CN103413157B - 一种能检测时隙内标签个数的rfid读写器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频识别技术领域，具体为一种能检测时隙内标签个数的RFID读写器及其检测方法。本发明的RFID读写器是在其接收回路中增加标签个数检测模块，即接收回路包括模拟射频前端、AD转换器、IQ选择器、标签个数检测模块、碰撞信号恢复模块、控制电路和数字接收机；当读写器收到电子标签的返回信息后，先对数据进行采样和存储，然后对采样数据进行聚类和分组，并计算采样点与聚类中心偏差的均值，以此判断标签个数。根据标签个数检测的结果，读写器决定直接对信号进行解调、进行信号恢复之后分别解调，或者不进行解调直接舍弃。本发明为信号恢复和解调工作提供了有效的支持，减少失败的信号恢复和识别，提高了整体的识别效率。

Description

一种能检测时隙内标签个数的RFID读写器及其检测方法

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，尤其涉及一种能检测时隙内标签个数的RFID读写器及其检测方法。

背景技术

随着RFID技术的发展和物联网应用的普及，RFID系统在供应链管理、安全防伪、交通、零售、智能家居等领域取得了广泛的应用。在很多应用场合，在读写器的识别范围内存在多个标签，而且需要在短时间内被识别，这就需要高效的防碰撞技术。在多标签环境中提高读写器的识别效率，减少识别时间，是RFID技术中的重要问题。

目前，已经有大量的学者对RFID多标签防碰撞算法进行了研究。通常采用的方法是时分复用，尽可能让标签在不同时间返回信号，具体分为确定性的二进制树算法和随机性的Aloha算法。其中动态帧时隙Aloha（DFSA）算法由于识别速度快，已经得到广泛应用。在DFSA算法中，每一轮识别（帧）中，时间被分为若干的时隙，标签随机算去一个时隙返回信号，如果帧结束仍有未识别的标签，则开始新的一个帧，直到所有标签被识别。

在一个时隙内，如果仍然有两个或者更多标签返回信号，则发生了碰撞，通常碰撞的时隙被舍弃。最新的研究表明，对于已经发生了碰撞的时隙，仍然可以通过碰撞信号恢复的算法在碰撞信号中得到原来的信号，并分别解调。该方法可以对两个标签、三个标签碰撞的情况进行处理，甚至可以对更多标签碰撞的信号进行处理，但成功率会显著下降。应用碰撞信号分离的方法，需要预先知道时隙内的标签个数，采用合适的分离方法或者对于不合适的情况直接舍弃。因此，标签个数检测可以为碰撞信号分离提供硬件支持，避免不必要的时间花费，提高整体效率和识别速度。

每一个时隙内标签个数的检测结果也可以用于估计未识别的标签个数，为帧长动态调整提供有效的信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种检测准确性高、且检测方便的检测时隙内标签个数的RFID读写器以及检测方法。

本发明提出的检测时隙内标签个数的RFID读写器，通过在读写器接收回路中增加标签个数检测模块，按照不同聚类方法得到的结果作为检测的依据，分三个层次检测时隙内标签的个数，以提高标签个数检测的准确性，为碰撞信号分离和帧长动态调整提供依据，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。

本发明提出的标签个数检测方法，分三步检测当前时隙内的标签个数，如果第一步就确定为一个标签，则输出结果；如果不止一个标签，则检测是否为两个标签，如果仍然不符合，则进行第三步检测；如果第三步检测为三个标签，则输出结果，否则认为时隙内存在四个或者更多标签。

具体来说，本发明提供的能检测时隙内标签个数的RFID读写器，其结构框图如图1所示，包括模拟射频前端、AD/DA转换器、IQ选择器、标签个数检测模块、碰撞信号恢复模块、控制电路、数字接收机、协议处理模块；其中，模拟射频前端、AD转换器、IQ选择器、标签个数检测模块、碰撞信号恢复模块、控制电路和数字接收机组成接收回路；数字接收机包括滤波模块（包括Rx 滤波器和匹配滤波器）、码元同步模块、帧同步模块、解码器；控制电路的输入为标签个数检测电路的输出（即检测结果）、IQ选择器得到的原始信号以及碰撞信号分离模块的输出结果；控制电路根据标签个数的结果将合适的信号输出给数字接收机。见图1所示。

如果时隙内存在一个标签，则将原始信号输出给数字接收机进行解调；如果时隙内存在两个标签，则将两个标签碰撞分离的结果输出给数字接收机分别进行解调；如果时隙内存在三个标签，则将三个标签碰撞分离的结果输出给数字接受机分别进行解调；如果时隙内存在四个或者四个以上标签，则将该信号舍弃，开始下一时隙。

所述标签个数检测模块，包括三个标签检测子模块（子电路），三个子模块分别用于检测时隙内标签个数是否为一个、两个、三个。三个子模块共享数据采样和存储电路。采用速度最优的设计可以三个子模块并行进行操作，几乎同时得到计算结果；采用功耗最优的设计可以三个子模块串行进行操作，前一子模块的输出结果决定是否进行下一子模块的运算。子模块个数不仅限于三个，采用同样原理可以将子模块扩展至更多，从而得到更精确的结果。

所述碰撞信号恢复模块包括两个标签信号分离电路和三个标签信号分离电路。两个标签信号分离电路用于将两个标签发生碰撞得到的信号进行恢复，得到两组信号，并被数字接收机分别解调；该电路适用于两个标签碰撞的情况，对于更多标签碰撞的情况，性能显著下降。三个标签信号分离电路用于将三个标签发生碰撞得到的信号进行恢复，得到三组信号，并被数字接收机分别解调；该电路适用于三个标签碰撞的情况，对于更多标签碰撞的情况，性能显著下降。

所述标签个数检测模块中，每个标签检测子模块包括聚类、分类、偏差计算和判决四个部分。其中：

检测一个标签的子模块，按照两个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是一个标签，否则进行下一步的检测。

检测两个个标签的子模块，按照四个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是两个标签，否则进行下一步的检测。

检测三个个标签的子模块，按照八个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是三个标签，否则进行下一步的检测。

采用类似的方法，可以进一步得到标签个数的详细信息。

聚类的方法包括但不限于基于电压分布的统计直方图方法，采样保留的信息包括但不限于一维的电压分布，也可以包括星座图中的二维信息，或者其它辅助信息。

本发明提出的基于一种能检测时隙内标签个数的RFID读写器的碰撞检测方法，其步骤包括：

步骤一，当接收回路收到有效信号时，先判断该信号是否发生碰撞，即是否仅含有一个标签，按照两个中心进行聚类，再对每个采样点计算与其相对应的聚类中心的偏差的均值，将该均值与设定好的阈值进行比较，如果不超过阈值则认为没有碰撞，直接进行解调，否则进行步骤二；

步骤二，按照四个聚类中心对采样点进行聚类，计算偏差的均值，如果不超过阈值则进行两个标签的信号恢复并分别解调两个标签，否则进行步骤三；

步骤三，按照八个聚类中心对采样点进行聚类，计算偏差的均值，如果不超过阈值则进行三个标签的信号恢复并分别解调三个标签，否则认为该时隙内存在四个或者更多标签，舍弃该信号。

采用类似的方法，可以包括更多步骤，得到标签个数的更详细信息。如果需要更精确的估计标签个数，可以按照同样的方法，例如，步骤四，按照十六个中心进行聚类，判断是否存在四个标签，…，以此类推。

本发明的优点在于：通过在RFID读写器中集成标签个数检测模块，并实施相关的标签个数检测算法，实现了检测时隙内标签个数的功能，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，并且可以检测出碰撞时隙内所含标签个数的具体信息，为进一步的碰撞信号恢复和帧长动态调整提供依据，从而实现调整、改善读写器识别效率的作用。本发明的碰撞检测策略适用于时隙ALOHA算法的实施，使得RFID读写器提供标签个数检测的功能。

附图说明

图1为能检测时隙内标签个数的RFID读写器的硬件框图。

图2为标签个数检测模块的结构框图。

图3为时隙内标签个数检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图具体描述本发明的实施方式。

一种能检测时隙内标签个数的RFID读写器的硬件框图如图1所示， 包括模拟射频前端、AD/DA转换器、IQ选择器、标签个数检测模块、碰撞信号恢复模块、控制电路、数字接收机、协议处理模块；其中，模拟射频前端、AD转换器、IQ选择器、标签个数检测模块、碰撞信号恢复模块、控制电路和数字接收机组成接收回路；数字接收机包括滤波模块（包括Rx 滤波器和匹配滤波器）、码元同步模块、帧同步模块、解码器；控制电路的输入为标签个数检测电路的输出（即检测结果）、IQ选择器得到的原始信号以及碰撞信号分离模块的输出结果；控制电路根据标签个数的结果将合适的信号输出给数字接收机。

如果时隙内存在一个标签，则将原始信号输出给数字接收机进行解调；如果时隙内存在两个标签，则将两个标签碰撞分离的结果输出给数字接收机分别进行解调；如果时隙内存在三个标签，则将三个标签碰撞分离的结果输出给数字接受机分别进行解调；如果时隙内存在四个或者四个以上标签，则将该信号舍弃，开始下一时隙。

时隙内标签个数检测模块的硬件框图如图2所示，该模块由三个标签检测子模块组成，三个子模块分别检测时隙内标签个数是否为一个、两个、三个。三个模块共享数据采样和存储电路。采用速度最优的设计可以三个子电路并行进行操作，几乎同时得到计算结果；采用功耗最优的设计可以三个子电路串行进行操作，前一模块的输出结果决定是否进行下一模块的运算。子模块个数不仅限于三个，采用同样原理可以将子模块扩展至更多，从而得到更精确的结果。

每个标签检测子模块，包括检测一个标签、检测两个标签和检测三个标签的子模块。每个子模块包括聚类、分类、偏差计算和判决四个部分组成。

检测一个标签的模块，按照两个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是一个标签，否则进行下一步的检测。

对于一个标签的情况，数字信号的两个值分别为+1和-1，所以两个采样中心应该一正一负，且幅值近似相等。在聚类时，可以将所有正值的采样点作为一类，所有负值作为一类，分别计算其均值作为聚类中心（假定正的为center1，负的为center2）。计算每个正的采样点到center1的差值；相应的，计算每个负的采样点到center2的差值。对每个采样点到聚类中心的差值取均值（vari1），并将其与预先设定好的阈值level1进行比较。

如果，

则认为只有一个标签。

如果，

则认为至少两个标签。

Level1的选取应根据应用所处的环境、读写器、标签性能等因素考虑。在实际应用之前可以通过大量的仿真或者测试过程，得到比较合适的阈值参数。

检测两个标签的模块，按照四个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是两个标签，否则进行下一步的检测。

对于两个标签的情况，每个标签的信号的值可能分别为+1和-1，所以相加可以有四种情况（[+1，+1]，[+1，-1]，[-1，+1]，[-1，-1]），加上一定的噪声和偏差，近似可以有四个中心。在聚类时，统计所有采样点的分布，得到分布直方图，经过一定的滤波和平滑化处理后得到分布的四个峰值，即为聚类中心。计算每个采样点到最近的聚类中心的差值，并取平均（vari2），并将其与预先设定好的阈值level2进行比较。

如果，

则认为两个标签。

如果，

则认为至少三个标签。

Level2的选取对性能有很大影响，如果过大，则很多三个标签的情况会被误认为两个标签，如果过小，很多两个标签的情况会被误认为三个标签。类似的，应根据应用所处的环境、读写器、标签性能等因素考虑。在实际应用之前可以通过大量的仿真或者测试过程，得到比较合适的阈值参数。

检测三个个标签的模块，按照八个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是三个标签，否则进行下一步的检测。

同样的，三个标签的情况需要将采样点分为八个聚类中心，并计算偏差均值。

如果，

则认为三个标签。

如果，

则认为至少四个标签。

采用类似的方法，可以进一步得到标签个数的详细信息。

采用的聚类方法包括但不限于基于电压分布的统计直方图方法，采样保留的信息包括但不限于一维的电压分布，也可以包括星座图中的二维信息，或者其它辅助信息。

综上所述，时隙内标签个数检测的流程图如图3所示，收到标签返回的有效信号，则开始检测流程，先检测是否为一个标签，按照两个中心进行聚类和分类，如果偏差均值不超过阈值，则认为是一个标签，否则认为发生碰撞，存在至少两个标签，进行进一步检测；再按照四个中心进行聚类和分类，如果偏差不超过阈值，则认为是两个标签，否则认为至少存在三个标签，进行进一步检测；再按照八个中心进行聚类和分类，如果偏差不超过阈值，则认为是三个标签，否则认为至少存在四个标签。流程结束后输出检测结果，得到标签个数的信息。

图3中所示的流程包括了三个步骤的检测，采用类似的方法可以将流程扩展到检测四个、五个甚至更多个标签，具体实施中可以根据需要和性能灵活选取。

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 (6)

1.一种能检测时隙内标签个数的RFID读写器，其特征在于在读写器接收回路中增加标签个数检测模块，即接收回路包括模拟射频前端、AD转换器、IQ选择器、标签个数检测模块、碰撞信号恢复模块、控制电路和数字接收机；其中，数字接收机包括滤波模块、码元同步模块、帧同步模块、解码器；控制电路的输入为标签个数检测电路的输出、IQ选择器得到的原始信号以及碰撞信号分离模块的输出；控制电路根据标签个数的结果将合适的信号输出给数字接收机；

如果时隙内存在一个标签，则将原始信号输出给数字接收机进行解调；如果时隙内存在两个标签，则将两个标签碰撞分离的结果输出给数字接收机分别进行解调；如果时隙内存在三个标签，则将三个标签碰撞分离的结果输出给数字接受机分别进行解调；如果时隙内存在四个以上标签，则将该信号舍弃，开始下一时隙。

2. 根据权利要求1所述的能检测时隙内标签个数的RFID读写器，其特征在于，所述标签个数检测模块包括三个标签检测子模块：检测一个标签的子模块，检测两个标签的子模块， 检测三个标签的子模块，三个标签检测子模块分别用于检测时隙内标签个数是否为一个、两个、三个；三个标签检测子模块共享数据采样和存储电路；

当采用速度最优的设计，三个标签检测子模块可并行进行操作，几乎同时得到计算结果；当采用功耗最优的设计，三个标签检测子模块可串行进行操作，前一子模块的输出结果决定是否进行下一子模块的运算。

3.根据权利要求1所述的能检测时隙内标签个数的RFID读写器，其特征在于所述碰撞信号恢复模块包括两个标签信号分离电路和三个标签信号分离电路；其中，两个标签信号分离电路用于将两个标签发生碰撞得到的信号进行恢复，得到两组信号，并被数字接收机分别解调；三个标签信号分离电路用于将三个标签发生碰撞得到的信号进行恢复，得到三组信号，并被数字接收机分别解调。

4.根据权利要求2或3所述的能检测时隙内标签个数的RFID读写器，其特征在于，所述的标签个数检测模块中，每个标签检测子模块包括聚类、分类、偏差计算和判决四个部分；其中：

检测一个标签的子模块，按照两个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是一个标签，否则进行下一步的检测；

检测两个标签的子模块，按照四个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是两个标签，否则进行下一步的检测；

检测三个标签的子模块，按照八个聚类中心对采用信号进行聚类，并将每个采样点进行分类，计算每个采样点到聚类中心偏差，并统计均值，与预先设定的阈值进行比较，如果偏差不超过该阈值，则认为是三个标签，否则进行下一步的检测。

5.一种基于如权利要求1-4之一所述能检测时隙内标签个数的RFID读写器的检测方法，其特征在于具体步骤为：

步骤一，当接收回路收到有效信号时，先判断该信号是否发生碰撞，即是否仅含有一个标签，按照两个中心进行聚类，再对每个采样点计算与其相对应的聚类中心的偏差的均值，将该均值与设定好的阈值进行比较，如果不超过阈值则认为没有碰撞，直接进行解调，否则进行步骤二；

步骤二，按照四个聚类中心对采样点进行聚类，计算偏差的均值，如果不超过阈值则进行两个标签的信号恢复并分别解调两个标签，否则进行步骤三；

步骤三，按照八个聚类中心对采样点进行聚类，计算偏差的均值，如果不超过阈值则进行三个标签的信号恢复并分别解调三个标签，否则认为该时隙内存在四个或者更多标签，舍弃该信号。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，按照同样的方法，进一步，按照十六个中心进行聚类，判断是否存在四个标签。