專利名稱：一種動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡rfid系統(tǒng)及其識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID(Radic) Frequency Identification，無(wú)線射頻自動(dòng)識(shí)別)系統(tǒng)及其識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
RFID技術(shù)是從20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是通過磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)，利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。與傳統(tǒng)識(shí)別方式相比，RFID技術(shù)無(wú)需直接接觸、無(wú)需光學(xué)可視、無(wú)需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理，操作方便快捷。能廣泛用于生產(chǎn)、物流、交通、 運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。它的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)主要表現(xiàn)在快速掃描；體積小型化、形狀多樣化；抗污染能力和耐久性；可重復(fù)使用；穿透性和無(wú)屏障閱讀；數(shù)據(jù)的記憶容量大；安全性?；镜腞FID系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽、RFID閱讀器及上位機(jī)及應(yīng)用軟件等四部分組成。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心，又稱為RFID標(biāo)簽。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。一般情況下，電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)電子標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；當(dāng)受無(wú)線電射頻信號(hào)照射時(shí)，能反射回?cái)y帶有數(shù)字字母編碼信息的無(wú)線電射頻信號(hào)，供RFID閱讀器處理識(shí)別。RFID閱讀器是讀或讀/寫電子標(biāo)簽的電子裝置，用以產(chǎn)生發(fā)射無(wú)線電射頻信號(hào)并接收由電子標(biāo)簽反射回的無(wú)線電射頻信號(hào)，經(jīng)處理后獲取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，有時(shí)還可以寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備。在國(guó)外，美國(guó)的零售業(yè)巨人沃爾瑪、美國(guó)國(guó)防部、德國(guó)寶馬公司等很多知名公司或機(jī)構(gòu)都實(shí)現(xiàn)了 RFID管理。而在在國(guó)內(nèi)，電子標(biāo)簽主要應(yīng)用于公共交通、地鐵、校園、社會(huì)保障等方面。上海、深圳、北京、武漢等地陸續(xù)采用了 RFID公交卡。目前，我國(guó)RFID技術(shù)應(yīng)用最大的項(xiàng)目是第二代公民身份證?？傮w而言，我國(guó)RFID技術(shù)應(yīng)用狀況還處于初級(jí)階段，市場(chǎng)前景非常廣闊。實(shí)現(xiàn)RFID技術(shù)在我國(guó)成熟、全面的應(yīng)用將是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。當(dāng)RFID閱讀器作用范圍內(nèi)的兩個(gè)或以上的電子標(biāo)簽同時(shí)向同一個(gè)RFID閱讀器返回?cái)?shù)據(jù)信息時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，導(dǎo)致電子標(biāo)簽無(wú)法正確識(shí)別，將產(chǎn)生電子標(biāo)簽碰撞。碰撞問題是影響數(shù)據(jù)完整性的一個(gè)重要方面，解決碰撞的方法就稱為反碰撞算法。RFID反碰撞問題成了解決RFID系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前一些研究者開發(fā)了許多反碰撞算法。已有的反碰撞算法雖然對(duì)多個(gè)電子標(biāo)簽訪問同一個(gè)RFID閱讀器的碰撞問題在一定程度上進(jìn)行了有效解決，但無(wú)法從本質(zhì)上解決大量電子標(biāo)簽訪問同一個(gè)RFID閱讀器碰撞問題。當(dāng)大量電子標(biāo)簽同時(shí)訪問閱讀器時(shí)仍然會(huì)造成電子標(biāo)簽訪問時(shí)間延長(zhǎng)，RFID閱讀器問詢次數(shù)劇增，訪問錯(cuò)誤率大增，系統(tǒng)有效服務(wù)率降低。本發(fā)明提出了一種模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)，將電子標(biāo)簽訪問RFID閱讀器的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，使電子標(biāo)簽動(dòng)態(tài)分組后訪問不同的RFID閱讀器，從而降低了高訪問量RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問次數(shù)，提高了低訪問量RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問次數(shù)， 使整個(gè)RFID系統(tǒng)全局負(fù)載均衡化，提高RFID系統(tǒng)的有效服務(wù)率和運(yùn)行平穩(wěn)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)，其特征在于，包括電子標(biāo)簽單元，RFID閱讀器單元，和上位機(jī)單元。其中，電子標(biāo)簽單元是由一個(gè)或多個(gè)電子標(biāo)簽組成，每個(gè)電子標(biāo)簽自身存儲(chǔ)信息，與RFID閱讀器進(jìn)行通信和信息交互。RFID閱讀器單元是由一個(gè)或多個(gè)RFID閱讀器組成，其用于讀取電子標(biāo)簽中的信息和發(fā)送指令。上位機(jī)單元是由一臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)行RFID應(yīng)用軟件的電腦組成，并通過網(wǎng)線或485總線和中間件軟件將各RFID閱讀器的信息進(jìn)行收集和匯總，然后對(duì)各RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度。本發(fā)明還提供一種模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)的識(shí)別方法，其特征在于，所述上位機(jī)單元采用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法對(duì)所述RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度；在上位機(jī)單元的控制和調(diào)度下，所述RFID閱讀器對(duì)被訪問的電子標(biāo)簽情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)雙方的應(yīng)答或拒絕應(yīng)答。所述模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法是指通過選擇電子標(biāo)簽分組指標(biāo)，建立電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，然后對(duì)由電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度組成的向量矩陣進(jìn)行迭代計(jì)算和尋優(yōu)。其中，每個(gè)電子標(biāo)簽自身可存儲(chǔ)有多個(gè)信息，存儲(chǔ)信息可由具體應(yīng)用和用戶需求來(lái)確定。電子標(biāo)簽與RFID閱讀器之間可以一對(duì)一通信，也可以多個(gè)電子標(biāo)簽與一個(gè)RFID 閱讀器通信。一臺(tái)電腦不一定對(duì)應(yīng)一個(gè)閱讀器，此對(duì)應(yīng)關(guān)系是靈活的。在本發(fā)明中，中間件軟件是一獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序。中間件軟件的功能可由具體應(yīng)用和用戶需求來(lái)確定。應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間或硬件設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)資源共享。本發(fā)明中，電子標(biāo)簽分組指標(biāo)是指電子標(biāo)簽的序列號(hào)、電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的物品或個(gè)人的相關(guān)屬性、或電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的物品或個(gè)人的地理位置屬性之的任一個(gè)或多個(gè)。電子分組指標(biāo)是用戶根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)選擇的。一般地，分組數(shù)目由用戶根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)確定。分組數(shù)目可以等于閱讀器數(shù)量，分組數(shù)目也可以小于閱讀器數(shù)目，但不能大于閱讀器數(shù)目。本發(fā)明中，所述電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)為μ (Pi) = (Pi-Pamin))/ (Pa,max)-Pa,min))' i=l, 2，…，η;其中，μ為模糊隸屬度函數(shù)，Pi (i=l, 2，…，η)為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的向量，η為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的個(gè)數(shù)，Pa,min)為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)i的最小取值，P(i,max)為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)i的最大取值。本發(fā)明中，所述迭代計(jì)算和尋優(yōu)是采用模糊聚類方法進(jìn)行，包括如下步驟
步驟1 設(shè)定采樣周期和電子標(biāo)簽分組個(gè)數(shù)C，迭代次數(shù)m=l。在采樣時(shí)刻，選取電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量P= {Pl，P2,…，P1J，P屬于Rn的一個(gè)子集。本發(fā)明中，采樣周期是指一個(gè)時(shí)間段，采樣時(shí)刻是指一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。Rn是指η維實(shí)數(shù)向量。步驟2 依據(jù)關(guān)于電子標(biāo)簽分組指標(biāo)變量pk(pk e P, k=l, 2,…，η)的模糊隸屬度函數(shù)μ (Pk)計(jì)算其模糊隸屬度％，將向量ρ轉(zhuǎn)換成模糊隸屬度向量e S, O^ Sk^ D0 本發(fā)明中，電子標(biāo)簽可以有η個(gè)分組指標(biāo)變量，其中第k個(gè)電子標(biāo)簽分組指標(biāo)為Pk，分組指標(biāo)變量 Pk (Pk e p，k=l，2，…，η)。步驟3 采用幅值在0至1之間的隨機(jī)數(shù)值構(gòu)建初始的模糊聚類隸屬度矩陣D ； 其中D=(dik)cXn表示模糊隸屬度矩陣，dik (i=l,2,-,c; k=l,2,-,η)表示關(guān)于第i (i= 1，2，…，c)分組的模糊隸屬度、e S(k=l, 2，…，η)；并且dik需要滿足以下條件dik e
, Σ (i=1 —c)dik=l 禾口 0< Σ (k=1^n)dik <n ；
步驟4 :根據(jù)Vi0")= Σ (Clik^)' sk/ Σ 0^1)((^")'得到第m次聚類中心矩陣 Vw，其中V= Iv1, v2，…，vj表示分組中心矩陣，V屬于Rn的一個(gè)子集，m(m=l，2’…)為迭代次數(shù)，i=l，2，···，(；
步驟5 根據(jù)dik(m) = [ Σ (μι) ( Il Sk-Vi Il / Il Sk-Vj Il ) l7irfJ-1 得到模糊隸屬度矩陣Dw。 本發(fā)明中，D=(dik)cXn表示模糊隸屬度矩陣，dik(m)是矩陣Dw的一個(gè)元素。步驟6 選擇δ >0 ；如果判式Il D(m) - D0"-1) Il ( δ成立，那么停止迭代計(jì)算，Dw 和Vw就成為最優(yōu)矩陣，然后執(zhí)行步驟7 ；否則，m=m+l，執(zhí)行步驟4，繼續(xù)迭代計(jì)算；
步驟7 根據(jù)最優(yōu)矩陣Dw和V(m)，電子標(biāo)簽將被劃分成c個(gè)組別。本發(fā)明中，當(dāng)?shù)?jì)算滿足一定條件停止計(jì)算時(shí)，Dw和Vw就是此次迭代計(jì)算中的最優(yōu)矩陣。根據(jù)此最優(yōu)矩陣中的數(shù)據(jù)，電子標(biāo)簽就可以被劃分為c個(gè)組別。步驟8 電子標(biāo)簽分組信息將由上位機(jī)上的應(yīng)用軟件發(fā)送到各RFID閱讀器；各 RFID閱讀器間將協(xié)同工作，不會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象。本發(fā)明中，不同組的電子標(biāo)簽與其相對(duì)應(yīng)的 RFID閱讀器進(jìn)行訪問和通信。RFID閱讀器將只與自身負(fù)責(zé)的電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，不與其他電子標(biāo)簽通信。電子標(biāo)簽分組信息是指通過模糊聚類迭代計(jì)算，將電子標(biāo)簽分成C個(gè)組的 fn息ο步驟9 如果系統(tǒng)的下一個(gè)采樣周期來(lái)到，執(zhí)行步驟1 ；否則，保持等待狀態(tài)，定時(shí)查詢系統(tǒng)時(shí)間。本發(fā)明中，每個(gè)RFID閱讀器與自身分組內(nèi)的電子標(biāo)簽將采用反碰撞算法進(jìn)行交互通信。這些反碰撞算法可以是概率性反碰撞算法和確定性反碰撞算法中的一種，也可以是兩者的綜合。本發(fā)明提供的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)使每個(gè)RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問量和應(yīng)答時(shí)間均衡化，從而改善RFID系統(tǒng)中大量電子標(biāo)簽同時(shí)訪問RFID閱讀器時(shí)出現(xiàn)的電子標(biāo)簽訪問時(shí)間延長(zhǎng)、訪問錯(cuò)誤率增加和RFID閱讀器負(fù)載過重的情況。通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮訕?biāo)簽分組指標(biāo)并建立電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，運(yùn)用此負(fù)載均衡方法對(duì)電子標(biāo)簽分組指標(biāo)模糊隸屬度組成的向量矩陣進(jìn)行迭代計(jì)算和尋優(yōu)。然后依據(jù)此負(fù)載均衡方法計(jì)算的最優(yōu)結(jié)果將電子標(biāo)簽進(jìn)行分組，不同組別的電子標(biāo)簽與其相對(duì)應(yīng)的RFID閱讀器進(jìn)行訪問和通信，從而使每個(gè)RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問量和應(yīng)答時(shí)間均衡化，提高RFID系統(tǒng)的有效服務(wù)率和運(yùn)行平穩(wěn)性。本發(fā)明利用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽訪問RFID閱讀器的動(dòng)態(tài)分配，通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮訕?biāo)簽分組指標(biāo)，并建立電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，然后對(duì)電子標(biāo)簽分組指標(biāo)模糊隸屬度組成的向量矩陣進(jìn)行迭代計(jì)算和尋優(yōu)，利用計(jì)算獲得的最優(yōu)結(jié)果將電子標(biāo)簽進(jìn)行分組，不同組別的標(biāo)簽與其相對(duì)應(yīng)的RFID閱讀器進(jìn)行訪問和通信， 從而使每個(gè)RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問量和應(yīng)答時(shí)間均衡化，提高RFID系統(tǒng)的有效服務(wù)率和運(yùn)行平穩(wěn)性。電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的選擇是模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法的前提和基礎(chǔ)。該指標(biāo)的選擇需要考慮四個(gè)重要因素普遍性、可計(jì)算性、獨(dú)立性、靈敏性。在本發(fā)明中，電子標(biāo)簽分組指標(biāo)可以是電子標(biāo)簽的序列號(hào)、電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的物品或個(gè)人的相關(guān)屬性、電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的物品或個(gè)人的地理位置等一切電子標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的特有屬性中的一個(gè)，也可以是多個(gè)特有
6屬性的綜合。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶和開發(fā)人員可以根據(jù)實(shí)際情況選取不同的電子標(biāo)簽特有屬性作為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)，以獲得該方案的最佳實(shí)施效果。例如，在物流運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用的 RFID系統(tǒng)中，可以采用物品的地理位置作為電子標(biāo)簽的分組指標(biāo)。但是，無(wú)論采用哪一種電子標(biāo)簽特有屬性作為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)，均不會(huì)影響本發(fā)明的實(shí)施性。為直接反映不同的電子標(biāo)簽分組指標(biāo)對(duì)電子標(biāo)簽分組的影響程度，建立電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，如下式所示
μ (Pi) = (Pi-Pamin))/(P(i’max)-P(i’min))， i=l, 2， …，η ；
公式一
式中，Pi (i=l, 2，…，η)為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量，η為分組指標(biāo)個(gè)數(shù)，Pa,min)為分組指標(biāo)i的最小取值，Pa,_)為分組指標(biāo)i的最大取值，μ為模糊隸屬度函數(shù)。電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)即將指標(biāo)的數(shù)值將與此指標(biāo)的最小值做差然后除以此指標(biāo)最大值與最小值的差，以實(shí)現(xiàn)歸一化處理。本發(fā)明中，RFID閱讀器模塊的不同RFID閱讀器將根據(jù)標(biāo)簽的分組情況，只處理自身分組內(nèi)的電子標(biāo)簽，均衡各自的負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)訪問RFID閱讀器的標(biāo)簽數(shù)量均衡化，提高電子標(biāo)簽一RFID閱讀器的讀取效率。在系統(tǒng)的每個(gè)采樣時(shí)刻，所有電子標(biāo)簽的分組指標(biāo)關(guān)于電子標(biāo)簽分組情況影響程度的模糊隸屬度函數(shù)將被計(jì)算，所有電子標(biāo)簽將被執(zhí)行一次分組，所有RFID閱讀器將只與自身分組內(nèi)的電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的負(fù)載均衡。本發(fā)明中，采用模糊聚類方法對(duì)建立的電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度向量矩陣進(jìn)行迭代計(jì)算和尋優(yōu)，得到電子標(biāo)簽的最優(yōu)分組結(jié)果。本發(fā)明提供一種模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)，通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮訕?biāo)簽分組指標(biāo)并建立電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，運(yùn)用此負(fù)載均衡方法對(duì)電子標(biāo)簽分組指標(biāo)模糊隸屬度組成的向量矩陣進(jìn)行迭代計(jì)算和尋優(yōu)。然后依據(jù)此負(fù)載均衡方法計(jì)算的最優(yōu)結(jié)果將電子標(biāo)簽進(jìn)行分組，不同組別的電子標(biāo)簽與其相對(duì)應(yīng)的RFID閱讀器進(jìn)行訪問和通信，從而使每個(gè)RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問量和應(yīng)答時(shí)間均衡化，提高RFID系統(tǒng)的有效服務(wù)率和運(yùn)行平穩(wěn)性。改善RFID系統(tǒng)中大量電子標(biāo)簽同時(shí)訪問RFID閱讀器時(shí)出現(xiàn)的電子標(biāo)簽訪問時(shí)間延長(zhǎng)、訪問錯(cuò)誤率增加和RFID閱讀器負(fù)載過重的情況。


圖1為本發(fā)明模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)中模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。圖1表示本發(fā)明模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽單元3， RFID閱讀器單元2，和上位機(jī)單元1。其中，電子標(biāo)簽單元3由一個(gè)或多個(gè)電子標(biāo)簽組成，每個(gè)電子標(biāo)簽自身存儲(chǔ)一定的信息，與RFID閱讀器進(jìn)行通信和信息交互；RFID閱讀器單元2 由一個(gè)或多個(gè)RFID閱讀器組成，用于讀取電子標(biāo)簽中的信息和發(fā)送指令；上位機(jī)單元1由一臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)行RFID應(yīng)用軟件的電腦組成，上位機(jī)通過網(wǎng)線或485總線和中間件軟件將各RFID閱讀器的信息進(jìn)行收集和匯總。上位機(jī)單元1應(yīng)用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法對(duì)各 RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度。本發(fā)明中所述RFID閱讀器單元采用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法，以便對(duì)電子標(biāo)簽訪問RFID閱讀器的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，從而降低了高訪問量RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問次數(shù)，提高了低訪問量RFID閱讀器的電子標(biāo)簽訪問次數(shù)，使整個(gè)RFID 系統(tǒng)全局負(fù)載均衡化，提高本發(fā)明的模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)的有效服務(wù)率和運(yùn)行平穩(wěn)性。參考圖2，圖2顯示本發(fā)明模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)中所述迭代計(jì)算和尋優(yōu)是采用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法進(jìn)行過程，包括如下步驟
步驟1 設(shè)定系統(tǒng)采樣周期和電子標(biāo)簽分組個(gè)數(shù)c，迭代次數(shù)m=l。在采樣時(shí)刻，選取電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量P，P={Pl, P2,…，Pj，P屬于實(shí)數(shù)向量Rn的一個(gè)子集；
步驟2 依據(jù)關(guān)于電子標(biāo)簽分組指標(biāo)變量pk (Pk e P, k=l, 2，…，η)的模糊隸屬度函數(shù) μ (Pk)計(jì)算其模糊隸屬度％，將向量P轉(zhuǎn)換成模糊隸屬度向量S (sk e S, O^ sk^l)；
步驟3:采用幅值在0至1之間的隨機(jī)數(shù)值構(gòu)建初始的模糊聚類隸屬度矩陣D ； 其中D=(dik)cXn表示模糊隸屬度矩陣，dik (i=l，2，…，c; k=l，2，···，!!)表示關(guān)于第 i(i= 1,2,-,c)分組的模糊隸屬度S(k=l,2,-,η)；并且dik需要滿足以下條件 dik e
, Σ (i=1 —c)dik=l 禾口 0< Σ (k=1 —n)dik <n ；
步驟4 :根據(jù)Vi0")= Σ (Clik^)' sk/ Σ 0^1)((^")'得到第m次聚類中心矩陣 Vw，其中V= Iv1, v2，…，vj表示分組中心矩陣，V屬于Rn的一個(gè)子集，m(m=l，2’…)為迭代次數(shù)，i=l，2，···，(；
步驟 5:根據(jù) dikw = [ ΣSk-Vi Il/11 Sk-VjII)17^]-1 得到模糊隸屬度矩陣
Dw
步驟6:選擇δ >0;如果判式||D(m) - D(m_D Il彡δ成立，那么停止迭代計(jì)算，Dw和Vw 就成為最優(yōu)矩陣，然后執(zhí)行步驟7 ；否則，m=m+l，執(zhí)行步驟4，繼續(xù)迭代計(jì)算； 步驟7 根據(jù)最優(yōu)矩陣Dw和Vw，電子標(biāo)簽將被劃分成c個(gè)組別； 步驟8 電子標(biāo)簽分組信息將由系統(tǒng)發(fā)送到各RFID閱讀器；各RFID閱讀器間將協(xié)同工作，不會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象；
步驟9 如果系統(tǒng)的下一個(gè)采樣周期來(lái)到，執(zhí)行步驟1 ；否則，如果系統(tǒng)的下一個(gè)采樣周期未到的，則保持等待狀態(tài)，定時(shí)查詢系統(tǒng)時(shí)間。本發(fā)明中，每個(gè)RFID閱讀器與自身分組內(nèi)的電子標(biāo)簽將采用反碰撞算法進(jìn)行交互通信。這些反碰撞算法可以是概率性反碰撞算法和確定性反碰撞算法中的一種，也可以是兩者的綜合。實(shí)施例1
本實(shí)施例中，在一個(gè)學(xué)校安裝了 RFID系統(tǒng)，該校內(nèi)有5臺(tái)RFID閱讀器組成的RFID閱讀器單元，而讀寫對(duì)象為1500張電子標(biāo)簽(每位學(xué)生都有一張具有唯一編號(hào)的電子標(biāo)簽)， RFID讀寫器單元讀取的信息上傳到上位機(jī)單元。每名學(xué)生都隸屬于一個(gè)指定的班級(jí)，該學(xué)校共有60個(gè)班級(jí)，每個(gè)班級(jí)有25個(gè)學(xué)生，每個(gè)班級(jí)都有固定的教室。每臺(tái)RFID閱讀器都安裝在一個(gè)固定的地點(diǎn)并且通信范圍也是固定的。每間隔5分鐘，RFID系統(tǒng)就會(huì)采集一次數(shù)據(jù)并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。在未采用本發(fā)明所述動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)時(shí)，5臺(tái)閱讀器分別讀取電子標(biāo)簽的數(shù)量為100、500、200、600和100。
在采用本發(fā)明所述動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)的情況下，在每次采樣時(shí)刻，電子標(biāo)簽的班級(jí)屬性和電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)學(xué)生所在教室的RFID閱讀器位置屬性就可以被選擇作為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)，分別記作P1和P2。設(shè)不同電子標(biāo)簽的班級(jí)屬性P1的取值范圍為{1，2，…， 60}。設(shè)電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)學(xué)生所在教室的RFID閱讀器位置屬性？2的取值范圍為{1，2，3，4， 5}。由公式一，分組指標(biāo)P1對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)為
μ (P1) = (P1-I)/(60-1)公式四
分組指標(biāo)P2對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)為
μ (ρ2) = (ρ2-1)/(5-1)公式五
通過公式五和公式六，就可以容易計(jì)算得到每個(gè)電子標(biāo)簽的分組指標(biāo)PjPP2W模糊隸屬度。如一個(gè)電子標(biāo)簽的兩個(gè)分組指標(biāo)數(shù)值分別為1和2，那么分組指標(biāo)P1對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)為μ (Ρι) = (ι-ι)/(60-ι)=0。分組指標(biāo)P2對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)為 μ (ρ2) = (2-1)/(5-1)=0. 25。本實(shí)施例中具有5臺(tái)RFID閱讀器，電子標(biāo)簽將被分成5組。參考圖2，模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法進(jìn)行過程如下
步驟1 設(shè)定系統(tǒng)采樣周期為5分鐘，設(shè)定電子標(biāo)簽被分成5組，分組個(gè)數(shù)c=5，迭代次數(shù)m=l。在采樣時(shí)刻，選取電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量P，P={電子標(biāo)簽的班級(jí)屬性向量Pl，電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)學(xué)生所在教室的RFID閱讀器位置屬性向量P2 }。本實(shí)施例中1500個(gè)電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量P為1500行2列維度的矩陣，P=[l 1; 1 1;…；60 5]。步驟2 電子標(biāo)簽分組指標(biāo)變量P1和P2分別按對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)μ (P1)和 μ (P2)計(jì)算其模糊隸屬度％，將向量P轉(zhuǎn)換成模糊隸屬度向量S，O^ sk ^ 1)0向量S為1500行2列維度的矩陣。本實(shí)施例中S<0 0; 0 0;…；1 1]。步驟3:采用幅值在0至1之間的隨機(jī)數(shù)值構(gòu)建初始的模糊聚類隸屬度矩陣 D 。矩陣D(°)為5行1500列維度的矩陣。本實(shí)施例中D(°) =
。步驟4:根據(jù) Vi0")= Σ(Clik^)' sk/ Σ (μιΑΦΛ1))'得到第 m 次聚類中心矩陣V(m)。矩陣Vw為5行2列維度的矩陣。本實(shí)施例中迭代計(jì)算終止時(shí)總共迭代了 88 次，V(88) = [ 42. 886 4.0178; 30.499 3; 18. 113 1.9822; 5.9081 1.0176; 55.091 4. 9824]。由于此迭代計(jì)算過程中隨機(jī)因素，每次迭代計(jì)算的總迭代次數(shù)和計(jì)算時(shí)間不一定相同，但不會(huì)出現(xiàn)顯著的改變。步驟5 根據(jù) dik(m) = [ Σ (k—c) (Il Sk-Vi Il / Il Sk-Vj Il )17^]-1 得到模糊隸屬度矩陣D(m)。矩陣Dw為5行1500列維度的矩陣。本實(shí)施例中迭代計(jì)算終止時(shí)共迭代了 88步， D(88) =
。步驟6 選擇δ =0. 00001 ；如果判式Il D(m) - D0"—1) || ( 0. 00001成立，那么停止迭代計(jì)算，Dw和Vw就成為最優(yōu)矩陣，然后執(zhí)行步驟7 ；否則，m=m+l，執(zhí)行步驟4，繼續(xù)迭代計(jì)算。舉例說(shuō)明，此實(shí)例中迭代計(jì)算終止時(shí)共迭代了 88步，V_和D(88)就是最優(yōu)矩陣。步驟7 根據(jù)最優(yōu)矩陣之模糊隸屬度矩陣D(m)，每個(gè)電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)5個(gè)模糊隸屬度數(shù)值，每個(gè)模糊隸屬度數(shù)值表示此電子標(biāo)簽與對(duì)應(yīng)組別的隸屬程度。從5個(gè)模糊隸屬度數(shù)值中選擇最大數(shù)值對(duì)應(yīng)的組別，并結(jié)合聚類中心Vw就確定了此電子標(biāo)簽所隸屬的組別。 所有1500個(gè)電子標(biāo)簽被劃分成5個(gè)組別。舉例說(shuō)明，序號(hào)為1的電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)最優(yōu)模糊隸屬度矩陣D(88)的5個(gè)模糊隸屬度數(shù)值分別為
。這5個(gè)模糊隸屬度數(shù)值中最大值0.88386，對(duì)應(yīng)第4組別，即序號(hào)為1的電子標(biāo)簽屬于第4組。根據(jù)最優(yōu)模糊聚類中心矩陣V(88)可知，第4組別的模糊聚類中心向量為 [5.9081 1.0176]，此向量各單元數(shù)值采取四舍五入方法取整后得到W 1]。由此可知，第 4組別是以班級(jí)序號(hào)為6和閱讀器序號(hào)為1的兩類屬性為聚類中心的電子標(biāo)簽集合。按照此方法，所有1500個(gè)電子標(biāo)簽都被劃分成5個(gè)組別。步驟8 電子標(biāo)簽分組信息將由系統(tǒng)發(fā)送到各RFID閱讀器；各RFID閱讀器間將協(xié)同工作，不會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象；
步驟9 計(jì)算機(jī)的采樣周期設(shè)置為5分鐘，在每個(gè)采樣周期(5分鐘)內(nèi)可以查詢系統(tǒng)時(shí)間多次。如果系統(tǒng)的下一個(gè)采樣周期來(lái)到，執(zhí)行步驟1 ；否則，如果系統(tǒng)的下一個(gè)采樣周期未到的，則保持等待狀態(tài)，定時(shí)查詢系統(tǒng)時(shí)間。通過本發(fā)明附圖2給出的迭代計(jì)算和尋優(yōu)，將可使得每個(gè)RFID閱讀器在同一采樣時(shí)刻所訪問的電子標(biāo)簽數(shù)量較均衡，降低電子標(biāo)簽識(shí)別錯(cuò)誤率，提升系統(tǒng)服務(wù)效率。以下為本發(fā)明與對(duì)照例(采用現(xiàn)有技術(shù)，未采用本發(fā)明技術(shù)方案)的效果對(duì)比情況，實(shí)施例1與對(duì)照例的對(duì)比情況如下表所示
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)，其特征在于，包括電子標(biāo)簽單元，RFID閱讀器單元和上位機(jī)單元；其中，電子標(biāo)簽單元是由一個(gè)或多個(gè)電子標(biāo)簽組成，每個(gè)電子標(biāo)簽自身存儲(chǔ)信息，與RFID閱讀器進(jìn)行通信和信息交互；RFID閱讀器單元是由一個(gè)或多個(gè)RFID閱讀器組成，其用于讀取電子標(biāo)簽中的信息和發(fā)送指令；上位機(jī)單元是由一臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)行RFID應(yīng)用軟件的電腦組成，并通過網(wǎng)線或485總線和中間件軟件將各RFID閱讀器的信息進(jìn)行收集和匯總，然后對(duì)各RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度。
2.采用權(quán)利要求1所述動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)的識(shí)別方法，其特征在于，所述上位機(jī)單元采用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法對(duì)所述RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度；所述RFID閱讀器在上位機(jī)單元的控制和調(diào)度下對(duì)被訪問的電子標(biāo)簽情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)雙方的應(yīng)答或拒絕應(yīng)答；其中，所述模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法是指通過選擇電子標(biāo)簽分組指標(biāo)，建立電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，然后對(duì)由電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度組成的向量矩陣進(jìn)行迭代計(jì)算和尋優(yōu)。
3.如權(quán)利要求2所述的識(shí)別方法，其特征在于，所述電子標(biāo)簽分組指標(biāo)是指電子標(biāo)簽的序列號(hào)、電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的物品或個(gè)人的相關(guān)屬性、或電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的物品或個(gè)人的地理位置屬性之任一個(gè)或多個(gè)。
4.如權(quán)利要求2所述的識(shí)別方法，其特征在于，所述電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)為μ (Pi) = (Pi-Pamin)V(Pamax)-Pamin)), 1=1, 2，…，η ；其中，μ 為模糊隸屬度函數(shù)，Pi (i=l, 2，…，η)為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量，η為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)的個(gè)數(shù)，Pamin) 為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)i的最小取值，Pamax)為電子標(biāo)簽分組指標(biāo)i的最大取值。
5.如權(quán)利要求2所述的識(shí)別方法，其特征在于，所述迭代計(jì)算和尋優(yōu)是采用模糊聚類方法進(jìn)行，包括如下步驟步驟1 設(shè)定采樣周期和電子標(biāo)簽分組個(gè)數(shù)c，迭代次數(shù)m=l ；在采樣時(shí)刻，選取電子標(biāo)簽分組指標(biāo)向量P= {Pl，P2,…，P1J，P屬于η維實(shí)數(shù)向量Rn的一個(gè)子集；步驟2:依據(jù)關(guān)于電子標(biāo)簽分組指標(biāo)變量Pk (Pk e P，k=l，2，···，η)的模糊隸屬度函數(shù)μ (Pk)計(jì)算其模糊隸屬度sk，將向量P轉(zhuǎn)換成模糊隸屬度向量S (sk e S, O^ Sk^ 1)； 步驟3:采用幅值在0至1之間的隨機(jī)數(shù)值構(gòu)建初始的模糊聚類隸屬度矩陣D ； 其中D=(dik)cXn表示模糊隸屬度矩陣，dik (i=l，2，…，c; k=l，2，···，!!)表示關(guān)于第 i(i= 1,2,-,c)分組的模糊隸屬度S(k=l,2,-,η)；并且dik需要滿足以下條件 dik e
, Σ (i=1 —c)dik=l 禾口 0< Σ (k=1 —n)dik <n ；步驟4 :根據(jù)Vi0")= Σ (Clik^)' sk/ Σ 0^1)((^")'得到第m次聚類中心矩陣 Vw，其中V= Iv1, v2，…，vj表示分組中心矩陣，V屬于Rn的一個(gè)子集，m(m=l，2’…)為迭代次數(shù)，i=l，2，···，(；步驟5 根據(jù)dik(m) = [ Σ ( Il Sk-Vi Il / Il Sk-Vj Il ) l7irfJ-1 得到下一步模糊隸屬度矩陣Dw ；步驟6:選擇δ >0;如果判式||D(m) - D(m_D Il彡δ成立，那么停止迭代計(jì)算，Dw和Vw 就成為最優(yōu)矩陣，然后執(zhí)行步驟7 ；否則，m=m+l，執(zhí)行步驟4，繼續(xù)迭代計(jì)算； 步驟7 根據(jù)最優(yōu)矩陣Dw和Vw，電子標(biāo)簽將被劃分成C個(gè)組別； 步驟8 上位機(jī)上的應(yīng)用軟件發(fā)送電子標(biāo)簽分組信息至各RFID閱讀器； 步驟9 如果系統(tǒng)的下一個(gè)采樣周期來(lái)到，執(zhí)行步驟1 ；否則，保持等待狀態(tài)，定時(shí)查詢系統(tǒng)時(shí)間。
6.如權(quán)利要求5所述的識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟8中，每個(gè)RFID閱讀器與自身負(fù)責(zé)的電子標(biāo)簽將采用反碰撞算法進(jìn)行交互通信。
全文摘要
本發(fā)明提供一種動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)，包括電子標(biāo)簽單元，RFID閱讀器單元和上位機(jī)單元；電子標(biāo)簽單元是由一個(gè)或多個(gè)電子標(biāo)簽組成；RFID閱讀器單元是由一個(gè)或多個(gè)RFID閱讀器組成；電子標(biāo)簽與RFID閱讀器進(jìn)行信息交互；上位機(jī)單元是由一臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)行RFID應(yīng)用軟件的電腦組成，將各RFID閱讀器的信息進(jìn)行收集和匯總，然后對(duì)各RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度。本發(fā)明還提供一種動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡RFID系統(tǒng)的識(shí)別方法，所述上位機(jī)單元采用模糊聚類動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法對(duì)RFID閱讀器進(jìn)行控制和調(diào)度；在上位機(jī)單元的控制和調(diào)度下，RFID閱讀器對(duì)被訪問的電子標(biāo)簽情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)雙方的應(yīng)答或拒絕應(yīng)答。本發(fā)明將電子標(biāo)簽訪問RFID閱讀器的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，使整個(gè)RFID系統(tǒng)全局負(fù)載均衡化，提高RFID系統(tǒng)的有效服務(wù)率和運(yùn)行平穩(wěn)性。
文檔編號(hào)G06K7/00GK102467646SQ201010541548
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者吳永和, 孫華麗, 薛耀鋒 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)