CN105117744B - 一种采用超高频rfid读写器进行自组网通信的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，本方法在不改变传统硬件架构的基础上，综合采用了信道监听、频分、时分、码分技术，并借鉴超高频RFID识别技术中的询问/应答原理建立了网络的询问/应答机制，解决了多读写器自组网中读写器相互的干扰的问题，使得数据传输距离及网络部署区域面积得到长足的提升。

Description

一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法

技术领域

本发明属于超高频RFID的技术领域，具体涉及一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法。

背景技术

当前超高频RFID读写器组网通信主要有无线及有线两种方式。采用无线的方式主要是读写器集成了蓝牙、WiFi、无线通信模块等，这些无线通信模块工作于免费开放的公共频段，工作于这些公共频段内设备受限于无线电管理的约束，无法加大发射功率，因此通信距离及组网面积受到极大的约束，而且增加了额外成本；采用有线方式组网主要铺设网线、光纤等有线网络实现，在实际安装过程中增加了相当一部分工程实施费用。

申请号为201310170183.7的专利中提供了可用于组网的读写器及组网方法，该项专利中的读写器通过增加相应的硬件电路及软件功能实现了可用于组网通信的超高频RFID读写器，其提供的读写器组网采用一台基站读写器作为控制节点及数据汇聚节点，实现了多点对一点（基站读写器）的数据传输。根据其描述，其读写器组网半径为基站读写器的通信距离，不可额外扩展；另一方面网络内所有读写器的通信信道由基站读写器分配，且规定了基站读写器的通信信道，网络内所有读写器均通过这一信道按时间先后往基站读写器发送数据，数据通信方法效率相对较低，数据发送时长较大，这样会影响组网的设备容量。

申请号为201110005727. 5的专利中提供了一种读写器及标签的组网方法，该项专利所述的组网方法有明确的网络分级，处于网络中的读写器发送与接收数据的对象明确，且提出了采用标签转发的概念来扩展组网区域。因此该项专利的应用对象为有源RFID系统，且采用网络分级的方法来组网通信效率相对较低，该方法不能有效克服读写器移动状态下自组网。

发明内容

本发明的目的提供一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，本方法在不改变传统硬件架构的基础上，综合采用了信道监听、频分、时分、码分技术，并借鉴超高频RFID识别技术中的询问/应答原理建立了网络的询问/应答机制，解决了多读写器自组网中读写器相互的干扰的问题，使得数据传输距离及网络部署区域面积得到长足的提升。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法的解决方案，具体如下：

一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，进行专用信道的选择，专用信道选择是读写器上电后初始化环节的一部分，初始化结束该读写器选用某一信道为其专用信道，即首先读写器进入扫频模式进行信道扫描检测，单信道检测周期为读写器一个工作周期T，信道扫描过程中记录每个信道的信息，全信道扫描结束后，读写器自动对比信道信息，如果发现所有信道均空闲，则判断该读写器为网络首台读写器，并将其中一个空闲信道选为其专用信道，并开始发送信道占用指令；如果发现一部分信道被占用，一部分信道空闲则选择一空闲信道为其专用信道；如果发现所有信道都被占用，则根据信道信息在避开近距离信道干扰的条件下随机选择某一信道为其专用信道；

读写器在结束识读状态后进入通信状态，如果无数据需传输进入信道检测模式，随后进入监听模式，如果有数据需传输则随机进入监听模式或广播模式；

主读写器进入广播模式发送通信请求，网络内处于监听模式的从读写器检测到通信请求后进入等待通信模式，广播模式结束后主读写器通过返回数据判断与某一从读写器建立通信连接，其余读写器继续进入监听模式；

处于网络中的从读写器通过信道检测功能能够知其能够与哪些读写器进行通信，这些信息包含于收到主的通信请求后的返回响应；主读写器在广播出通信请求后会收到从读写器的相关信息，根据这些信息优先选择终端读写器建立连接，其次选择可以与终端读写器进行通信读写器建立连接；

如果读写器在一个工作周期内数据未发送成功，则将数据存于缓存，等待下一个工作周期进行数据打包后发送；

主读写器、从读写器建立连接后均不响应其他读写器的指令，直至数据发送成功后才可与其他读写器进行通信；

当读写器搜索到只能与网络内一台读写器进行通信时，读写器将采用时分的方式通信。主读写器一直监听从读写器专用信道的占用情况，检测到信道空闲后即发送通信请求建立通信连接以此来进行信号通信。

在所述网络中有两种读写器，分别是网络读写器与终端读写器，网络读写器负责搜索网络覆盖区域内的标签并组网通信，终端读写器将网络数据传输至后台PC。网络读写器与终端读写器在物理形式及功能方面均一致。网络中可以有一个或数个终端读写器。

本方法提供了一种采用读写器进行通信的智能组网方法，网络内读写器的数据传输不依赖与上位机软件的设置而仅由读写器自身决定，并自动将所有数据汇聚至后台服务器。本组网方式完全摒弃了网络分级传输、主控基站读写器概念，充分借鉴了RFID的工作原理，建立了网络中读写器问询与应答机制，可快速构建标签至后台的数据通道。

附图说明

图1为本发明的读写器工作周期示意图。

图2为本发明的基本通信单元组成示意图。

具体实施方式

为兼容读写器RFID识读及数据通信两种功能，本发明中读写器在一个基本工作周期内有两种状态，分别是识读状态及通信状态。如图1所示，为读写器的一个完整工作周期（T），一个完整工作周期中包含了若干个标识为识读周期1、识读周期2…识读周期N的完整识读周期（T1）及一个通信周期（T3），其中N为大于等于2的整数值，T2为最后一个识读周期与通信周期的时间间隔。在N个识读周期内，读写器处于识读状态搜寻标签，如果有标签返回数据则存于处理器的缓存内待下一步处理；在通信周期内，读写器用于接收及发送数据。识读状态持续时间及通信状态持续时间均可通过上位机软件进行设置。根据超高频RFID的防碰撞原理，T1为读写器的完整识读周期，会随着读写器识读区域内标签数量而改变，标签数量多则T1时间较长，标签数量少则T1时间较短。T2主要用于判断在一个工作周期内读写器何时应该进入通信状态；T3主要用于判断处于通信状态的读写器何时结束当前状态并进入下一个工作周期。

为实现读写器在一个周期内的两种状态，本发明的读写器应支持多个通道。

读写器处于识读状态时由于需要持续发送载波给标签提供能量，其载波泄露会提升接收链路的本底噪声，使得接收灵敏度下降；而读写器处于通信状态时其收发是不同步的，即“收时不发、发时不收”，因此其与识读状态下载波不会对接收链路行程干扰，接收灵敏度会有很大的提升；接收机接收灵敏度计算公式：Si=-174dBm+10lgB+NF+(S/N)，其中-174dBm是常温下热噪声的电平，B为信号带宽，NF为接收机噪声系数，S/N为解调门限信噪比。超高频RFID的相关标准ISO18000-6C、GJB7377.1-2011及GB29768-2013中均规定了标签返回最高频率是640KHz，按理想3倍采样带宽B为1.9MHz，NF取16dB,S/N取12dB，可得出读写器处于通信状态时的接收灵敏度约为-83dBm。一般读写器的EIRP约为30dBm，若采用3dB天线则在最大通信距离的衰减Lf为116dB；电磁波在空间的衰减Lf(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)其中d为通信距离，f为工作频率。其中Lf为116，f取920MHz，可得出两点间理想情况下的最大通信距离d为16km；因常规的无线通信方式如：WIFI、BT、Ziggbee等，其工作频段是公共频段2.4GHz，频谱资源相当拥挤，为避免设备的相互干扰，这些设备的发射功率为微功率，因此距离受限，最远约上百米。而超高频RFID的工作频段是行业专用频段，在RFID的空口协议中所规定读写器的发射功率、占用带宽、邻信道功率抑制比等射频参数完全符合无线电管理的要求。因此采用超高频RFID读写器用作数据传输是合理的，而且其作用距离远大于常规无线通信方式。

本方法采用了基于读写器自身工作机制的自组网，不依赖于外部指令的协调控制，可以包含更多的网络设备并支持移动状态下的组网通信。

本方法提供了一种采用读写器进行通信的智能组网方法，网络内读写器的数据传输不依赖与上位机软件的设置而仅由读写器自身决定，并自动将所有数据汇聚至后台服务器。本组网方式完全摒弃了网络分级传输、主控基站读写器概念，充分借鉴了RFID的工作原理，建立了网络中读写器问询与应答机制，可快速构建标签至后台的数据通道。

为了便于说明本方法中读写器的组网通信方式，以下给出了相关定义

专有信道：读写器入网后自动分配的信道，用于该读写器接收数据的信道，其他读写器与该读写器通信必须使用该读写器的专用信道

广播模式：依次在所有信道加载发送数据请求命令，发送命令结束后在该信道驻留一段时间检测是否有响应，若有响应则建立通信连接，如果没有响应超时后则切换至下一信道

监听模式：工作频率设为设备专有信道，关闭发射通道，只保留接收通道，如果接收到发送数据请求命令后则打开发射通道发送响应指令

等待通信模式：读写器处于监听模式时接收到广播的通信请求后进入等待通信模式，处于等待通信模式时只响应发出通信请求的读写器进行通信，

设备ID：每台设备的专有设备号，设备ID号存在于所有指令、信息、数据中，主要作用是用于读写器的寻址及配对通信。

通信模式：一对读写器建立通信后只解析相互发送的数据

信道占用指令：某一信道被占用的对外指令，该项指令用于设备信道的选择，当新设备入网后首先对各信道进行检测，如果发现某信道没有占用指令则选择该信道作为自己的专用信道。该指令可单独发，也作为于收发数据格式的一部分。

主读写器/从读写器：主/从读写器并非硬件设备，只是两台读写器处于通信状态时的定义，需要发送数据的读写器为主读写器，接收数据的读写器为从读写器，实际上网络内读写器一直处于主/从读写器的身份切换中

时钟脉冲：由第一台入网读写器生成，其余读写器入网后解析该脉冲作为自身的基准时钟，作为读写器网络同步的时间基准，

信道检测模式：读写器处于信道检测状态时，关闭发射通道，打开接收通道，控制内部本振源对应各信道中心频率进行扫频，检测在该信道下是否收到信道信息，通过信道信息可判断该读写器可往哪些读写器发送数据，同时解析接收到的时钟脉冲。

另外专用信道选择，超高频RFID读写器采用的零中频接收机，无法在射频端增加滤波器滤除其它读写器的发射干扰，当多读写器工作时，环境中充斥着大量的高功率干扰。这些干扰主要会从以下两方面影响读写器的性能：1）大功率信号进入接收链路后使得链路饱和，产生非线性；2）干扰信号解调后成为较强的中频干扰，使得中频的信号发生形变，影响正确解析。因此在读写器入网时需分配专用信道，以减小读写器间的相互干扰。

专用信道选择是读写器上电后初始化环节的一部分，初始化结束该读写器选用某一信道为其专用信道。首先读写器进入扫频模式进行信道扫描检测，为确保一个周期内能检测到信道指令，单信道检测周期为读写器一个工作周期T，信道扫描过程中记录每个信道的信息。全信道扫描结束后，读写器自动对比信道信息，如果发现所有信道均空闲，则判断该读写器为网络首台读写器，并将其中一个空闲信道选为其专用信道，并开始发送信道占用指令；如果发现一部分信道被占用，一部分信道空闲则选择一空闲信道为其专用信道；如果发现所有信道都被占用，则根据信道信息在避开近距离信道干扰的条件下随机选择某一信道为其专用信道；

在组网的通信机制下，本组网方式完全摒弃了网络分级传输、主控基站读写器概念，充分借鉴了RFID的工作原理，建立了网络中读写器问询与应答机制，可快速构建标签至后台的数据通道。

在网络中有两种读写器，分别是网络读写器与终端读写器，网络读写器负责搜索网络覆盖区域内的标签并组网通信，终端读写器将网络数据传输至后台PC。网络读写器与终端读写器在物理形式及功能方面均一致。网络中可以有一个或数个终端读写器。

读写器在结束识读状态后进入通信状态，如果无数据需传输进入信道检测模式，随后进入监听模式，如果有数据需传输则随机进入监听模式或广播模式。

主读写器进入广播模式发送通信请求，网络内处于监听模式的从读写器检测到通信请求后进入等待通信模式，广播模式结束后主读写器通过返回数据判断与某一从读写器建立通信连接，其余读写器继续进入监听模式。

处于网络中的从读写器通过信道检测功能可知其可以与哪些读写器进行通信，这些信息包含于收到主的通信请求后的返回响应。主读写器在广播出通信请求后会收到从读写器的相关信息，根据这些信息优先选择终端读写器建立连接，其次选择可以与终端读写器进行通信读写器建立连接。

如果读写器在一个工作周期内数据未发送成功，则将数据存于缓存，等待下一个工作周期进行数据打包后发送。

主、从读写器建立连接后均不响应其他读写器的指令，直至数据发送成功后才可与其他读写器进行通信。

本方法的读写器组网通信时，在每个周期通过信道检测自动搜索可通信的网络内其他读写器，这样有助于网络自动选择数据的传输通道，可以有效解决网络内读写器均处于移动状态下的自组网通信。

当读写器搜索到只能与网络内一台读写器进行通信时，读写器将采用时分的方式通信。主读写器一直监听从读写器专用信道的占用情况，检测到信道空闲后即发送通信请求建立通信连接以此来进行信号通信。

所述信号通信的信号收受包括如下顺序执行的方式：

（1-1）在读写器的信号处理单元内开设第一内存空间，把该第一内存空间的对应属性导进静态随机存储器；

进一步的，所述第一内存空间能够为外存所替换，该外存的能够被排序的寻址命令个数最多为32个；能够把该外存的寻址命令起始地址以及数量这样的属性导进静态随机存储器；

（1-2）在读写器的信号处理单元内开设用于存储通信帧的内存空间，把用于存储通信帧的内存空间的起始位置顺序的导进第一内存空间内，另外还要重置新静态随机存储器内的内存空间的对应属性的位置信息；

进一步的，用于存储通信帧的内存空间的数量最多为32个；

（1-3）随后确定第一内存空间内有没有用于存储通信帧的内存空间的起始位置数据，还要确定静态随机存储器有没有空闲空间；

（1-4）若第一内存空间有用于存储通信帧的内存空间的起始位置数据，还有就是静态随机存储器有空闲空间，就把通信帧的内存空间的起始位置由第一内存空间中载入静态随机存储器内，并刷新第一内存空间的位置信息；

（1-5）在专用信道有信息抵达之际，确定所述专用信道内有没有位置数据；

（1-6）若存在位置数据，就根据静态随机存储器内的位置数据编码后传递给信号处理单元；

所述信号通信的信号传输包括如下顺序执行的方式：

（2-1）在读写器的信号处理单元内开设第二内存空间，把第二内存空间的对应属性导进静态随机存储器；

（2-3）当读写器有信号传输时，把要传输的信号导进第二内存空间内，并刷新静态随机存储器的位置信息；

（2-3）定时确定第二内存空间内有没有能够获取需要传输的信号，还要确定静态随机存储器有没有空闲空间；

（2-4）若第二内存空间内存在需要传输的信号，还有就是静态随机存储器有空闲空间；

（2-5）由专用信道把信号传输出去。

由上述所述信号通信的信号收受和传输能知道，经由读写器的信号处理单元内和静态随机存储器的引入，降低了读写器的信号处理单元与通信单元件的通信量，使得频段的使用被减少，防止了功能模块间的死循环还能够确保专用信道频段的使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，其特征在于：

进行专用信道的选择，专用信道选择是读写器上电后初始化环节的一部分，初始化结束该读写器选用某一信道为其专用信道，即首先读写器进入扫频模式进行信道扫描检测，单信道检测周期为读写器一个工作周期T，信道扫描过程中记录每个信道的信息，全信道扫描结束后，读写器自动对比信道信息，如果发现所有信道均空闲，则判断该读写器为网络首台读写器，并将其中一个空闲信道选为其专用信道，并开始发送信道占用指令；如果发现一部分信道被占用，则选择一空闲信道为其专用信道；如果发现所有信道都被占用，则根据信道信息在避开近距离信道干扰的条件下随机选择某一信道为其专用信道；

读写器在结束识读状态后进入通信状态，如果无数据需传输进入信道检测模式，随后进入监听模式，如果有数据需传输则随机进入监听模式或广播模式；

主读写器进入广播模式发送通信请求，网络内处于监听模式的从读写器检测到通信请求后进入等待通信模式，广播模式结束后主读写器通过返回数据判断与某一从读写器建立通信连接，其余读写器继续进入监听模式；

处于网络中的从读写器通过信道检测功能可知其能够与哪些读写器进行通信，这些信息包含于收到主的通信请求后的返回响应；主读写器在广播出通信请求后会收到从读写器的相关信息，根据这些信息优先选择终端读写器建立连接，其次选择可以与终端读写器进行通信读写器建立连接；

如果读写器在一个工作周期内数据未发送成功，则将数据存于缓存，等待下一个工作周期进行数据打包后发送；

主读写器、从读写器建立连接后均不响应其他读写器的指令，直至数据发送成功后才可与其他读写器进行通信；

当读写器搜索到只能与网络内一台读写器进行通信时，读写器将采用时分的方式通信。

2.根据权利要求1所述的采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，其特征在于主读写器一直监听从读写器专用信道的占用情况，检测到信道空闲后即发送通信请求建立通信连接以此来进行信号通信。

3.根据权利要求1所述的采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，其特征在于在所述网络中有两种读写器，分别是网络读写器与终端读写器，网络读写器负责搜索网络覆盖区域内的标签并组网通信，终端读写器将网络数据传输至后台PC。

4.根据权利要求3所述的采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，其特征在于网络读写器与终端读写器在物理形式及功能方面均一致。

5.根据权利要求4所述的采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，其特征在于网络中可以有一个或数个终端读写器。

6.根据权利要求1所述的采用超高频RFID读写器进行自组网通信的方法，其特征在于所述超高频RFID读写器进行自组网通信中信号通信的信号收受包括如下顺序执行的方式：

(1-1)在读写器的信号处理单元内开设第一内存空间，把该第一内存空间的对应属性导进静态随机存储器；

进一步的，所述第一内存空间能够为外存所替换，该外存的能够被排序的寻址命令个数最多为32个；能够把该外存的寻址命令起始地址以及数量这样的属性导进静态随机存储器；

(1-2)在读写器的信号处理单元内开设用于存储通信帧的内存空间，把用于存储通信帧的内存空间的起始位置顺序的导进第一内存空间内，另外还要重置新静态随机存储器内的内存空间的对应属性的位置信息；

进一步的，用于存储通信帧的内存空间的数量最多为32个；

(1-3)随后确定第一内存空间内有没有用于存储通信帧的内存空间的起始位置数据，还要确定静态随机存储器有没有空闲空间；

(1-4)若第一内存空间有用于存储通信帧的内存空间的起始位置数据，还有就是静态随机存储器有空闲空间，就把通信帧的内存空间的起始位置由第一内存空间中载入静态随机存储器内，并刷新第一内存空间的位置信息；

(1-5)在专用信道有信息抵达之际，确定所述专用信道内有没有位置数据；

(1-6)若存在位置数据，就根据静态随机存储器内的位置数据编码后传递给信号处理单元；

所述信号通信的信号传输包括如下顺序执行的方式：

(2-1)在读写器的信号处理单元内开设第二内存空间，把第二内存空间的对应属性导进静态随机存储器；

(2-3)当读写器有信号传输时，把要传输的信号导进第二内存空间内，并刷新静态随机存储器的位置信息；

(2-3)定时确定第二内存空间内有没有能够获取需要传输的信号，还要确定静态随机存储器有没有空闲空间；

(2-4)若第二内存空间内存在需要传输的信号，还有就是静态随机存储器有空闲空间；

(2-5)由专用信道把信号传输出去。