CN103745181A

CN103745181A - 一种低频激活有源标签的防冲突方法

Info

Publication number: CN103745181A
Application number: CN201310754948.1A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 金巍; 荣平
Original assignee: ZHEJIANG INSIGMA TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: ZHEJIANG INSIGMA TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103745181B

Abstract

本发明涉及无线通信领域的射频识别RFID技术，特别是指一种标签识别系统和一种有源标签发送数据的方法。本发明中有源标签大部分时间处于睡眠状态，收到低频激活信号后，标签将自身ID和标签被激活时的标签系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列。该随机时间序列包括TxNumBest个时刻值，用于指示有源标签将同一帧数据TxNumBest次重复发送的各次开始时间。标签依据所述时间序列的值，将同一数据帧重复发送TxNumBest次，只要有任意一帧被阅读器成功接收，标签即可被成功识别，期间无需阅读器的任何反馈。本发明的方法有助于降低标签功耗，降低标签发送数据冲突，提高标签识别率。

Description

一种低频激活有源标签的防冲突方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域的射频识别RFID技术，特别是指一种标签识别系统和一种有源标签发送数据的方法。

背景技术

为解决标签的功耗和使用寿命问题，本领域一方面将电池集成到标签中，增加标签的能源储备，另一方面，努力降低标签的功耗，先后提出了标签按照固定周期进行定时通信的方法，低频激活器激活标签的数据发送的方法等。在标签按照固定周期进行定时通信的方法中，标签一般至少有2个状态，即休眠和激活，在该方法中，标签按照固定的时间周期，由休眠状态唤醒，转变到激活状态，在短暂的数据收发之后，再次进入休眠状态。在低频激活器激活标签的数据发送的方法中，标签默认处于休眠状态，仅当收到激活信号后，才由休眠状态转变到激活状态，在激活状态收发完数据后，又转入休眠状态，从而最大限度的节约能耗。

然而，不论采用上述哪一种方法，由于所有标签共享同一个无线信道，因此，均存在同一时刻多个被激活标签使用同一信道收发数据，从而造成冲突的情况。冲突会造成标签数据收发失败。在典型的场景中，例如是标签发送数据失败，标签阅读器无法识别标签。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种标签识别系统、和一种标签发送数据的方法，能有效降低标签发送数据的冲突、显著提高标签识别率。

本发明的标签识别系统，包括标签，阅读器和激活器；其特征在于：

激活器用于周期性地发送低频激活信号；

标签为有源标签，其内配置有标签ID，数据最优发送次数值TxNumBest，标签系统时钟和定时器；标签系统时钟向标签提供标签系统时间；标签执行以下步骤：

S2、上电初始化；

S31、标签睡眠；

S32、标签判断是否收到低频激活信号；当未收到低频激活信号时，标签继续睡眠；当收到低频激活信号时，标签转入步骤S41；

S41、标签将自身ID和标签被激活时的标签系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列；该随机时间序列包括TxNumBest个时刻值，用于指示有源标签将同一帧数据TxNumBest次重复发送的各次开始时间；

S42、令变量SxNum=1；重置定时器；

S43、标签睡眠，但保留定时器处于工作状态；

S44、判断定时器时间是否等于随机时间序列值中的某一个；若否，则执行S43，若是，则执行步骤S45；

S45、标签进入激活状态，通过高频信号发送数据帧；

S46、SxNum递增1；

S47、判断SxNum是否大于TxNumBest，若是，则返回到步骤S31，否则返回到步骤S43；

阅读器接收标签通过高频信号发送的数据帧，并进行冲突检测；若未发现冲突，则通过数据帧进行标签识别。

本发明的有源标签发送数据的方法，包括以下步骤：

S1、配置标签的最优发送次数TxNumBest；

S2、上电初始化标签；

S31、标签睡眠；

S42、标签初始化变量SxNum=1，标签重置定时器；

S43、标签睡眠，但保留定时器处于工作状态；

S45、标签进入激活状态，通过高频信号发送数据帧；

S46、SxNum递增1；

S47、判断SxNum是否大于TxNumBest，若是，则返回到步骤S31，否则返回到步骤S43。

本发明通过数据从标签向阅读器的单向发送，而无需阅读器向标签反馈信息，大大减低了标签和阅读器之间的通信复杂度和标签识别延迟。

本发明通过将每个标签所独有的ID号引入到产生随机时间序列的种子中，不同的标签产生的随机时间序列都是不同的，这种标签之间的时间序列随机性本发明称之为横向随机。横向随机能够有效降低同时激活的多个标签之间数据发送冲突的概率。通过将标签每次被激活时的标签系统时间引入到产生随机时间序列的种子中，标签每次被激活后产生的随机时间序列都是不同的，这种同一标签不同激活时间不同时间序列的随机性，本发明称之为纵向随机。纵向随机能够有效避免随机时间序列的简单循环，使其随机性更强。

本发明通过所述随机时间序列和标签对同一数据帧的多次发送，最大程度地避免了标签发送的数据帧的冲突，大大提高了标签识别率，缩短了标签识别延迟。本发明中的有源标签无数据发送即转入睡眠的模式，也有利于节约功耗，节约能源。

鉴于TxNumBest的大小取决于标签和阅读器之间的无线信道带宽BandWidth，标签发送的数据帧长度FrmLen，网络内同时存在的标签个数TagNum，标签用户能够接受的最大识别延迟IdtfTime；本发明优选地包括计算TxNumBest值的以下步骤：

令TxNum表示标签发送同一数据帧的次数；令PickRate表示识别率，即标签发送同一数据帧TxNum次，阅读器至少一次成功接收的概率，则以PickRate为目标函数，以TxNum为变量的函数为：

PickRate = 1 - (1 - e^{- 2 \frac{FrmLen \cdot TxNum \cdot TagNum}{IdtfTime \cdot BandWidth}}) TxNum

该函数的极大值所对应的TxNum的取值的取整值就是待求的最优发送次数TxNumBest。

通过上述优选步骤来配置TxNumBest，更可大大提高标签识别率。

相应地，本发明提供一种有源标签，包括：低频天线及接收电路LF_RX，单片机MCU和高频发射电路及天线RF_TX；

LF_RX用于收到低频激活信号后向MCU发出激活中断信号；

MCU内部配置有标签ID，用于标识标签独一无二的身份；MCU具有标签系统时钟；标签系统时钟向标签提供标签系统时间；MCU的默认状态是睡眠状态；当MCU收到激活中断信号后，能将标签ID和标签被激活时的标签系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列，所述序列包括TxNumBest个时刻值；MCU内部集成了定时器，用于根据TxNumBest个时刻值，定时唤醒MCU；MCU根据TxNumBest个时刻值所指示的时间，通过RF_TX完成同一数据帧的TxNumBest次发送；

TxNumBest的大小取决于标签和标签阅读器之间的无线信道带宽BandWidth，标签发送的数据帧长度FrmLen，网络内同时存在的标签个数TagNum，标签用户能够接受的最大识别延迟IdtfTime；计算TxNumBest值的步骤包括：

PickRate = 1 - (1 - e^{- 2 \frac{FrmLen \cdot TxNum \cdot TagNum}{IdtfTime \cdot BandWidth}}) TxNum

附图说明

图1为根据本发明一实施例的标签发送数据的系统的示例图。

图2为根据本发明一实施例的标签发送数据的流程示意图。

图3为根据本发明一实施例的有源标签结构示意图。

图4为根据本发明一实施例的有源标签数据发送无冲突情况示意图。

图5为根据本发明一实施例的有源标签数据发送多冲突情况示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

图1是本发明提供的一个标签发送数据的系统示例图，包括激活器

ACTIVATER、有源标签TAG、阅读器READER、服务器SERVER和网络NETWORK。

ACTIVATER优选地固定安装于适当场所，例如楼宇大门，公共场所出入口闸关，会议中心，物流仓库、物品分检装置等，当然，本领域技术人员容易理解，其也可以适当方式移动工作，例如用于移动车载环境，在此不做限制。ACTIVATER的个数可以为一个，也可以为多个，在此也不做限制。ACTIVATER用于周期性地发送低频激活信号LF，低频激活信号例如为125HZ的无线信号。

有源标签，常附着在人员或物品上，可移动，在许多应用场景中同时存在多个，当然，本领域技术人员容易理解，其也可以为1个，本发明不对其个数进行限制。有源标签在上电初始化后进入睡眠状态。在接收到低频激活信号后，进入高频通信阶段。在高频通信阶段，数据从标签向阅读器通过高频信号RF单向发送，阅读器不需要向标签反馈；标签也不进行载波监听，只是简单地将同一帧数据进行多次发送，只要有任意一次被阅读器成功接收，标签即可被成功识别。所述次数例如为TxNumBest次，TxNumBest为正整数。标签将数据帧发送TxNumBest次后，结束高频通信阶段，再次转入睡眠状态，等待低频激活信号。

图1中的阅读器，相对于低频激活器的位置而固定安装，一个阅读器往往服务多个低频激活器服务的范围，本领域技术人员容易理解，一个阅读器也可以只服务一个低频激活器服务的范围，在此不作限制。阅读器接收标签发送的高频通信信号RF，进行信号冲突检测，例如循环冗余校验CRC检测，如果CRC校验错误则认为发生冲突，否则认为数据帧接收成功。

阅读器将收到的有效不冲突的数据按照适当格式通过网络NETWORK传送给服务器SERVER。

本领域技术人员知晓，网络NETWORK和服务器SERVER是本发明的可选构件，与阅读器对标签的识别成功率并无直接关联，且为本领域所公知技术，因此不再赘述。需要说明的是，图1只是本发明构思的一个应用示例，因此不宜将所有部分都认为是本发明的必要技术特征。

图1的合理理解属于本发明公开的范围，例如图1示例了这样一个场景：有源标签处于睡眠状态，激活器周期性发送低频激活信号，处于有效激活范围外的标签将继续维持睡眠状态，处于有效激活范围内的标签被激活，和阅读器开始高频通信，阅读器收到有效的不冲突的数据帧后上报给服务器。

图2为标签发送数据的流程示意图，主要包括步骤：

S1、配置标签的最优发送次数TxNumBest。即将TxNumBest配置到标签。标签被低频激活信号激活后，标签会单向发送同一数据帧给阅读器TxNumBest次。

S2、上电初始化标签。即标签系统上电初始化。

S31、标签睡眠。标签睡眠，以节约电量。

S32、标签判断是否收到低频激活信号；当未收到低频激活信号时，标签继续睡眠；当收到低频激活信号时，标签转入步骤S41。

S41、标签将自身ID和标签被激活时的标签系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列；该随机时间序列包括TxNumBest个时刻值，用于指示有源标签将同一帧数据TxNumBest次重复发送的各次开始时间。

S42、令变量SxNum=1；重置定时器。

S43、标签睡眠，但保留定时器处于工作状态；

S44、判断定时器时间是否等于随机时间序列值中的某一个；若否，则执行S43，若是，则执行步骤S45。

S45、标签进入激活状态，通过高频信号发送数据帧。

S46、SxNum递增1。

图3为本发明的有源标签结构示例图，示例图中的有源标签包括低频天线及接收电路LF_RX，单片机MCU，高频发射电路及天线RF_TX，电池及电源电路BATTERY&POWER。

BATTERY&POWER用于为标签系统提供能量。

LF_RX用于收到低频激活信号后向MCU发出激活中断。

MCU内部配置有标签ID，用于标识标签独一无二的身份；MCU具有系统时钟（也称标签系统时钟）。MCU可将标签ID和标签被激活时的MCU系统时间（也称标签系统时间）作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列。

MCU的默认状态是睡眠状态，大部分时间都在睡眠。MCU可以被LF_RX的激活中断唤醒；MCU被LF_RX的激活中断唤醒后，可以将标签ID和标签被激活时的MCU系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列。该随机时间序列包括TxNumBest个时刻值，用于指示有源标签将同一帧数据TxNumBest次重复发送的各次开始时间。

MCU内部集成了定时器，用于根据TxNumBest个时刻值，定时唤醒MCU。MCU根据TxNumBest个时刻值所指示的时间，通过RF_TX完成同一数据帧的TxNumBest次发送。

在本发明中，数据从标签向阅读器单向发送，阅读器不需要向标签反馈；标签也不进行载波监听，只是简单地将同一帧数据在所述随机时间序列指示的TxNumBest个时刻进行多次发送，并在每次发送之后转入休眠状态，只留一个定时器在工作。

RF_TX用于发射高频信号RF。高频通信信号RF的频率优选为2.4GHz-2.5GHz。

但值得强调的是，通过将每个标签所独有的ID号引入到产生随机时间序列的种子中，不同的标签产生的随机时间序列都是不同的，这种标签之间的时间序列随机性本发明称之为横向随机。横向随机能够有效降低同时激活的多个标签之间数据发送冲突的概率。通过将标签每次被激活时的MCU系统时间引入到产生随机时间序列的种子中，标签每次被激活后产生的随机时间序列都是不同的，这种同一标签不同激活时间不同时间序列的随机性，本发明称之为纵向随机。纵向随机能够有效避免随机时间序列的简单循环，使其随机性更强。

TxNumBest在实践中可以是配置到有源标签中的任意正整数。但发明人在实践中发现，TxNumBest过大或过小都不利于提高标签发送数据的成功率，而是存在最优值。

最优值的大小取决于标签和阅读器之间的无线信道带宽BandWidth（单位为bit/s），标签发送的数据帧长度FrmLen（单位为bit），网络内同时存在的标签个数TagNum，标签用户能够接受的最大识别延迟IdtfTime（单位为s）。

令TxNum表示标签发送同一数据帧的次数；

令PickRate表示识别率，即标签发送同一数据帧TxNum次，阅读器至少一次成功接收的概率，则以PickRate为目标函数，以TxNum为变量，可得一个单变量函数，具体推导过程如下：

实际使用网络带宽为：单位为bit/s;

实际网络负荷为：

对应用场景进行建模，采用经典ALOHA算法，基于泊松分布，一次发送的成功概率为：P=e^-2G

所以一次发送失败的概率为：Q=1-P

发送TxNum次后的成功概率为：PickRate=1-Q^TxNum

将上述所有公式整合在一起，得到最终的完整公式为：

PickRate = 1 - (1 - e^{- 2 \frac{FrmLen \cdot TxNum \cdot TagNum}{IdtfTime \cdot BandWidth}}) TxNum

该函数的极大值所对应的TxNum的取值的取整值就是待求的最优发送次数TxNumBest。求PickRate的极大值可以通过对目标函数求导后，令导函数并判断左右导函数的正负后，即可得到）

由于PickRate的极大值所对应的TxNum的取值可能不是整数，于是一般要进行取整处理，取整的方法例如为四舍五入，取整后的值即可作为最优发送次数TxNumBest。取整还可以采用去尾向下取整，即舍弃小数点之后的部分保留整数；取整还可以采用去尾加1向上取整，即舍弃小数点之后的部分，并让整数部分加1。

最优发送次数TxNumBest可通过恰当方式配置到有源标签中，从而使标签的MCU在收到低频激活信号后，可使用标签ID和标签被激活时的MCU系统时间作为种子，产生还有TxNumBest个时间值的时间序列。

实施例二

例如在某应用场景中：BandWidth=2M bit/s；FrmLen=160bit，即20Byte；TagNum=200个；IdtfTime=1s；

根据前面所述方法，将上述参数代入公式，得到以下公式：

PickRate=1-(1-e^{-0.032·TxNum})^TxNum

经求导取极大值后为：

　TxNum=21.660849392498290919288503795568;

　PickRateBest=0.99999969839773320544675206561298;

经过四舍五入取整：

　TxNumBest=22;

　PickRateBest=0.999999698060566;

经过去尾向下取整：

　TxNumBest=21;

　PickRateBest=0.999999698060566;

经过去尾加1向上取整：

　TxNumBest=22;

　PickRateBest=0.999999698060566;

图3示例了一个TxNumBest=5的标签识别案例，其中，Activated指示标签被激活的时刻；IdtfTime表示最大识别延迟，标签要在从被激活开始的IdtfTime长的时间段里完成全部发送。图3中，网络中只有1个标签TAG1被激活；TX1-5，表示TAG1随机的5次发送。图3所表达的意思是：由于没有冲突，TAG1的5次随机发送都成功了，阅读器根据任意一次的成功发送都能正确识别标签。

图4示例了另一个TxNumBest=5的标签识别案例，其中Activated指示标签被激活的时刻；IdtfTime表示最大识别延迟，标签要在从被激活开始的IdtfTime长的时间段里完成全部发送。图4中，网络中有3个标签TAG1-3被激活；TX1-5，表示随机的5次发送，其中无阴影的代表成功发送，有阴影的代表因冲突而发送失败。图4所表达的意思是：随着网络中同时被激活的标签的个数变大，标签间发送数据的冲突开始变大，通过标签对同一帧数据的重复发送，本发明保持了100%的标签识别率，远优于标签仅在激活后发送一次数据的情况。

以上是对本发明具体实施例的说明，在具体的实施过程中可对本发明的方法进行适当的改进，以适应具体情况的具体需要。因此可以理解，根据本发明的具体实施方式只是起示范作用，并不用以限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种标签识别系统，包括标签，阅读器和激活器；其特征在于：

激活器用于周期性地发送低频激活信号；

S2、上电初始化；

S31、标签睡眠；

S42、令变量SxNum=1；重置定时器；

S43、标签睡眠，但保留定时器处于工作状态；

S45、标签进入激活状态，通过高频信号发送数据帧；

S46、SxNum递增1；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：TxNumBest的大小取决于标签和阅读器之间的无线信道带宽BandWidth，标签发送的数据帧长度FrmLen，网络内同时存在的标签个数TagNum，标签用户能够接受的最大识别延迟IdtfTime；所述系统包括计算TxNumBest值的以下步骤：

PickRate = 1 - (1 - e^{- 2 \frac{FrmLen \cdot TxNum \cdot TagNum}{IdtfTime \cdot BandWidth}}) TxNum

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：求PickRate的极大值通过令导函数

并判断左右导函数的正负后获得。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：对PickRate的极大值所对应的TxNum的取值进行取整，采用四舍五入取整、或去尾向下取整、或去尾加1向上取整。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：阅读器使用CRC校验来检测冲突，若CRC校验通过，则认为数据帧无冲突，否则，认为数据帧冲突，阅读器丢弃有冲突的数据帧。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的系统，其特征在于：标签包括低频天线及接收电路LF_RX，单片机MCU和高频发射电路及天线RF_TX；LF_RX用于收到低频激活信号后向MCU发出激活中断；MCU内部配置有标签ID，用于标识标签独一无二的身份；MCU具有标签系统时钟；MCU能将标签ID和标签被激活时的标签系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列；MCU内部集成了定时器，用于根据TxNumBest个时刻值，定时唤醒MCU；MCU根据TxNumBest个时刻值所指示的时间，通过RF_TX完成同一数据帧的TxNumBest次发送。

7.一种有源标签发送数据的方法，包括以下步骤：

S1、配置标签的最优发送次数TxNumBest；

S2、上电初始化标签；

S31、标签睡眠；

S42、标签初始化变量SxNum=1，标签重置定时器；

S43、标签睡眠，但保留定时器处于工作状态；

S45、标签进入激活状态，通过高频信号发送数据帧；

S46、SxNum递增1；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：阅读器接收标签通过高频信号发送的数据帧；TxNumBest的大小取决于标签和阅读器之间的无线信道带宽BandWidth，标签发送的数据帧长度FrmLen，网络内同时存在的标签个数TagNum，标签用户能够接受的最大识别延迟IdtfTime；所述方法包括计算TxNumBest值的以下步骤：

PickRate = 1 - (1 - e^{- 2 \frac{FrmLen \cdot TxNum \cdot TagNum}{IdtfTime \cdot BandWidth}}) TxNum

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：求PickRate的极大值通过令导函数并判断左右导函数的正负后获得。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：对PickRate的极大值所对应的TxNum的取值进行取整，采用四舍五入取整、或去尾向下取整、或去尾加1向上取整。

11.根据权利要求7-10任一权利要求所述的方法，其特征在于：标签包括低频天线及接收电路LF_RX，单片机MCU和高频发射电路及天线RF_TX；LF_RX用于收到低频激活信号后向MCU发出激活中断；MCU内部配置有标签ID，用于标识标签独一无二的身份；MCU具有标签系统时钟；MCU能将标签ID和标签被激活时的标签系统时间作为种子，产生标签开始发送数据的随机时间序列；MCU内部集成了定时器，用于根据TxNumBest个时刻值，定时唤醒MCU；MCU根据TxNumBest个时刻值所指示的时间，通过RF_TX完成同一数据帧的TxNumBest次发送。

12.一种有源标签，包括：低频天线及接收电路LF_RX，单片机MCU和高频发射电路及天线RF_TX；

LF_RX用于收到低频激活信号后向MCU发出激活中断信号；

PickRate = 1 - (1 - e^{- 2 \frac{FrmLen \cdot TxNum \cdot TagNum}{IdtfTime \cdot BandWidth}}) TxNum

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：求PickRate的极大值通过令导函数

并判断左右导函数的正负后获得。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：对PickRate的极大值所对应的TxNum的取值进行取整，采用四舍五入取整、或去尾向下取整、或去尾加1向上取整。