3 Расчет параметров RFID-системы и алгоритм антиколлизий
В этой главе произведем расчет необходимых параметров RFID-системы для реализации данной технологии в системе складирования. Произведем расчет связи в дальней зоне и определим тем самым расстояние считывания от мощности используемого RFID-считывателя. Разработаем программу антиколлизии на языке Turbo Pascal 7.1, проанализировав тем самым результаты разработанной программы. Произведем расчет возможности реализации RIFD-системы на складе, посчитав зону покрытия считывания товара с полок стеллажей, количество товаров при этом должно удовлетворять результатам программы, рассчитаем длину антенны диполя и построим ее диаграмму направленности. По результатам расчетов произведем необходимые выводы.
3.1 Связь в дальней зоне поля
Определим, в какой зоне поля работает предлагаемая система. Частота взаимодействия системы 868 МГц, следовательно, длина волны:
=cf
где – длина волны, м;
c – скорость света, м/с.
– рабочая частота, Гц.
3 10 868 10
тогда
2 0,3462 3,14
То есть r>> /2 , где r – расстояние между считывателем и меткой. Можно сделать вывод, что в системе преобладает работа в дальней зоне поля [2].
Используя предъявляемые производителями RFID-оборудования параметрами системы, построим график зависимости уменьшения мощности при увеличении расстояния между считывателем и меткой:
— мощность передатчика: Р=100 мВт;
— усиление антенны считывателя: Gr=2;
— усиление антенны транспондера: G=0,5;
— коэффициент поляризационного рассогласования: р=1.
P(x)=p P G Gr (4 x)
На рисунке 3.1 представлено окно MathCAD, на котором производится построения графика зависимости мощности, принимаемой антенной метки от расстояния.
Рисунок 3.1 – Окно программы MathCAD c построением графика зависимости мощности от расстояния.
Рисунок 3.2 – График зависимости мощности, принимаемой антенной метки от расстояния
На рисунке 3.2 видно, что мощность, принимаемой антенной метки, резко уменьшается при приближении к отметке 1,5 метра. В нашем случае на расстоянии 0,8 метров мощность, излучаемая считывателем, составляет 0,125 мВт или, что вполне достаточно для приема транспондером этого сигнала.
3.2 Разработка программы антиколлизий
Во второй главе были теоретически описаны основные проблемы коллизий, рассмотрены основные методы мультидоступа для выделения и идентификации отдельного транспондера из группы аналогичных устройств.
Одной из известных процедур мультидоступа является процедура ALOHA, которая представляет собой управляемую транспондером стохастическую процедуру мультидоступа с разделением по времени. Свое название эта процедура получила в связи с тем, что была разработана для радиосети передачи данных ALOHANET на Гавайях в 1970-е годы.
В системах RFID процедура ALOHA используется исключительно с транспондерами типа «только чтение», которые обычно представляют лишь небольшие объемы данных (порядковые номера). Как только пакет данных оказывается готовым к передаче, он посылается от транспондера к считывателю[16].
Несколько транспондеров отправляют свои пакеты данных в случайные моменты времени. Это может привести к столкновению
входе считывателя, в результате чего для столкнувшихся пакетов данных пропускная способность системы падает до нуля.
С другой стороны, время передачи данных от транспондера на считыватель занимает только часть периода повторения, поэтому между передачами получаются относительно длинные паузы. Кроме того, периоды повторения для отдельных транспондеров слегка отличается. Поэтому существует некоторая вероятность, что два транспондера будут передавать свои пакеты данных в разное время, и эти пакеты данных не будут сталкиваться друг с другом.
Введения в антиколлизионную процедуру мер синхронизации и так называемых временных слотов позволяет значительно повысить пропускную способность этой процедуры. Под временными слотами (таймслотами – timeslots) понимают специально выделяемые считывателем синхронные промежутки времени, в течение которых транспондеры могут выполнять передачу пакетов данных. Модернизированная антиколлизионная процедура ALOHA с использованием временных слотов получила название S-ALOHA (Slotted ALOHA). Синхронизацию работы всех транспондеров должен осуществлять считыватель. Поэтому процедуру S-ALOHA является управляемой считывателем стохастической антиколлизионной процедурой типа TDMA.
Рассмотри особенности функционирования антиколлизионной процедуры S-ALOHA на конкретном примере. Введем в зону считывания пять транспондеров (см. таблица 3.1). Считыватель передает транспондерам через циклические промежутки времени команду опроса REQUEST(Запрос). Как только транспондеры приняли команду REQUEST, каждый из них выбирает с помощью собственного генератора случайных чисел один из доступных временных слотов для того, чтобы отправить считывателю свой порядковый номер[16].
Т а б л и ц а 3.1 – Антиколлизионная процедура с использованием временных слотов
В рассматриваемом примере в результате произвольного выбора транспондерами слотов возникают коллизии между транспондерами в слотах 1 и 2. Только в слоте 3 порядковый номер транспондера 4 может быть передан без коллизий. Если порядковый номер транспондера принят считывателем без
ошибок, тогда этот транспондер может быть выбран считывателем команды SELECT (Выбрать), и затем считыватель проводит с ним необходимые операции считывания или записи без коллизий с другими транспондерами. Если при первой попытке порядковый номер транспондера не выявлен, считыватель снова повторяет команду опроса REQUEST в циклическом режиме.
После обработки выбранного транспондера считыватель переходит к поиску остальных транспондеров в зоне опроса с помощью новой команды опроса REQUEST[16].
3.2.1 Алгоритм программы антиколлизий.
Для решения проблемы возникновения коллизий разработана программа антиколлизии, основанная на использовании временных слотов. В качестве единицы был взят временной слот, в момент которого происходит передача информации в канал связи от транспондера к считывателю, а в качестве нуля – временной слот, в котором метка находится в режиме ожидания и не передает никакой информации в канал связи. По запросу программы, можно ввести любое количество транспондеров в диапазоне чисел 0-225.
При входе меток в зону считывания, RFID-считыватель подает сигнал меткам о начале своего сеанса работы. Каждая метка выбирает с помощью собственного генератора случайных чисел один из доступных временных слотов для того, чтобы отправить считывателю информация со своими данными. Во время сеанса передачи меткой информации возможна коллизия с соседними метками. В этом случае считыватель принимает решение о невозможности передачи данных и подает сигнал транспондерам о повторной передачи информации. Данный процесс происходит до тех пор, пока в определенном временном слоте не окажется один транспондер в режиме передачи информации, а все остальные транспондеры будут находиться в режиме ожидания в этом же временном слоте. После успешной обработки информации, выбранный транспондер выходи из канала считывания и отключается на время окончания считывания всех остальных транспондеров, а считыватель переходит к поиску остальных транспондеров в зоне опроса с помощью новой команды опроса. Данный алгоритм продолжается до тех пор, пока все метки не закончат свой сеанс в зоне опроса считывателя.
3.2.2 Программа антиколлизии на языке Turbo Pascal 7.1.
Программа написана на языке Turbo Pascal 7.1 [25, 26]. Листинг программы и блок-схема программы представлены в приложении А и Б соответственно.
3.2.3 Модель работы программы антиколлизий.
Пример работы программы, изображенный на рисунке 3.3, показывает, что из 5 меток, находящихся в зоне опроса считывателя в данный момент, на обработку попадает первым транспондер с порядковым номером 5, а последний с порядковым номером 2. Также, можно убедиться в правильности выбора меток, временном слоте которых нет коллизии. В первой итерации коллизии не наблюдается в 1 временном слоте в метке под номером 5, после этого во второй итерации метка 5 полностью отключается. Во второй итерации не наблюдается коллизии в 11 временном слоте в метке под номером 4, она также отключается до тех пор, пока программа не завершит свою работу. Последним считывается метка под номером 2 в 1 временном слоте.
Рисунок 3.3 – Скриншот работы программы для 5 меток
Для системы складирования 5 меток не достаточно, поэтому рассмотри программу для множества числа меток (рисунки 3.4-3.6)
Рисунок 3.4 – Результат работы программы для 20 меток
Рисунок 3.5 – Результат работы программы для 30 меток
Рисунок 3.6 – Результат работы программы для 40 меток
В ходе проделанных испытаний было выявлено, что при количестве меток больше 5, программа с первого раза не пропускает ни один транспондер, что говорит о некоторой неиспользованной пропускной способности канала. Но этим ни как не снижается эффективность, так как обработка занимает несколько секунд.
По результатам испытаний произведем анализ допустимого количества меток в зоне опроса считывателем. Занесем в таблицу 3.2 результаты среднего времени работы программы для разного количества меток.
Т а б л и ц а 3.2 – Среднее время работы программы для разного количества меток
На рисунке 3.7 представлен график зависимости среднего времени программы для разного количества меток. По оси Y указано количество меток, а по оси X – время работы программы в секундах.
Рисунок 3.7 – Среднее время работы программы
Из рисунка 3.7 видно, что для обработки программы транспондеров так же зависит от количества меток, находящихся в данный момент в зоне действия считывателя, чем меньше меток, тем меньше времени требуется на обработку. Произведем результаты расчеты программы, проанализировав рисунок 3.8 и сопоставив с тем, что для системы складирования допустимым временем считывания информации с метки составляет 15-20 секунд. По данным таблицы 3.2 в данный интервал времени входит считывание 30 транспондеров. Исходя из этого, делаем вывод о том, что в зоне считывания не должно находиться более 30 транспондеров.
3.3 Расчет возможности реализации RFID-технологии на складе
Одной из самых больших сложностей при проведении инвентаризации в системе складирования является разработка плана инвентаризации. Таким образом, для удобного и быстрого сканирования используем портативный RFID-считыватель с узконаправленной антенной считывания. Как выяснили в предыдущей главе, для портативного RFID-считывателя должен считывать не более 30 транспондеров. Для этого произведем расчет радиуса покрытия антенной полки стеллажа вмещающей в себя не более 30 транспондеров, определим длину диполя антенны и ее диаграмму направленности и убедимся в том, что реализация данной антенны возможна для портативного RFID-считывателя.
3.3.1 Определение радиуса покрытия антенной полки стеллажа.
В системе складирования для определения радиуса покрытия и количества товара входящих в этот же радиус, определим размер товара. В системе складирования размеры товаров разнообразны, начиная с маленьких миллиметровых товаров и заканчивая большими метровыми товарами. В нашем случае возьмем среднестатистические размеры товара 280 250 700 мм. Расстояние между соседними товарами составляет около 20 мм. Высота между соседними полками стеллажа составляет в среднем около 400 мм. Зная размеры товара и высоту между соседними полками стеллажей определим радиус покрытия антенной, в площадь покрытия которой входило бы около 30 меток.
При 7 товарах, расположенных в центральной полке стеллажа и размерами с учетом расстояния между соседними товарами равными 0,3 метра, определим радиус покрытия:
где а – размеры товара с учетом зазора между соседними товарами, м;
n – количество товаров в центральной полке стеллажа.
м
Проверим вместимость в зону покрытия не более 30 меток. Для этого посчитаем количество товаров в верхних и нижних полках, входящих в зону покрытия. Так как в верхних и нижних полках количество одинаковое, посчитаем только количество товаров в верхней полке. По теореме Пифагора найдем расстояние b1 и b2 (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 – Радиус зоны покрытия полок стеллажа
√
√
где h – высота между соседними полками стеллажей, м;
√ м
√ м
Определим количество товаров в верхних полках:
где n1 и n2 – количество товаров на верхних полках.
Тогда общее количество товаров в зоне покрытия составит:
где N – общее количество товаров.
Таким образом, в системе складирования на полках стеллажа антенна, радиусом покрытия 1,05 метра, будет охватывать 29 товаров или 29 транспондеров. Сверяясь с результатами программы о том, что в зоне считывания не должно находиться более 30 транспондеров, приходим к тому, что данный расчет зоны покрытия товаров на полках стеллажей удовлетворяет результатам программы антиколлизии.
3.3.2 Расчет длины антенны диполя и ее диаграммы направленности.
Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения антенной в различных направлениях. Для передающей антенны используют ДН по напряженности поля в электрической составляющей электромагнитного поля или по уровню его мощности. Обычно диаграмма направленности антенны строится в полярной системе координат. Направление максимального излучения называется главным лепестком антенны. Остальные лепестки ДН антенны являются побочными. Лепесток излучения в сторону обратную главному направлению называется задним лепестком ДН антенны. Обычно используют нормированные диаграммы направленности, которые показывают способность антенны работать на передачу (прием) в заданном направлении, независимо от мощности, подводимой к ней. В нормированной диаграмме направленности величина лепестка главного направления излучения принимается за единицу, боковые лепестки строятся в масштабе относительно главного[27].
ДН характеризуется шириной её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности:
где – длина волны, м;
– длина антенны диполя, м.
Так как рассматриваемая антенна является узконаправленной, рассмотрим равнобедренный треугольник, с помощью которого определим угол (рисунок 3.9).
Рисунок 3.9 – Боковой вид считывания RFID-меток с полок стеллажа
Рациональным расстоянием от RFID-считывателя до полок стеллажей с товарами возьмем 0,8 метра. На таком расстоянии работникам склада будет удобно производить инвентаризацию. Зная радиус зоны покрытия и расстояние от стеллажа до RFID-считывателя, найдем угол :
где R – радиус зоны покрытия товара, м;
L – расстояние от стеллажа до RFID-считывателя, м.
Зная длину волны (3.1) и угол , по формуле 3.11 определим длину антенны диполя:
м
Полученная величина длины антенны диполя удовлетворяет размерам портативного RFID-считывателя.
На рисунке 3.10 представлена диаграмма направленности антенны диполя.
Рисунок 3.10 – Диаграмма направленности антенны диполя
Из рисунка видим, что на расстоянии 0,8 метра радиус покрытия антенны достаточен для считывания товара, а также имеется небольшой запас в плюс 0,2 метра.
3.4 Вывод
Рассчитана чувствительность принимаемой антенной метки, результаты которого соответствуют показателям RFID-системы с частотой взаимодействия 868 МГц. Разработан алгоритм антиколлизий, позволяющий поочередно обрабатывать не более 30 меток за 16,5 секунд без ошибок и задержек. Продемонстрирована реализация RFID-системы на складе. Рассчитана длина антенны, удовлетворяющая размерам RFID-считывателя. Определены параметры чувствительности и построен график диаграммы направленности антенны.