CN102360415B - 一种为射频标签排序的方法以及射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种为射频标签排序方法和射频识别系统，包括：阅读器发出的Query指令中包含循环计数器的值作为Query指令的序号；标签芯片计算从射频标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1；标签芯片根据EPC G2协议定义的防冲突机制把其唯一识别号、时间间隔T1、和初次收到的Query指令的序号N1发送给所述阅读器；阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1；将所述t_N1减去所述T1，得到射频标签进入阅读器天线辐射范围的时间t_in；射频标签进入阅读器天线辐射范围的顺序由各射频标签的t_in排序得出。采用本发明的技术方案，可以解决无源超高频射频识别技术无法准确对进入其天线辐射范围的标签进行排序的问题。

Description

一种为射频标签排序的方法以及射频识别系统

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种在无源超高频射频识别技术中为射频标签排序的方法以及射频识别系统。

背景技术

现有的射频识别(RFID)技术中的超高频通常指860MHz～960MHz频段；在我国，还应该包含840MHz～845MHz频段，该频段的无源射频识别技术具有读取距离远(大于7米)、防冲突能力强(可以同时读取数百个射频标签)、标签价格低(不到低频或高频标签价格的一半)的特点。在美国政府、EPC Global组织和沃尔玛公司的推动下，EPC Gen2协议成为无源超高频射频识别技术的国际标准，正式命名为ISO18000-6C；现在符合EPC Gen2协议的无源超高频射频识别系统已经被广泛用于全球物流领域，成为物流行业的事实标准；人们试图将该技术推广到其它应用和其它行业，却遇到一些技术上的困难。

例如，在工厂自动化流水线使用无源超高频RFID技术；在传送带上运行的各个工件上固定射频标签，当它们经过操作台时，阅读器通过读取射频标签获得工件的名称、类型、工序、加工要求等信息，以决定相应的加工动作。超高频阅读器天线辐射的区域很大；同一时刻，可能会有多个工件的射频标签处于天线的辐射区域中；这些射频标签发出的数据包在空中相互干扰，无法被阅读器识别。

EPC Gen2协议中定义了基于改进ALOHA算法的防冲突机制；每个标签在收到阅读器发出的Query指令后自动生成一个随机数，并在阅读器的控制下反复减1计数；当标签芯片内部的计数器计到0，则发送RN16给阅读器；标签收到阅读器返回了一个同样的RN16后，将自己的芯片识别号和内部存储的其它数据发送给阅读器；若标签冲突仍存在，则阅读器继续发出Query(或QueryAdjust)指令，重复上述过程，直到无标签冲突，所有标签都被识别出来为止。

按照该防冲突机制，每个标签被识别出之前都要经过一段随机长度的时间；显然阅读器接收到射频标签的时间并不是这些标签进入阅读器天线辐射范围的时间，阅读器接收到射频标签的次序也不能代表它们通过阅读器天线辐射范围的次序；这就造成无法将读取到的多个标签数据和多个工件一一对应起来；当前这一问题的解决方法是拉开工件之间的距离，保证同一时刻只有一个工件经过阅读器的天线辐射区域；但是这样做会极大影响流水线生产加工的效率。

国外有公司试图将无源超高频射频识别技术用于多人长跑比赛的计时；具体作法是：在参赛者的鞋带上、脚腕上或者胸前号码牌上固定射频标签，在计时点的地面铺设或者空中架设阅读器天线，以阅读器成功收到射频标签的识别号的时间作为携带该标签的参赛者通过计时点的时间，并进一步计算出比赛成绩和排名。如前所述，这些时间并不是射频标签进入阅读器天线辐射范围的时间，由此生成的排名也不能代表参赛者实际通过阅读器天线辐射范围的顺序；最近几场采用无源超高频射频识别技术进行计时的多人长跑比赛结束后，组委会均收到了大量参赛者对赛事公布的成绩和排名的投诉和质疑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种为射频标签排序的方法，可以解决无源超高频射频识别技术无法准确对进入其天线辐射范围的标签进行排序的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种为射频标签排序方法，应用于射频识别系统中，包括以下步骤：

步骤1、阅读器向射频标签发送Query指令，指令中包含循环计数器的值作为Query指令的序号；

步骤2、标签芯片计算从射频标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1；

步骤3、标签芯片根据EPC G2协议定义的防冲突机制把其唯一识别号、时间间隔T1、和初次收到的Query指令的序号N1发送给阅读器；

步骤4、阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1；

步骤5、将t_N1减去T1，得到射频标签进入阅读器天线辐射范围的时间t_in；

步骤6、射频标签进入阅读器天线辐射范围的顺序由各射频标签的t_in排序得出。

一种为射频标签排序方法，阅读器发送的Query指令包含当前阅读器内部循环计数器的值，以此作为Query指令的序号，该数值有4个比特的长度，且应包含在CRC计算范围中。

一种为射频标签排序方法，阅读器每发送一次Query指令，其内部循环计数器加1；循环计数器的上限为15，计到15后从0开始重新计数；阅读器中存储最近16次发送Query指令的阅读器内部时间。

一种为射频标签排序方法，阅读器接收到的每个标签芯片的数据包中包含该标签芯片的唯一识别号、标签芯片初次收到的阅读器Query指令的序号、以及从标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔。

一种射频识别系统，包括阅读器和标签芯片，阅读器包括循环计数器装置，用于生成阅读器发送的Query指令的序号；标签芯片包括预计时装置，用于计算从射频标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1；其中，把标签芯片初次收到的阅读器发出的Query指令中的循环计数器的值设为N1；阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1；将t_N1减去T1，得到射频标签进入阅读器天线辐射范围的时间t_in；射频标签进入阅读器天线辐射范围的顺序由各射频标签的t_in排序得出。

在射频识别系统中，标签芯片还包括随机数产生和倒计数装置，当收到所述阅读器发出的Query指令时，根据指令中的参数Q值，在[0，2^Q-1]之间生成一个随机数，将其作为倒计数器的初值。

在射频识别系统中，阅读器发送的Query指令包含当前循环计数器的值，该数值有4个比特的长度，且应包含在CRC计算范围中。

在射频识别系统中，阅读器每发送一次Query指令，循环计数器装置加1；循环计数器装置的上限为15，计到15后从0开始重新计数；阅读器中存储最近16次发送Query指令的阅读器内部时间。

在射频识别系统中，阅读器接收到的每个标签芯片的数据包中包含该标签芯片的唯一识别号、标签芯片初次收到的阅读器Query指令的序号、以及从标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔。

本发明的有益效果在于，在阅读器设置循环计数器装置和在标签芯片设置预计时装置；计算从射频标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1；把标签芯片初次收到阅读器发出的Query指令中的循环计数器的值设为N1；阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1；将t_N1减去T1，得到射频标签进入阅读器天线辐射范围的时间t_in；射频标签进入阅读器天线辐射范围的顺序由各射频标签的t_in排序得出。采用本发明的技术方案，可以解决无源超高频射频识别技术无法准确对进入其天线辐射范围的标签进行排序的问题。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为现有的工厂自动化流水线使用无源超高频RFID技术的示意图；

图2为本发明的射频识别系统结构框图；

图3为本发明在EPC G2协议中计算时隙计数参数Q值方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

无源超高频射频识别系统的工作原理：阅读器通过天线向空中辐射电磁场为无源射频标签充电；无源射频标签将芯片内存储的识别号和其它数据调制在接收到的电磁波上反射给阅读器；阅读器获取一个或多个标签返回的数据，处理多标签之间的冲突，并将接收到的标签数据传递给后台计算机，从而完成整个识别过程。

如图2所示，射频识别系统由阅读器和标签组成。本发明中的阅读器应包含循环计数器装置，每发送一次Query(或QueryAdjust)指令，计数器加1。计数器的上限为15，计到15后从0开始重新计数。设当前计数器的值为N。阅读器中应存储最近16次发送Query(或QueryAdjust)指令的阅读器内部时间，分别为：

t_N，t_N-1，…，t₁，t₀，t₁₅，…，t_N+1.N∈[0，15]

阅读器发送的Query指令需包含当前循环计数器的值N。该数值有4个比特的长度，且应包含在CRC计算范围中。修改后的Query指令格式如下：

标签芯片的内部要包含预计时装置。从标签进入阅读器天线的辐射范围后开始计时，标签芯片初次收到阅读器发出的Query指令时计时结束。设收到的Query指令中的循环计数器的值为N1，将得到的计时长度(设为T1)和N1存入标签芯片内部存储器。

标签芯片还应含有随机数产生和倒计数装置。当收到阅读器发出的Query(或QueryAdjust)指令时，根据指令中的参数Q值，在[0，2^Q-1]之间生成一个随机数，将其作为倒计数器的初值。每收到一次QueryRep指令，计数器减1。计到0时标签芯片产生一个新的16比特随机数RN16，发给阅读器。如果能够收到阅读器的ACK响应，且响应数据中包含同样的RN16，则标签将自己的芯片识别号、时长数据T1、Query指令序号N1、和其它数据一起发送给阅读器。

EPC G2协议中推荐了一种计算时隙计数参数Q值的方法，如图4所示。其中C为调整步长，典型值在(0.1，0.5)之间。若Q较大则C取较小值；若Q较小则C取较大值。从图4中可以看出，Q的最大值是15。通常如果待识别的标签总数为M，Q的取值应当满足以下条件：

Q＞log₂M+1

引入浮点数Q_fp，阅读器将Q_fp四舍五入为一个整数值，并用这个整数作为Query指令的参数Q值。一次Query过程完成后，若应答的标签数大于1，则将Q_fp加上参数C后与15比较取其中较小的一个作为新的Q_fp；若应答的标签数等于0，则将Q_fp减去参数C后与0比较取其中较大的一个作为新的Q_fp；若应答的标签数等于1，则Q_fp保持不变。一次成功的多标签识别过程完成后，阅读器接收到的每个芯片的数据包中至少包含该标签芯片的唯一识别号、它初次收到的阅读器Query指令的序号N1、以及从标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1。阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1，最终可由下式得到该标签进入阅读器天线辐射范围的时间t_in

t_in＝t_N1-T₁

最后标签进入阅读器天线辐射范围的顺序由各标签的t_in排序得出。

阅读器的内部时钟非常精确，以此为基准得到的各次Query指令的发出时间也是很精准的。系统的主要计时误差来自标签芯片。标签芯片时钟受工艺体积的限制，存在一定误差，通常小于10％，但由于标签进入阅读器天线辐射范围后，在很短的时间内(通常不超过125毫秒)就能收到阅读器发出的Query指令，其绝对误差很小(小于12.5毫秒)。因此整体来说采用本发明所述的系统对标签进入的顺序进行排序的精度在12.5毫秒以下。

实际应用中，一台阅读器往往会连接多副天线，各天线之间分时工作，每个天线辐射一块独立区域。本系统要求阅读器以顺序轮询的方式切换天线，且在每个Query周期完成后进行切换天线的操作，每个Query周期的时间长度应该小于125毫秒。

根据EPC Gen2协议，标签离开天线辐射区域后芯片必须保持自己的Inventoried状态字和Selected状态字一段时间，以保证操作的连续性。本系统进一步要求标签离开天线辐射区域后能够将其初次收到的阅读器Query指令的序号N1、以及从标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1保存一段时间。保存的时长可以定义为至少2秒，与EPC Gen2协议规定的Selected状态字保存时间相同。

综上所述，本发明对EPC Gen2协议进行了修改，提出了一套工作机制，可以准确地获得标签进入阅读器天线辐射范围的顺序。

Claims (9)

1.一种为射频标签排序方法，应用于射频识别系统中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、阅读器向所述射频标签发送Query指令，指令中包含循环计数器的值作为Query指令的序号；

步骤2、标签芯片计算从所述射频标签进入所述阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1；

步骤3、所述标签芯片根据EPC G2协议定义的防冲突机制把其唯一识别号、时间间隔T1、和初次收到的Query指令的序号N1发送给所述阅读器；

步骤4、所述阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1；

步骤5、将所述t_N1减去所述T1，得到所述射频标签进入所述阅读器天线辐射范围的时间t_in；

步骤6、所述射频标签进入所述阅读器天线辐射范围的顺序由各射频标签的t_in排序得出。

2.根据权利要求1所述的一种为射频标签排序方法，其特征在于，

所述阅读器发送的Query指令包含当前阅读器内部循环计数器的值，以此作为Query指令的序号，该数值有4个比特的长度，且应包含在CRC计算范围中。

3.根据权利要求1所述的一种为射频标签排序方法，其特征在于，

所述阅读器每发送一次Query指令，其内部循环计数器加1；循环计数器的上限为15，计到15后从0开始重新计数；所述阅读器中存储最近16次发送Query指令的阅读器内部时间。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种为射频标签排序方法，其特征在于，

所述阅读器接收到的每个标签芯片的数据包中包含该标签芯片的唯一识别号、标签芯片初次收到的阅读器Query指令的序号、以及从标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔。

5.一种射频识别系统，包括阅读器和标签芯片，其特征在于，所述阅读器包括循环计数器装置，用于生成所述阅读器发送Query指令的序号；标签芯片包括预计时装置，用于计算从所述射频标签进入所述阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔T1；其中，把所述标签芯片初次收到的所述阅读器发出的Query指令中的循环计数器的值设为N1；所述阅读器从自身内存堆栈中查询得到其第N1次发送Query指令的阅读器内部时间t_N1；将所述t_N1减去所述T1，得到所述射频标签进入阅读器天线辐射范围的时间t_in；所述射频标签进入所述阅读器天线辐射范围的顺序由各射频标签的t_in排序得出。

6.根据权利要求5所述的一种射频识别系统，其特征在于，标签芯片还包括随机数产生和倒计数装置，当收到所述阅读器发出的Query指令时，根据指令中的参数Q值，在之间生成一个随机数，将其作为倒计数器的初值。

7.根据权利要求5所述的一种射频识别系统，其特征在于，

所述阅读器发送的Query指令包含当前循环计数器的值，作为Query指令的序号，该数值有4个比特的长度，且应包含在CRC计算范围中。

8.根据权利要求5至7之一所述的一种射频识别系统，其特征在于，

所述阅读器每发送一次Query指令，循环计数器装置加1；循环计数器装置的上限为15，计到15后从0开始重新计数；所述阅读器中存储最近16次发送Query指令的阅读器内部时间。

9.根据权利要求5至7之一所述的一种射频识别系统，其特征在于，

所述阅读器接收到的每个标签芯片的数据包中包含该标签芯片的唯一识别号、标签芯片初次收到的阅读器Query指令的序号、以及从标签进入阅读器天线辐射范围到初次收到Query指令的时间间隔。

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