物联网与射频识别技术，课程实验（一）

（1）communication.py

（2）Reader.py

（3）Tag.py

实验1—— EPC C1G2标准下的标签状态转换仿真

实验说明：利用Python或Matlab模拟C1G2标签的状态转换模型；程序应能显示标签当前的状态，并能通过键入的不同指令完成状态的转换。

文件结构如下：

（1）communication.py

import sys
from Tag import Tag
from Reader import Readerdef validACK(tagIndex):print('有效的的ACK RN16，tag返回EPC，标签变为Acknowledged状态')tagArray[tagIndex].setState('Acknowledged')return tagArray[tagIndex].returnEPC()def invalidACK():print('无效的ACK RN16，no reply')def returnHandle(tagIndex):tagArray[tagIndex].setState('Open')handle = tagArray[tagIndex].returnHandle()print('tag返回handle:{}，进入{}状态，交出钥匙，接受指令'.format(handle, tagArray[tagIndex].state))return handledef access(command):if command == 'read':cmd = reader.read(tagArray[tagIndex])elif command == 'write':cmd = reader.write(tagArray[tagIndex])elif command == 'lock':cmd = reader.lock(tagArray[tagIndex])elif command == 'kill':cmd = reader.kill(tagArray[tagIndex])return cmd# tagNum是标签的数目，tagArray用以存储所有标签
tagNum = int(input('please10 input the number of Tag: '))
Q = int(input('please input the Q to decide the maxNum of slot: '))
tagArray = []
tagIndex = 0for i in range(tagNum):tag = Tag()tag.endPoint = (2 ** (Q - 1))tagArray.append(tag)reader = Reader()
print('*****************开始通信*****************')
print('\n*****************进入选择阶段*****************')
selectChoice = int(input('输入0选择全部标签，输入1选择奇数号标签，输入2选择偶数号标签: '))
reader.select(tagArray, selectChoice)
print('\n*****************进入盘存阶段*****************')
ans, tagIndex = reader.Query(tagArray)
while ans is None:  # ans非空时代表slot值为0 tag返回一个RN16 此时ans=RN16ans, tagIndex = reader.QueryRep(tagArray)
else:ACKRN16 = reader.ACK(ans)print('ACK返回RN16，判断是否有效进入下一步')if ACKRN16 == ans:EPC = validACK(tagIndex)print('\n*****************进入访问阶段*****************')NewRN16 = reader.Req_RN(EPC, ACKRN16)if NewRN16 == ACKRN16:print('收到有效的RN16，tag将返回handle(新的16位随机数)')handle = returnHandle(tagIndex)command, returnhandle = reader.Command(handle)if returnhandle == handle:cmd = access(command)while cmd:command, returnhandle = reader.Command(handle)cmd = access(command)else:sys.exit(0)else:print('收到无效的RN16，no reply')else:invalidACK()

（2）Reader.py

import randomfrom Tag import Tagclass Reader:def __init__(self):self.readerID = self.setReaderID()self.crush = 0self.noRespond = 0self.Q = 2# 给每一个阅读器设置一个唯一的16位IDdef setReaderID(self):str = ''ID = str.join(random.choice('0123456789') for i in range(16))return ID# 定义阅读器的标签选择规则 tag=0 选择所有标签 tag=1 选择奇数标签 =2选择偶数标签def select(self, tagArray, tag=0):if tag == 0:for i in range(len(tagArray)):tagArray[i].selected = Trueprint('select阶段, 所有标签全部被选中')elif tag == 1:for i in range(1, len(tagArray), 2):tagArray[i].selected = Trueprint('select阶段, 奇数号标签全部被选中')else:for i in range(0, len(tagArray), 2):tagArray[i].selected = Trueprint('select阶段, 偶数号标签全部被选中')def QueryTagState(self, tagArray):cnt, index = 0, 0  # cnt为此刻slot值为0的标签数目，index为可得到回应的标签for i in range(len(tagArray)):if tagArray[i].slot == 0:cnt += 1index = iif cnt > 1:print('多个tag回应, 发生碰撞, 无法识别, 为Arbitrate状态')self.crush += 1# 碰撞次数大于随即数右端点的一半if self.crush > Tag.endPoint / 2:self.QueryAdjust()return None, indexelif cnt == 1:tagArray[index].setState('Reply')print('{}号tag，其ID为{},slot值为0, 回应reader的随机数为{}, tag进入{}状态'.format(index, tagArray[index].id,tagArray[index].returnRN16(),tagArray[index].state))return tagArray[index].returnRN16(), indexelse:print('无tag回应, 均为Arbitrate状态')self.noRespond += 1# 无响应次数大于随即数右端点的一半if self.noRespond > Tag.endPoint / 2:self.QueryAdjust()return None, index# 阅读器发出查询Query命令，被选择的标签开始置随机数slotdef Query(self, tagArray):print('********发出第一次Query********')for i in range(len(tagArray)):if tagArray[i].selected == True:tagArray[i].setSlot()tagArray[i].setState('Arbitrate')print('{}号tag，状态为{}'.format(i, tagArray[i].state))tag, index = self.QueryTagState(tagArray)return tag, indexdef QueryRep(self, tagArray):print('********发出QueryRep, 各标签slot值减1, 或恰好有标签响应********')for i in range(len(tagArray)):if tagArray[i].selected == True:tagArray[i].reduceSlot()tag, index = self.QueryTagState(tagArray)return tag, indexdef QueryAdjust(self, tagArray):print('********发出QueryAdjust, 根据碰撞次数和未响应次数调整slot阈值********')tagNum = len(tagArray)if self.noRespond > tagNum * 2:print('等待响应时间过长, {}轮未得到响应, 下调slot阈值'.format(self.noRespond))for i in range(tagNum):tagArray[i].adjustSlot(tag=False)self.noRespond = 0elif self.crush > tagNum * 2:print('碰撞{}轮, 过于频繁, 上调slot阈值'.format(self.crush))for i in range(tagNum):tagArray[i].adjustSlot(tag=True)self.crush = 0else:print('无需调整slot阈值, 已碰撞{}次, 等待响应{}轮'.format(self.crush, self.noRespond))# 收到标签的RN16 1.返回ACK指令夹带原RN16 或 2.返回ACK指令，但夹带的RN16错误def ACK(self, RN16):print('我收到了你的RN16{},ACK'.format(RN16))return RN16# 得到EPC码后 再次请求随机数 RN16为标签第一次返回的随机数def Req_RN(self, EPC, RN16):print('我收到了你的EPC{}, Req_RN, 请求返回一个新的随机数'.format(EPC))return RN16# 得到handle后 随机返回一次命令已经确认的handle值def Command(self, handle):commandSet = ['read', 'write', 'lock', 'kill']command = random.choice(commandSet)print('发出新命令{}'.format(command))return command, handledef read(self, tag):print('read tag data:')print('tagID:{}\n tagEPC:{}\n tagData:{}'.format(tag.id, tag.EPC, tag.data))return 1def write(self, tag):data = input('待写入数据:')tag.data = dataprint('写入完成')return 1def lock(self, tag):print('tagID：{}已lock'.format(tag.id))return 1def kill(self, tag):print('tagID：{} killed，访问结束'.format(tag.id))return 0

（3）Tag.py

import randomclass Tag:# 类属性endPoint = 4def __init__(self):self.id = self.setID()self.slot = Noneself.state = 'Ready'self.EPC = self.setEPC()self.selected = Falseself.len = Noneself.sendTime = Noneself.readerNum = Noneself.data = self.initData()# 给每一个标签一个唯一ID 生成16位随机数def setID(self):str = ''ID = str.join(random.choice('0123456789') for i in range(16))print('初始化标签ID，tagID={}'.format(ID))return ID# 给每个标签赋值一个给定区间[0,10]的随机数def setSlot(self):self.slot = random.randint(0, self.endPoint)print('随机给定slot值，tagID={}的slot值为{}, tag的右端点是{}'.format(self.id, self.slot, self.endPoint))# 收到QueryAdjust就调整区间右端点 根据tag的值来更改 调整槽计数器的范围 True上调 False下调def adjustSlot(self, tag=True):if tag == True:print()Tag.endPoint *= 2else:Tag.endPoint /= 2self.setSlot()def setLength(self, length):"""function: 设置数据包长度len和对应所需要的花费时间:return: NULL"""self.len = lengthself.sendTime = length * 0.5 + 0.1   #数据包发送时间# 自减Slotdef reduceSlot(self):self.slot = (self.slot-1+self.endPoint)%self.endPoint# 给每个标签赋值一个96位的随机数 即它的EPC码 只初始化一次def setEPC(self):str = ''RN96 = str.join(random.choice('0123456789') for i in range(96))return RN96# 返回EPC码def returnEPC(self):return self.EPC# 返回16位的随机数 RN16def returnRN16(self):str = ''RN16 = str.join(random.choice('0123456789') for i in range(16))return RN16# 返回一个新的随机数 即Handledef returnHandle(self):return self.returnRN16()# 改变标签状态def setState(self, newState):self.state = newStatedef initData(self):foodSet = ['奥利奥', '趣多多', '好丽友', '喜之郎', '娃哈哈']priceSet = ['10', '15', '21', '8', '29']food = random.choice(foodSet)price = random.choice(priceSet)return '我的存储区里搁了一个{}，{}元一个'.format(food, price)

（4）概要介绍

在EPC C1G2协议标准中，标签的行为可以用有限状态机来描述，七个状态。

就绪态（ready state）
        就绪态是标签在通电前所处的状态。标签处于就绪态，不参与询问过程。
一个询问过程由阅读器发出的查询命令引起，由下一个查询命令终止。阅读器通过查询命令获得标签的EPC码。
当标签接收到一个查询命令，离开就绪态。标签从阅读器发送的查询命令中，选择一个参数生成随机数用于计算发送的时隙。如果随机数为0，则标签进入恢复状态。否则标签进入仲裁态。
仲裁态（arbitrate state）
        当标签处于仲裁态时，它将参加这一轮的查询。但由于此时的标签的时隙数不为0，所以标签等待时隙数变为0.当标签的时隙数变为0时，标签进入回复状态。
回复态（reply state）
        当标签需要回复EPC码时，首先进入的是回复态。这时，标签的时隙数为0，标签返回一个16比特的随机数RN16给阅读器。发送RN16是标签发送EPC码给阅读器的第一步。如果标签正确地接收到RN16，它将会发送一个确认命令ACK给标签。在接收RN16的时候，阅读器可能无法正确接收，主要原因有：a.两个或多个标签同时发生RN16给阅读器b.其它射频信号干扰了RN16的传输c.阅读器错过接收RN16的时间。
        如果标签成功接收到来自阅读器的确认命令ACK，标签将会发送它的EPC码，同时发送PC码（描述标签的物理信息）和CRC码（用于错误检测）。
接收到确认命令ACK引起标签从回复态进入确认态。标签处于回复态的时间有限，只有标签发送RN16后，没有接收到阅读器的任何命令的有效时间才处于该状态。此后，标签会自动进入仲裁态。
确认态（acknowledged state）
        当标签发送它的EPC码给阅读器后，标签进入确认态。确认态是标签进入访问命令的必经状态。在确认态中，标签不会被杀死。确认态就像回复态一样，有一个计时器，每当接收到一个命令式，计时器将会置位0。如果标签在指定的时间内没有收到来自阅读器的命令，标签将会自动返回仲裁态。
开放态
安全态
杀死态
        杀死操作不能被解除，它将会永远地毁坏标签。对于一个标签而言，它是在接收到阅读器的正确的密码和杀死命令之后，才会进入杀死态。此后，标签会一直处于杀死态而不是就绪态。当标签进入杀死态，不会再响应阅读器的任何命令。

参考链接：

(24条消息) 标签的状态机_Caramel_biscuit的博客-CSDN博客_在确认态,标签会回复给阅读器pc