中图分类号：TP301.6 论文编号：HBLH 2014-203 U D C： 密 级： 公 开

硕 士 学 位 论 文

煤矿安全预警系统中RFID防碰撞算法的研究

作者姓名：赵跃

学科名称：控制理论与控制工程 研究方向：复杂工业系统建模与控制 学习单位：河北联合大学 学习时间: 2.5年 提交日期: 2013年11月22日 申请学位类别：工学硕士

导师 姓名：马翠红 教授 单位：河北联合大学电气工程学院 论文评阅人：孙文来 正高级工程师 单位：唐山市热力总公司

侯国强 教授 单位：河北联合大学信息工程学院

论文答辩日期：2014年1月12日 答辩委员会主席：孙文来 正高级工程师 关 键 词：煤矿安全；射频识别；ALOHA算法；二进制树算法；防碰撞

唐山 河北联合大学

2014年3月

Research of RFID Tag Anti-collision Algorithm in Coal

Mine Safety Early Warning System

Dissertation Submitted to Hebei United University in partial fulfillment of the requirement

for the degree of

Master of Science in Engineering

by Zhao Yue

(Control Theory and Control Engineering)

Supervisor: Professor Ma Cuihong

March, 2014

独 创 性 说 明

本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北联合大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解河北联合大学有关保留、使用学位论文的规定，即：已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交流。

论文密级： □ 公开；

□ 保密（至 年 月）(保密论文在解密后遵守此规定)。

作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日

摘 要

摘 要

无线射频识别技术（RFID）兴起于二十世纪90年代，它是一种非接触式的自动识别技术。由于在采集与处理信息方面具有快速、实时、准确等特点，被广泛的应用在公共交通、医疗、物流等领域。伴随着其应用领域的扩大，RFID技术已经成为了国内外研究的热点。

随着RFID技术的不断改进与发展，读写器与标签之间的数据通信距离也越来越远，读写器对标签的识别范围也在不断扩大。然而相关的问题也随之而来，比如在读写器识别范围内，当有多个标签同时响应读写器时，由于它们在某一时刻共用了同一个信道，这样将会导致标签之间发生数据信息重叠，读写器不能正常的识别每一个标签，这就是所谓的标签之间的碰撞问题。目前解决标签防碰撞问题的算法主要有两大类。一类是基于ALOHA的不确定性标签防碰撞算法；另一类是基于二进制树搜索的确定性标签防碰撞算法。

首先介绍了RFID技术，主要包括系统构成、物理学工作原理以及一些相关技术。接下来重点分析了以时分多址技术为基础的ALOHA系列算法和二进制树系列算法。通过对这两大类算法进行数学分析、实例分析，运用Matlab对它们在系统吞吐率、时隙消耗量以及传输的数据量等方面进行仿真分析。然后综合这一系列的分析，比较这两大类算法的优缺点。

最后提出了一种基于ALOHA的改进算法。当标签大量存在时，通过对标签进行分组来控制每一帧内与读写器通信的标签个数。在每一帧结束时，使用Schoute算法对标签进行估算，动态的改变帧长，提高系统的吞吐率以及读取时间。对改进算法进行Matlab仿真发现，相比之前的算法具有较大的优越性。

图 30幅；表 4个；参 42篇。

关键词：煤矿安全；射频识别；ALOHA算法；二进制树算法；防碰撞 分类号：TP301.6

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河北联合大学硕士学位论文

Abstract

Radio Frequency Identification (RFID) technology emerged in the 1990s, it is a non-contact automatic identification technology. Since the acquisition and processing of information is fast, real-time, accurate, etc., it is widely used in public transport, health care, logistics and other fields. With the expansion of application fields, RFID technology has become a hot research.

With the continuous improvement and development of RFID technology, data communication distance between the reader and the tag has become increasingly far, range of identification tag is constantly expanding. However, there are related problems in this system, for example, when there are multiple tags simultaneously responding to the reader in the range of reader identify, because they share the same channel at a time, so this will result that labels sent overlapping data to reader, the reader does not normally identify each label. This is the so-called collision between labels. Currently, to solve the problem tag anti-collision algorithm has two main categories. One is based on the uncertainty label ALOHA anti-collision algorithm; the other is based on the certainty of a binary tree search tag anti-collision algorithms.

Firstly, this paper introduces the RFID technology, including system structure, working principle of physics, as well as some related technologies. The next focus of analysis is time division multiple access technology based on binary tree algorithm and ALOHA series count. Through these two categories are done algorithm mathematical analysis and case analysis, using Matlab simulates them in the system throughput, time slot consumption, the amount of data and other aspects. This series of comprehensive analysis compare the advantages and disadvantages of these two categories of algorithms.

Finally, this paper proposes a novel ALOHA algorithm. When the label abound,we group label to control communication with the reader in every frame number of tags. At the end of each frame, we use Schoute algorithm to estimate the tags, and change the dynamics of the frame length to improve the system throughput and read time. The improved algorithm using Matlab simulation found that it has many advantages when comparing with the previous algorithm.

Figure30; Table4; Reference 42

Keywords: coal mine safety, RFID, ALOHA algorithm, binary tree algorithm, anti-collision Chinese books catalog: TP301.6

- II -

目 次

目 次

引 言 ....................................................................................................................... 1 第1章 绪论 ................................................................................................................. 2

1.1 选题背景 ......................................................................................................... 2 1.2 煤矿安全预警系统国内外研究现状 ............................................................. 3

1.2.1 国外煤矿安全预警系统现状 ............................................................... 3 1.2.2 国内煤矿安全预警系统现状 ............................................................... 4 1.2.3 存在问题 ............................................................................................... 4 1.3 RFID技术国内外研究现状 ............................................................................ 5 1.4 RFID技术的应用 ............................................................................................ 5 1.5论文主要内容及组织结构 .............................................................................. 6

1.5.1 主要内容 ............................................................................................... 6 1.5.2 组织结构 ............................................................................................... 7

第2章 RFID系统分析 ............................................................................................... 8

2.1 RFID系统构成 ................................................................................................ 8

2.1.1 标签 ....................................................................................................... 8 2.1.2 读写器 ................................................................................................... 9 2.1.3 计算机通信网络 ................................................................................. 11 2.2 RFID 系统的基本工作原理 ......................................................................... 11

2.2.1 电感耦合系统的工作原理 ................................................................. 12 2.2.2 电磁反向散射 RFID 系统的工作原理 ............................................ 13 2.3 多址技术 ....................................................................................................... 15 第3章 常见的RFID防碰撞算法 ............................................................................ 20

3.1标签碰撞的产生 ............................................................................................ 20 3.2 ALOHA系列算法 ......................................................................................... 20

3.2.1 纯ALOHA算法 ................................................................................. 20 3.2.2 时隙ALOHA算法 ............................................................................. 22 3.2.3 帧时隙ALOHA算法 ......................................................................... 24 3.2.4 动态帧时隙ALOHA算法 ................................................................. 26

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3.3 二进制系列算法 ........................................................................................... 28

3.3.1 基本二进制树搜索算法 ..................................................................... 28 3.3.2 动态二制树搜索算法 ......................................................................... 32 3.3.3 后退式二进制树搜索算法 ................................................................. 34 3.3.4 三种二进制树算法的仿真分析 ......................................................... 35 3.4 本章小结 ....................................................................................................... 37 第4章 基于分组动态帧时隙ALOHA算法 ........................................................... 39

4.1 算法思想 ....................................................................................................... 39 4.2 算法数学分析 ............................................................................................... 40 4.3 典型标签估算算法 ....................................................................................... 41

4.3.1 Vogt算法 ............................................................................................. 42 4.3.2 Schoute算法 ........................................................................................ 43 4.3.3 Lower Bound算法 ............................................................................... 43 4.3.4 碰撞率算法 ......................................................................................... 43 4.3.5 标签估算算法仿真比较 ..................................................................... 44 4.4 算法步骤 ....................................................................................................... 45

4.4.1 标签分组阶段 ..................................................................................... 46 4.4.2 标签识别阶段 ..................................................................................... 47 4.5 仿真结果分析 ............................................................................................... 48 结 论 ......................................................................................................................... 51 参考文献 ..................................................................................................................... 52 致 谢 ......................................................................................................................... 55 导师简介 ..................................................................................................................... 56 作者简介 ..................................................................................................................... 57 学位论文数据集 ......................................................................................................... 58

- IV -

引 言

引 言

煤炭作为我国的主要能源之一，在国民经济发展中起着举足轻重的作用。煤炭开采属于高危行业，煤矿安全问题一直严重影响着煤炭产业的稳定发展和煤炭开采人员的生命安全。现有的煤矿安全预警系统缺乏统一的标准，并且只能对井下的煤炭开采设备和环境参数进行监控，缺乏对井下作业人员的时时定位与跟踪。

本课题“煤矿安全预警系统中RFID防碰撞算法的研究”，来源于河北省科技计划项目“基于物联网技术的煤矿安全生产预警平台的开发与示范”，项目编号：12276906D；唐山市科学技术研究与发展计划“基于物联网技术的煤矿安全生产预警系统的开发与示范”，项目编号：11130203A、12130212A。本课题将RFID技术应用于煤矿安全预警系统中，实现对井下作业人员、环境参数以及开采设备的有效管理与全面监控。一个典型RFID系统由天线、读写器和电子标签所组成。放置在空间某处的读写器通过天线对外发送射频信号，一旦电子标签进入读写器的响应范围，将主动将自己的数据信息发送给读写器。但是当多个标签同时发送数据信息给读写器时，这些标签就会共用同一个通信通道，从而标签与标签之间会出现彼此信号重叠或者部分重叠，导致碰撞的发生。

为了解决标签之间的碰撞问题，相关领域的专家提出了很多种的标签防碰撞算法。现有的标签防碰撞算法主要包括两种类型。第一类为基于ALOHA的不确定性算法，由于在该类算法中标签随机选择时间点向读写器发送数据信息，所以会出现一些标签漏读的现象。第二类为基于二进制树的确定性算法，该算法不会出现标签漏读现象。但是当读写器响应范围内有大量标签出现时，算法对标签的识别速度急剧下降。因此需要设计出一种标签识别率高、识别时间短的标签防碰撞算法。算法性能的改进，提高了标签的识别率及识别速度，进而能使算法更好的依托于读写器对井下的作业人员和设备实现更全面及时的监控。

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第1章 绪论

1.1 选题背景

煤炭作为当今世界的一种重要资源，对我国的生产和发展具有重要意义，工农业的生产和发展都需要煤炭来提供能源和动力。在当今社会，煤炭不仅仅是作为燃料使用，随着科学技术的进步和发展，研究和开发煤炭的综合价值，增加煤炭的附加值越来越成为各个焦化企业发展的方向，同时也是资源日益枯竭的需要。所以，在今后的生产发展过程中，煤炭还会在我国各行各业发挥巨大的推动作用。我国煤矿事故多、伤亡重、经济损失大，重特大伤亡事故时有发生，给国家和人民带来生命及重大财产损失。据煤炭工业经济运行中心的统计数据，1991~2000年的10年间，全国共生产煤炭116.01亿吨，死亡人数为59682人，平均百万吨死亡率为5.14。2003~2007年，全国煤矿共发生事故16456起，死亡26931人，平均每年发生3291起、死亡5386人。其中发生重大事故183起，死亡2877人，分别占总数的0.1%和10.6%；发生特大事故35起、死亡2284人，分别占总数的0.2%和8.4%。特别需要指出的是从2004年第三季度到2005年底煤矿相继发生了6起死亡百人以上的特别重大事故，损失惨重，造成了严重的社会影响[1]。

与美国、澳大利亚等其他主要产煤国家相比，我国煤炭行业的安全状况还存在很大差距。2003年世界煤炭产量约50亿吨，煤矿事故死亡总数约8000人。当年国内煤炭产量约占全球的35%，事故死亡人数则占近80%。2003年国内煤矿平均每人每年产煤321吨，效率仅为美国的2.2%、南非的8.1%，而百万吨死亡率约为印度的10倍，南非的30倍，美国的100倍。近年来虽然有所好转，但仍远远高于世界平均水平。2007年我国煤矿的百万吨死亡率是2.041，现在发展中的煤炭大国，如印度、南非、波兰在0.5左右，我国是他们的4倍。先进国家，如美国、澳大利亚大约为0.03、0.05，我国现在是他们的40倍、50倍。

我国煤炭生产事故多发，具有多方面的原因，如地质条件因素、煤矿从业人员素质相对较低、全局或局部通风不畅、现场预警报警手段落后、管理机关对矿井下瓦斯变化缺少有效的预警条件与手段等等，但其中最关键的因素是缺乏相应的煤矿安全装备。煤矿安全装备是防治煤矿事故的重要手段，在防治灾害事故中发挥了重要作用。但目前仍存在很多问题，例如：许多装备适应性不强、可靠性差、没有统一的接口和标准、已经装备的预警系统未能发挥应有的作用。煤矿装备的安全预警

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