CN101122957B - 一种带碰撞检测功能的rfid读写器及其碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带碰撞检测的RFID读写器及其碰撞检测算法，当读写器收到电子标签的返回信息后，先检测返回数据的帧头数据是否被破坏，如果被破坏，则认为发生了碰撞，如果没有被破坏，再进一步检测返回信息数据段是否违反FMO编码规则，如果有一处违反编码规则，则认为发生了碰撞，如果均没有违反，再进行下一步检测，由DSP发送ACK指令，读写器在协议规定的时间T1max内没有收到电子标签的任何信息，则可以认为发生了碰撞，如果收到电子标签的返回信息，则认为没有发生碰撞，此检测周期结束。本发明分三个层次检测发生碰撞的可能，能够提高碰撞检测的准确性，为DSP模块实现各种防碰撞算法提供支持，从而有效地提高读写器识别电子标签的效率。

Description

一种带碰撞检测功能的RFID读写器及其碰撞检测方法

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，具体涉及一种射频识别(RFID)读写器，尤其涉及一种带带碰撞检测功能的RFID读写器及其碰撞检测方法，。

背景技术

随着RFID技术的日益成熟，电子标签将会在供应链管理、资产管理、生产管理和安全防伪等领域获得广泛的应用。虽然RFID技术给许多领域带来了极大的便利，但是RFID技术在应用中也存在一些问题。其中一个主要的问题是，在许多应用要求读写器能够高速识别多个目标，如何改善读写器的防碰撞性能，提高读写器的识别效率已经成为RFID技术大规模推广应用的关键技术之一。所述电子标签碰撞是指当读写器向工作场区内的一批电子标签发出查询指令时，两个或两个以上的电子标签可能同时响应读写器的查询，返回信息，从而导致读写器不能正确识别任何一个电子标签的信息。随着电子标签数量的增加，发生电子标签碰撞的概率也会增加，读写器的阅读效率将进一步下降。目前在国内、国际上许多学者对防碰撞算法进行了研究，以提高读写器的识别效率。已有的防碰撞算法大体上可以分为两类：基于Aloha的随机型算法和基于二进制树的确定型算法。其中基于时隙Aloha的随机型算法因为阅读速度快，得到较为广泛的应用。时隙ALOHA算法采用时分复用(TDMA)，如果能够有效地估计位于读写器阅读场区的未被识别的电子标签的数量，根据电子标签的数量调整每一轮(帧)查询电子标签的次数(时隙的个数)，则可以有效地提高读写器的识别效率。大多数的防碰撞算法通过在一次查询周期中(帧)，电子标签发生碰撞的次数(碰撞时隙)、成功识别电子标签的次数(成功时隙)和电子标签没有返回的次数(空时隙)来估计未被识别的电子标签数量，决定下一帧的长度，从而实现调整、改善读写器识别效率的作用。为了估算未识别的电子标签的数量，必须知道在已经查询的周期(帧)中，电子标签发生碰撞的次数。目前大多数防碰撞算法的研究是从数学的角度出发的，没有考虑到在实际应用中防碰撞算法的实现。如何为防碰撞算法的实施提供硬件支持，保证防碰撞算法的可实施性和执行效率具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种带碰撞检测功能的RFID读写器，通过在读写器接收回路中增加碰撞检测模块，从读写器接收回路的不同模块中引出相关指示信号作为碰撞检测的依据，分三个层次检测发生碰撞的可能，能够提高碰撞检测的准确性，为DSP模块实现各种防碰撞算法提供支持，防碰撞算法通过调整查询周期中帧的长度，从而有效地提高读写器的识别电子标签的效率，本发明适合于任何基于时隙Aloha防碰撞算法的RFID读写器。

本发明的另一目的是提出一种碰撞检测算法，分三步检测发生碰撞的可能，如果第一层次就检测出碰撞，则输出结果；如果没检测出碰撞，再进行第二层次的检测；如果仍然没有检测出碰撞，再进行第三层次的检测。集合了三种碰撞检测策略的碰撞检测策略，增大了碰撞识别的概率，能够有效提高碰撞检测的准确性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

带碰撞检测的RFID读写器，包括发送回路、接收回路、接口部件和DSP处理模块，接收回路包括滤波模块、相关模块、FMO解码模块、噪声过滤模块和定时器，还包括碰撞检测模块，该碰撞检测模块输入信号包括，从噪声过滤模块输出帧前导计算值的噪声比较信号cor_noise_flag信号，从相关模块输出碰撞阈值比较信号cor_th1_flag，从FMO解码模块输出的解调数据信号data_decode和解调数据波形信号data-symbol，定时器输出的定时指示信号；；碰撞检测模块输出碰撞指示信号，通过接口传送给DSP处理模块。

当通过接收回路的噪声过滤模块判断出收到到电子标签的返回信息后(即cor_noise_flag＝1)，首先检测返回数据的帧头信息，如果cor_th1_flag＝1，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则进一步检测返回数据的数据段的编码规则，如果当前的data_decode和data-symbol信号与前一比特的data_decode和data-symbol信号的比较发现了前后波形没有反相，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则读写器进一步发送ACK指令，经过定时器设定的时间T1max检测time_out信号，如果time_out＝1，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则没有发生碰撞。

噪声过滤模块在信号被滤波前判断信号的相关幅值是否大于阈值cor_noise，如果大于，则输出信号cor_noise_flag＝1，表示当前接收的信号为电子标签返回的信号，而非噪声；cor_noice是当读写器只接收到噪声，即电子标签没有返回数据时，噪声的相关计算的平均值。

相关模块输出的碰撞阈值比较信号，当前数据帧的前导的相关值低于阈值cor_th1时cor_th1_flag＝1；

FMO解码模块输出解调数据信号data_decode和解调数据波形信号data-symbol，它们共同表示了当前数据的波形种类。

基于带碰撞检测功能的RFID读写器的碰撞检测方法，包括：

步骤一，当接收回路收到电子标签的返回信息后，计算电子标签返回的随机数的帧前导的相关计算值，与设定的碰撞阈值信号cor_th1相比较，如果小于设定的相关阈值cor_th1则认为发生碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；如果大于设定的相关阈值cor_th1，认为没有发生碰撞，输出成功识别信息，再执行步骤二；

步骤二，检查电子标签返回随机数的数据段波形，如果至少有一处当前data_decode和data-symbol信号与前一比特的data_decode和data-symbol信号比较，前后波形没有反相，则违反了FMO编码规则，认为发生碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则认为没有发生碰撞。

步骤三，如果经过上两步均未检测出碰撞的，由读写器继续发送查询指令ACK，如果此时电子标签在协议规定的T1max时间内没有返回任何信息，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则认为没有发生碰撞。

本发明的优点在于：通过在RFID读写器中集成碰撞检测模块，并实施相关的碰撞检测算法，实现了碰撞检测功能，本发明公开的读写器在多标签的应用环境中不仅能更有效的检测出碰撞的发生，并且可以通过碰撞次数，成功识别次数等信息，来估计未被识别的电子标签数量，决定下一帧的长度，从而实现调整、改善读写器识别效率的作用。本发明介绍的碰撞检测策略适用于时隙ALOHA算法的实施，使得RFID读写器提供碰撞检测的功能。

附图说明

图1为带碰撞检测功能的RFID读写器的硬件框图。

图2为电子标签返回的数据帧的结构示意图。

图3为FMO编码的波形示意图。

图4为一种理论上的碰撞波形。

图5为一种考虑到噪声影响的碰撞波形。

图6为信号data_decode和data-symbol表示的不同FMO波形示意图。

图7为碰撞检测的流程图。

图8为Miller编码的子载波基本波形示意图。

图9为M＝2的Miller编码的编码规则示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体描述本发明的实施方案。

带碰撞检测功能的RFID读写器的硬件框图如图1所示，读写器包括发送回路、接收回路、接口部件和DSP处理模块，接收回路包括滤波模块、相关模块、FMO解码模块和噪声过滤模块，定时器和碰撞检测模块。其中，碰撞检测模块的输入信号包括，从噪声过滤模块输出帧前导的相关计算值cor信号，从相关模块输出碰撞阈值信号cor_th1，从FMO解码模块输出的解调数据信号data_decode和解调数据波形信号data-symbol，定时器输出的定时指示信号，碰撞检测模块输出碰撞或未发生碰撞指示信号；将判断结果传递给DSP处理单元，为DSP处理单元防碰撞算法的实现提供支持。

本发明所公开的读写器在接收到电子标签的返回信息后，通过三个步骤来检测是否发生了碰撞，首先通过返回数据的数据帧头(preamble)来判断该数据帧是否为多个电子标签碰撞后的数据帧。

根据EPC Global Classl Generation 2的规定，电子标签返回信息采用的编码方式由读写器设定，包括FMO编码和不同子载波的Miller编码。首先以FMO编码为例来说明如何在读写器基带中实现电子标签碰撞的检测。图2为电子标签返回的数据帧的结构示意图，如图所示，包括三部分内容：(1).帧头(preamble)，由固定比特组成，(2).数据段，电子标签返回的具体数据内容，比如16比特的随机数(RN16)，电子标签的编码等。3.帧结束位(dummy 1)，由1bit的二进制1表示。

在通信系统中，数据帧头的作用主要是用于数字接收机中的解调模块进行同步，以判断数据段的真正起始位置。本发明所述的读写器接收回路采用相关解调算法，相关解调算法的基本原理是，它通过将接收到数据波形与本地标准的FMO帧头波形进行相关计算，如果相关值达到最大，则认为帧头已经接收完毕，并且同时记录下数据的起始位置。

如果接收到的数据为多个标签碰撞后的叠加波形，那么帧头则有可能遭到破坏，帧头被破坏的程度越大，那么与本地标准的FMO帧头的相关值越小。当读写器只接收到噪声，即电子标签没有返回数据时，该相关计算的平均值设为cor_noise，即噪声相关值；当读写器接收到正常数据时，即只有一个电子标签返回数据时，帧前导的相关值设为cor_normal，即帧前导相关计算正常值；设定一个介于cor_noise和cor_normal之间的阈值(cor_th1)用于进行判断帧前导是否发生碰撞。如果与本地标准FMO帧头相关计算的结果(cor)大于噪声值而小于阈值，即

cor_noise＜cor＜cor_th1

则认为发生碰撞；cor大于cor_noise的作用是判断此时接收到的信号为电子标签返回信息，而非噪声。

如果计算的结果(cor)大于阈值而小于正常值，即

cor_th1＜cor＜cor_normal

则认为至少帧前导没有发生碰撞。

如果通过数据帧头没有检测到碰撞发生，则进入碰撞检测的第二个步骤，通过电子标签返回帧的数据段来判断是否发生碰撞。主要是利用FMO编码的规则，检测违反编码规则的情况，来进行判断。

图3为FMO编码的波形示意图，其编码特点包括以下几点：

(1).二进制的0、1分别可以通过两种波形表示，具体采用哪一种，由上一个波形决定；

(2).二进制0的波形特征是波形中间存在一个反相；

(3).二进制1的波形特征是波形中间没有反相；

(4).每个表示1比特二进制数的波形之间必须有一个反相，如图2中RN16的数据段所示。

依据FMO编码的规则(4)，每个表示1比特二进制数的波形之间必须有一个反相，如果发生碰撞，则接收到的数据波形则会以很大概率出现一处或多处违反上述FMO编码规则的情况。

本发明公开的带有碰撞检测功能的读写器在对接收到的数据进行解码的同时(判断出每一个波形是表示二进制的0还是1)，还要对每一比特数据的波形类型进行记录。读写器的FMO解码模块向碰撞判决模块输出两个信号：解调数据信号data_decode，解调数据波形信号data-symbol，如图1所示。data_decode表示解调后的数据是1还是O；data-symbol表示1、0的具体波形种类。它们与图3中的四种波形的对应关系见图6。

在碰撞判决模块中，首先记录上一个波形(Symbol)对应的data_decode和data-symbol的值，与当前波形(Symbol)对应的data_decode和data-symbol的值进行比较，判断是否有违反FMO编码规则的情况出现(即每个表示1比特二进制数的波形之间必须有一个反相)。如果有一处或多处违反FMO编码规则的情况出现，则认为在电子标签返回数据帧的数据段发生了碰撞。图4中所示波形为理论上的碰撞波形的示例之一，前一个比特数是0，后一个比特的数是1，如果按照FMO编码的规则，由于前一比特0的后半段为低电平，后一比特的1应该为高电平，而图中的1为低电平，违反了FMO编码规则。图5为考虑到噪声影响的碰撞波形示例之一。如果直到所有数据解码完毕仍然没有出现违反FMO编码规则的情况，则认为至少在电子标签返回帧的数据段没有发生碰撞。

电子标签返回信息采用的编码方式还可以是不同子载波的Miller编码，子载波数M可以分别为2，4，8，子载波数M＝2表示波形1或0由两个基本波形组成；子载波数M＝4表示波形1或0由4个基本波形组成；子载波数M＝8表示波形1或0由8个基本波形组成；Miller编码的基本波形共有四种，图8为Miller编码的子载波的基本波形示意图。以子载波数M＝2为例说明Miller编码的编码规则，图9为M＝2的Miller编码的编码规则示意图，Miller编码规定每个波形(symbol)由2个子载波组成；表示0的两个波形(symbol)之间必须存在反相(见图9的反相1)；表示1的波形(symbol)中间必须存在反相，即两个子载波之间必须存在反向。(见图9的反相2)。

本发明公开的碰撞检测方法仍然可以根据Millier编码的规则来判决该返回数据是否发生了碰撞，也可以根据其他编码规则的规则制定碰撞检测的策略，适合不同的编码方式。

多个电子标签同时返回随机数叠加后的波形大多会出现违反FMO编码规则的情况，但是也存在特殊情况，即叠加后的数据波形中，每个比特波形之间仍然存在反相。在这种情况下，FMO解码模块能够解出一个“新的随机数”RN16_new，而且根据前面的介绍可以知道通过数据段来检测并不能判断出碰撞。

C1G2协议规定的读写器读取电子标签产品电子代码(EPC码)的过程如下：

1、读写器发送指令Query，电子标签接收到Query后，产生一个随机数并放入时隙计数器(slot counter)中。

2、时隙计数器(slot counter)中的计数值为0的电子标签响应读写器的请求，向读写器返回随机数RN16。

3、读写器接收到RN16后，发送ACK指令，ACK指令中应该包含读写器接收到的RN16。

4、电子标签接收到ACK指令后，检查指令中的RN16是否与之前发送的随机数相同，如果相同则响应读写器的查询请求，在协议规定的时间(T1max)内向读写器返回自己的EPC码。否则不返回任何信息。

如果读写器不能在第二个步骤判断出碰撞，接收回路通过接口将FMO解码模块解出的“新的随机数”RN16_new传送给DSP处理模块，DSP根据C1G2协议将发送ACK指令，其中ACK指令包含“新的随机数”RN16_new。所有电子标签接收到该ACK指令后，检查指令中的RN16_new是否为自己之前返回的随机数。由于碰撞后的“新的随机数”RN16_new不等于发生碰撞的任何一个电子标签返回的随机数，所以所有电子标签都不会响应读写器的请求，即都不会返回自己的EPC码。

如果通过上述三个步骤都没有检测出碰撞发生，则认为该次查询电子标签成功；如果以上三个步骤至少有一个步骤判断出碰撞发生，则认为该次查询的结果为碰撞；DSP负责分别对查询成功(成功时隙)、碰撞(碰撞时隙)、没有返回(空时隙)进行计数，为各种防碰撞算法提供支持。

噪声过滤模块的作用是在信号被滤波前判断信号的相关幅值是否大于阈值cor_noise，如果大于，则输出信号cor_noise_flag＝1，表示当前接收的信号为电子标签返回的信号，而非噪声，起到过滤噪声影响的作用。当电子标签在接收到读写器指令后的T1max(C1G2协议规定)时间内没有返回信息，定时器模块则会输出time_out＝1，表示发生了超时。同时相关模块和FMO解码模块给出用于进行碰撞检测的指示信号，相关模块输出cor_th1_flag信号，cor_th1_flag＝1表示当前数据帧的前导的相关值低于阈值cor_th1；FMO解码模块输出data_decode和data-symbol信号，它们共同表示了当前数据的波形种类，如图3所示。

综上所述，碰撞检测的流程图如图7所示，一个检测周期开始，收到电子标签的返回信息后，先检测帧头数据是否被破坏，如果cor_noise_flag＝1，而且cor_th1_flag＝1，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块发出碰撞信号，此检测周期结束，如果没有被破坏，则认为没有发生碰撞；

再进一步检测返回信息数据段是否违反FMO编码规则，如果当前data_decode和data-symbol信号与前一比特的data_decode和data-symbol信号的比较发现了前后波形没有反相，则认为发生了碰撞，碰撞指示信号有效，此检测周期结束，如果均没有违反FMO编码规则，则认为没有发生碰撞；

最后，接收回路通过接口将FMO解码模块解出的随机数传送给DSP处理模块，DSP发送ACK指令，所有电子标签收到ACK指令后，检查指令中的随机数是否为自己之前返回的随机数，如果不相同，则所有电子标签都不会相应读写器的请求，即不会返回自己的EPC码，读写器检测time_out信号，发现time_out＝1，则表示读写器在协议规定的时间(T1max)内没有收到电子标签的任何信息，则可以认为发生了碰撞，碰撞指示信号有效，此检测周期结束，如果收到电子标签的返回信息，则认为没有发生碰撞，此检测周期结束，开始下一周期的碰撞检测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种带碰撞检测的RFID读写器，包括发送回路、接收回路、接口部件和DSP处理模块，接收回路和发送回路通过接口部件与DSP处理模块连接，其特征在于：接收回路包括滤波模块、相关模块、FMO解码模块、串并转换模块和噪声过滤模块，定时器，还包括碰撞检测模块；碰撞检测模块的输入信号包括，从噪声过滤模块输出的噪声过滤信号cor_noise_flag，从相关模块输出的碰撞阈值比较信号cor_th1_flag，从FMO解码模块输出的解调数据信号data_decode和解调数据波形信号data-symbol，定时器输出的定时指示信号；碰撞检测模块输出的碰撞指示信号，通过接口部件传送给DSP处理模块；其中：

当接收回路收到电子标签的返回信息后，首先检测返回数据的帧头信息，如果cor_noise_flag＝1，而且cor_th1_flag＝1，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；

否则进一步检测返回数据的数据段的编码规则，如果当前data_decode和data-symbol信号与前一比特的data_decode和data-symbol信号的比较发现了前后波形没有反相，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；

否则读写器进一步发送ACK指令，经过一段时间检测定时器发出的time_out信号，如果time_out＝1，则认为发生了碰撞，碰撞指示信号有效；

否则认为电子标签返回的信号没有发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的带碰撞检测的RFID读写器，其特征在于，所述噪声过滤模块在信号被滤波前判断信号的相关幅值是否大于阈值cor_noise，如果大于，则输出信号cor_noise_flag＝1，表示当前接收的信号为电子标签返回的信号，而非噪声；cor_noise是当读写器只接收到噪声，即电子标签没有返回数据时，噪声的相关计算的平均值。

3.根据权利要求1所述的带碰撞检测的RFID读写器，其特征在于，所述相关模块输出的碰撞阈值比较信号cor_th1_flag，当前数据帧的前导的相关值低于阈值cor_th1时，cor_th1_flag＝1；表示当前接收到的信号前导被破坏，为非法的FMO编码前导；如果cor_noise_flag＝1而且cor_th1_flag＝1，则表示当前接收到的信号发生了碰撞。

4.根据权利要求1所述的带碰撞检测的RFID读写器，其特征在于，所述一段时间，为定时器设定的根据EPC Global Classl Generation 2空中接口协议规定的时间T1max。

5.一种基于带碰撞检测功能的RFID读写器的碰撞检测方法，其特征在于，包括：

步骤一，当接收回路收到信号后，首先通过噪声过滤模块输出的噪声过滤信号cor_noise_flag是否为1判断该接收到信号为噪声还是电子标签返回的信号；如果为电子标签返回的信号，则计算电子标签返回的随机数的帧前导的相关值，与设定的碰撞阈值信号cor_th1相比较，如果小于设定的相关阈值cor_th1，则认为发生碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；如果大于设定的相关阈值cor_th1，认为没有发生碰撞，输出的碰撞指示信号无效，再执行步骤二；

步骤二，检查电子标签返回随机数的数据段波形是否违反编码规则，如果违反编码规则，认为发生碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则认为没有发生碰撞。

6.根据权利要求5所述的碰撞检测方法，其特征在于，还包括步骤三，如果经过上两步均未检测出碰撞，由读写器继续发送查询指令ACK，如果此时电子标签在协议规定的T1max时间内没有返回任何信息，则认为发生了碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则认为没有发生碰撞。

7.根据权利要求5所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述编码规则为FMO规则，判断方法为，如果返回信息数据段至少有一处当前从FMO解码模块输出的解调数据信号data_decode和解调数据波形信号data-symbol信号与前一比特的data_decode和data-symbol信号比较，前后波形没有反相，则违反了FMO编码规则，认为发生碰撞，碰撞检测模块输出的碰撞指示信号有效；否则认为没有发生碰撞。

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