CN105488446B - 一种密闭金属环境下rfid多标签识别系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统和方法，该系统包括：控制模块，与RFID读写器、金属密闭设备的锁紧装置和远端服务器连接，用于用户身份识别和鉴权、RFID标签登记和管理、远端服务器信息发送和接收；RFID读写器，与控制模块和UHF天线组连接，用于盲区监测、UHF天线分时切换、RFID标签碰撞检测、RFID标签识别；UHF天线组包括两个或两个以上的UHF天线，每个UHF天线均与RFID读写器连接；RFID标签附着在待管理物品上。本发明实现了在密闭金属环境下可靠工作的天线设计，克服了RFID标签对环境的敏感性和近距离相邻标签的互扰，突破了密闭金属空间内密集堆叠物品静态有效识别的难题，最大程度的降低了RFID标签的误读率和失读率。

Description

一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统和方法

技术领域

本发明属于物品管理和信息安全技术领域，尤其适用于密闭金属环境下的RFID多标签识别，本发明能够完成读写器和多个RFID标签都放置在密闭金属环境中时的可靠识别。

背景技术

近年来，RFID射频识别技术发展迅速，引起了业界的高度重视，被公认为是本世纪最有发展前景的信息技术之一。RFID技术在工业、物流业等领域已经得到了广泛的应用，但是，密闭金属环境下RFID多标签的识别还存在一些问题。

RFID极易受到外界环境的干扰，在密闭金属环境下，标签天线的阻抗匹配、带宽、辐射效率、辐射方向图变化严重，工作性能失效，加上RFID多标签的碰撞问题，当贴有RFID标签的多个物品近距离密集堆叠在金属储物柜时，RFID标签的准确识别是个难题。因此，对密闭金属环境下RFID多标签识别的研究具有重要的意义。

西南科技大学申请有发明专利CN201310455138，发明名称为“RFID多标签识别方法、阅读器和标签”，该方法将阅读器与标签的识别和信息交互过程，划分为多个周期，包括：一个供阅读器发生查询命令进行标签搜索的查询周期，两个供标签响应阅读器查询请求的响应周期。两组标签可以在不同的响应周期，分别对阅读器的同一个命令产生响应。电子科技大学申请有发明专利CN201010221127，发明名称为“一种RFID阅读器的多标签识别方法”该方法包括以下步骤：步骤1：读写器向标签群发送检测命令，标签收到检测命令后随机从时隙0到时隙(2Q-1)的时隙序列中选择其中一个时隙编号，同时生成一个具有2Q个比特位的二进制数据作为标签的时隙序列。步骤2：读写器收到标签发送的时隙序列后，检测标签的时隙序列的比特位冲突。步骤3：读写器根据非空闲时隙编号表项将开始识别标签，读写器按照时隙编号从小到大的顺序，依次发送询问命令Query(S1)给标签群。西安电子科技大学申请的发明专利CN200910023417，发明名称为“射频识别网络的多标签识别方法”，该方法的步骤为：阅读器初始化完毕，对有效场区内的标签进行选择；阅读器发送标签接入指令或重传指令，开始接收标签；标签依据接入指令中的信息，以一定的概率回复；阅读器接收标签回复信息并对其进行处理，若阅读器正确接收标签回复信息，或收到信息为空时，转入下一时隙的接收，更新接入指令中的标签回复概率信息和标签回复确认信息并发送标签接入指令；若阅读器在预定时隙检测到多标签冲突，选择在该时隙发送重传指令或转入下一时隙接收标签，当阅读器发送接入指令后，不再有标签回复时，结束识别过程。中兴通讯股份有限公司申请有发明专利CN200610141013，发明名称为“一种用于射频识别的多标签识别方法”，该方法中，阅读器初始化并选择标签后，阅读器发送标签接入指令，标签依接入指令中的信息，以一定的概率回复，若阅读器在预定时隙检测到多标签冲突，选择在该时隙发送重传指令或转入下一时隙接收标签，其中，重传指令使当前时隙中发生碰撞的标签重新发送数据帧，所述重传指令的参数信息中至少包含标签回复概率信息和对标签回复的确认信息，其中，选择转入下一时隙接收标签时，更新接入指令中的标签回复概率信息和标签回复确认信息并发送标签接入指令。

上述现有技术给出了开放环境中的多标签识别方法，其共同的缺点是：没有考虑RFID阅读器和RFID标签同时放置在密闭金属环境下所存在的问题，因此不能直接应用到RFID系统(RFID阅读器和RFID标签)在密闭金属环境中工作的场景。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，实现在密闭金属环境下可靠工作的天线设计，克服RFID标签对环境的敏感性和近距离相邻标签的互扰，突破密闭金属空间内密集堆叠物品静态有效识别的难题，最大程度的降低RFID标签的误读率和失读率，本发明提出一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统和方法。

在密闭金属环境下，电磁波通常不会均匀分布，RFID标签静态时，处于弱场位置的无源标签难于获得足够的能量，从而导致RFID标签的漏读和误读。此外，由于电磁波的多次反射会导致RFID读卡器处理堵塞，碰撞算法失效等问题，因此不能单纯依靠增加天线的发射功率来提高RFID标签的读取率。

根据本发明的一方面，提出一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统，该系统安装在金属密闭设备内，该金属密闭设备的柜门上装设有锁紧装置，其特征在于，该系统包括：控制模块、RFID读写器、UHF天线组和多个RFID标签，其中：

所述控制模块与RFID读写器、金属密闭设备的锁紧装置和远端服务器连接，用于进行用户身份的识别和鉴权、RFID标签的登记和管理、远端服务器信息的发送和接收；

所述RFID读写器与所述控制模块和UHF天线组连接，用于进行盲区的监测、UHF天线的分时切换、RFID标签的碰撞检测、RFID标签的识别，并将成功识别的RFID标签信息发送给所述控制模块；

所述UHF天线组包括两个或两个以上的UHF天线，每个UHF天线均与所述RFID读写器连接，用于实现电磁波的发射和接收；

所述RFID标签附着在待管理物品上，待管理物品放置在金属密闭设备中。

可选地，所述RFID读写器包括微处理器、本振电路、调制电路和功率放大器。

可选地，所述两个或两个以上的UHF天线按照分时切换方式工作，每个UHF天线的相位能够根据RFID读写器的指令在0度和90度两种相位之间进行切换。

可选地，所述UHF天线还装设有万向调节底座。

可选地，所述锁紧装置在金属密闭设备柜门与柜体的连接处设有触发装置，所述触发装置与所述控制模块连接。

根据本发明的另一方面，还提出一种利用上述密闭金属环境下RFID多标签识别系统进行RFID多标签识别的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，确定UHF天线组中所有UHF天线的初始安装位置并安装；

步骤2，RFID读写器对所述UHF天线组中的其中一个UHF天线进行初始化；

步骤3，金属密闭设备的触发装置触发RFID读写器对于RFID标签进行检测；

步骤4，对于检测到的RFID标签，RFID读写器读取相应的RFID标签信息；

步骤5，RFID读写器将成功读取的RFID标签信息发送至控制模块，所述控制模块对于附着有RFID标签的待管理物品信息进行记录或更新，并将获得的数据发送给远端服务器。

可选地，所述初始安装位置为由先验知识确定的能够实现无盲点覆盖的位置。

可选地，所述步骤3中，所述RFID读写器对RFID标签的检测包括以下步骤：

步骤31，所述RFID读写器对RFID标签进行检测，若RFID读写器成功检测到RFID标签，则跳转到步骤4；

步骤32，若RFID读写器检测不到RFID标签，则调整该UHF天线的相位继续进行检测，若RFID读写器成功检测到RFID标签，则跳转到步骤4；

步骤33，若RFID读写器仍然检测不到RFID标签，则调整天线开关，切换到另一个UHF天线，重复步骤31到33进行检测，如若在规定时间内始终检测不到RFID标签，则向所述控制模块发送报警信息，检测流程结束。

可选地，所述步骤4中，RFID读写器读取相应的RFID标签信息包括以下步骤：

步骤41，初始化参数Q值；

步骤42，RFID读写器向RFID标签发送包含2^Q个时隙的查询帧，并接收RFID标签发送的反馈信息；

步骤43，RFID读写器对于RFID标签的反馈信息进行处理，并读取相应的RFID标签信息；

步骤44，若RFID读写器在规定的读取时限内读取不成功，则向所述控制模块发送报警信息，流程结束。

可选地，所述步骤43中，RFID读写器对于RFID标签的反馈信息进行的处理包括：

如果判断无碰撞时隙，则记录相应RFID标签信息，查询成功，跳转到步骤5；如果判断有碰撞时隙，则记录碰撞时隙的个数，并根据碰撞时隙的个数和当前Q值估算待识别RFID标签的数量N；然后根据得到的待识别RFID标签数量N更新Q值：并重复步骤42～43，直至判断无碰撞时隙，或者到达读取时限，跳转至步骤44。

综上，本发明提出一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统和方法，本发明采用双天线或多天线技术，利用天线位置调优、控制天线的相位和切换发射等手段，制造局部动态电磁场，消除空间电波传输盲点，从而消除RFID标签读取盲区；进一步地，本发明还使用多标签防碰撞方法进行RFID标签的读取，从而最大程度地降低误读率和失读率。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统在金属密闭设备中的安装位置示意图；

图3是本发明方法的流程图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提出一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统，所述系统通常安装在金属密闭设备内，该金属密闭设备的柜门上装设有锁紧装置，比如密码锁，所述系统包括控制模块、RFID读写器、UHF天线组和多个RFID标签，其中：

所述控制模块与RFID读写器和金属密闭设备的锁紧装置连接，同时通过有线或无线连接方式与远端服务器连接，用于进行用户身份的识别和鉴权、RFID标签的登记和管理、远端服务器信息的发送和接收等操作；

所述RFID读写器与所述控制模块和UHF天线组连接，其包括微处理器、本振电路、调制电路和功率放大器，用于进行盲区的监测、UHF天线的分时切换、RFID标签的碰撞检测、RFID标签的识别等，并将成功识别的RFID标签信息发送给所述控制模块；

所述UHF天线组包括两个或两个以上的UHF天线，每个UHF天线均与所述RFID读写器连接，用于实现电磁波的发射和接收；

为了方便起见，下文以UHF天线组包括两个UHF天线的情况为例进行说明，对于两个以上UHF天线的情况，本领域技术人员很容易同理推断。当所述UHF天线组包括两个UHF天线时，每个UHF天线的相位都可以根据RFID读写器的指令在0度和90度两种相位之间进行切换，而且每个时刻只有一个UHF天线在工作，也就是说，所述UHF天线组的两个UHF天线是分时切换工作的。

所述RFID标签附着在待管理物品上，待管理物品放置在金属密闭设备中的合适位置，所述RFID标签中记录有待管理物品的属性信息。

其中，所述待管理物品的属性信息包括但不限于物品的唯一识别码、物品的种类、物品放入金属密闭设备中的时间等信息。

其中，所述金属密闭设备比如可以为带有柜门的铁质密闭柜，在本发明一实施例中，所述铁质密闭柜的外部尺寸为：宽×高×深＝450mm×350mm×350mm，内部工作尺寸为：宽×高×深＝400mm×300mm×300mm，柜体厚度为1.2mm左右，柜门厚度为3mm左右，内外表面磷化喷漆，三方向多点锁定，防震，防破坏，所述金属密闭设备采用通过国家保密局产品检测认证的锁紧装置，所述锁紧装置在柜门与柜体的连接处设有触发装置，所述触发装置与所述控制模块连接。当然，上述金属密闭设备的尺寸仅为本发明示例之用，本发明并不限定所述金属密闭设备的具体尺寸及特征，所有尺寸合理的金属密闭设备均落入本发明的保护范围内。

所述控制模块、UHF天线组和RFID读写器均安装在金属密闭设备的底板上。

在本发明一实施例中，为了方便放置待管理物品，保护电子元器件，所述金属密闭设备内部还装设有多个非导电隔板，比如塑料隔板，所述多个非导电隔板可交叉放置，以得到多个置物空间，带有RFID标签的待管理物品密集堆叠于非导电隔板隔出的空间内。

在本发明一实施例中，所述控制模块、UHF天线组和RFID读写器在金属密闭设备底板上的安装位置如图2所示，其中：

所述控制模块安装在金属密闭设备底板前端的一侧(如若以金属密闭设备柜门方向为设备的前端，则控制模块比如可安装在金属密闭设备底板的右前端)，所述控制模块通过有线或者无线连接方式与RFID读写器和金属密闭设备的锁紧装置连接并通信。

所述RFID读写器安装在金属密闭设备底板后端的一侧，比如左后端，其连接所述UHF天线组，采用双天线/多天线相位调整及分时切换的方式消除RFID标签的读取盲区，利用优化的碰撞方法准确读取RFID标签信息，并将成功识别的RFID标签信息发送给控制模块处理；

所述UHF天线组包括两个或两个以上的UHF天线，分别安装在金属密闭设备底板的对角处，在本发明一实施例中，本发明还为UHF天线装设了万向调节底座，以方便UHF天线位置的安装和调节。此外，对于双天线而言，每个UHF天线的相位都可以在0度和90度两个相位之间切换。通过调整UHF天线的位置及相位，以及控制两个UHF天线的分时切换，可以避免RFID标签读取盲区的存在；

所述RFID标签附着在待管理物品上，待管理物品密集放置在金属密闭设备内部非导电隔板隔出的空间内。

根据本发明的另一方面，还提出一种利用所述密闭金属环境下RFID多标签识别系统进行RFID多标签识别的方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1，确定UHF天线组中所有UHF天线的初始安装位置并安装；

其中，所述UHF天线组包括两个或两个以上的UHF天线，所述初始安装位置可根据先验知识来确定，比如能够实现无盲点覆盖的安装位置；

该步骤还包括系统初始化的步骤，比如设置RFID读写器和控制模块通信的波特率、读卡器复位、清除缓存等操作。

步骤2，RFID读写器对所述UHF天线组中的其中一个UHF天线进行初始化，比如打开该天线的开关、设置天线的初始相位和发射功率、设置各种时间阈值等；

步骤3，金属密闭设备的触发装置触发RFID读写器对于RFID标签进行检测；

所述步骤3中，所述RFID读写器对RFID标签的检测包括以下步骤：

步骤31，所述RFID读写器对RFID标签进行检测，若RFID读写器成功检测到RFID标签，则跳转到步骤4；

步骤32，若RFID读写器检测不到RFID标签，则调整该UHF天线的相位，比如使其移相90度，继续进行检测，若RFID读写器成功检测到RFID标签，则跳转到步骤4；

步骤33，若RFID读写器仍然检测不到RFID标签，则调整天线开关，切换到另一个UHF天线，重复步骤31到33进行检测，如若在规定时间内始终检测不到RFID标签，则向所述控制模块发送报警信息，检测流程结束。

在所述步骤3中，根据实际应用的需要，也可以设置为定时触发RFID读写器对于RFID标签的检测。

步骤4，对于检测到的RFID标签，RFID读写器读取相应的RFID标签信息；

在该步骤中，采用基于时隙ALOHA的防碰撞方法来读取RFID标签信息，该方法的主要原理是：RFID读写器将一个查询帧分为多个时隙，在每个时隙中分别发送查询指令，RFID标签随机选择一个时隙响应RFID读写器的查询指令，同时返回该RFID标签的唯一识别码。若某个时隙只有一个RFID标签响应，该时隙称为成功时隙；若某个时隙没有RFID标签响应，该时隙称为空时隙；若某个时隙有多个RFID标签响应，则该时隙称为碰撞时隙。研究表明，当一个查询帧的时隙总数等于待识别RFID标签的总数时，RFID读写器的识别效率最高，因此所述基于时隙ALOHA防碰撞方法的研究重点转为对密闭金属环境内待识别RFID标签数目估计的研究。考虑到时隙总数通常为2的整数次幂，记作2^Q，因此在防碰撞方法中，待识别RFID标签总数的估计进一步转化为对于参数Q的估计。

本发明通过动态调整Q值，可实现多RFID标签的无遗漏完全读取，并且具有较高的读取效率。该方法包括以下步骤：

步骤41，初始化参数Q值；

其中，可根据先验知识来初始化Q值，即对金属密闭设备中放置的待管理物品的数量进行初步估计，比如，如果金属密闭设备内放置的是保密文件，Q的初始值一般设置为4或更大，如果金属密闭设备内放置的是手枪等物品，则Q的初始值可设置为2或更大，也就是说，Q值的初始化与金属密闭设备的大小、内部空间的设置、待管理物品的大小、放置方式都有关系，用户可根据实际应用情况的不同设置初始Q值；

步骤42，RFID读写器向RFID标签发送包含2^Q个时隙的查询帧，并接收RFID标签发送的反馈信息；

步骤43，RFID读写器对于RFID标签的反馈信息进行处理，并读取相应的RFID标签信息；

该步骤中，如果判断无碰撞时隙，则至少记录RFID标签的唯一识别号等RFID标签信息，查询成功，跳转到步骤5；如果判断有碰撞时隙，则记录碰撞时隙的个数，并根据碰撞时隙的个数和当前Q值，利用概率理论估算待识别RFID标签的数量N，例如，当Q值为1，RFID标签的数量为1时，发生1次碰撞的概率为0；当Q值为1，RFID标签的数量为2时，发生1次碰撞的概率为66.7％；依次类推，列出查询表格；通过查表确定当前碰撞时隙的个数和Q值情况下，最大可能发生碰撞的最小RFID标签数量，即得到估算的待识别RFID标签的数量N，然后根据得到的待识别RFID标签数量N更新Q值：并重复步骤42～43，直至判断无碰撞时隙，或者到达读取时限，跳转至步骤44；

步骤44，若RFID读写器在规定的读取时限内读取不成功，则向所述控制模块发送报警信息，流程结束。

步骤5，RFID读写器将成功读取的RFID标签信息发送至控制模块，所述控制模块对于附着有RFID标签的待管理物品信息进行记录或更新，比如记录或更新RFID标签对应的物品名称、放置在金属密闭设备中的时间等信息，并将获得的数据发送给远端服务器，流程结束。

根据上述技术方案，本发明采用双天线或多天线技术，利用天线位置调优、控制天线的相位和切换发射等手段，制造局部动态电磁场，消除空间电波传输盲点，从而消除RFID标签读取盲区；进一步地，本发明还使用多标签防碰撞方法进行RFID标签的读取，从而最大程度地降低误读率和失读率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种密闭金属环境下RFID多标签识别系统，该系统安装在金属密闭设备内，该金属密闭设备的柜门上装设有锁紧装置，其特征在于，该系统包括：控制模块、RFID读写器、UHF天线组和多个RFID标签，其中：

所述控制模块与RFID读写器、金属密闭设备的锁紧装置和远端服务器连接，用于进行用户身份的识别和鉴权、RFID标签的登记和管理、远端服务器信息的发送和接收；

所述RFID读写器与所述控制模块和UHF天线组连接，用于进行盲区的监测、UHF天线的分时切换、RFID标签的碰撞检测、RFID标签的识别，并将成功识别的RFID标签信息发送给所述控制模块；

所述UHF天线组包括两个或两个以上的UHF天线，分别安装在金属密闭设备底板的对角处，每个UHF天线均与所述RFID读写器连接，用于实现电磁波的发射和接收；

所述RFID标签附着在待管理物品上，待管理物品放置在金属密闭设备中；

所述两个或两个以上的UHF天线按照分时切换方式工作，每个UHF天线的相位能够根据RFID读写器的指令在0度和90度两种相位之间进行切换；

所述锁紧装置在金属密闭设备柜门与柜体的连接处设有触发装置，所述触发装置与所述控制模块连接，用于触发RFID读写器对于RFID标签进行检测；

所述金属密闭设备内部装设有多个可交叉放置的非导电隔板。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述RFID读写器包括微处理器、本振电路、调制电路和功率放大器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述UHF天线还装设有万向调节底座。

4.一种利用权利要求1所述的密闭金属环境下RFID多标签识别系统进行RFID多标签识别的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，确定UHF天线组中所有UHF天线的初始安装位置并安装；

步骤2，RFID读写器对所述UHF天线组中的其中一个UHF天线进行初始化；

步骤3，金属密闭设备的触发装置触发RFID读写器对于RFID标签进行检测；

步骤4，对于检测到的RFID标签，RFID读写器读取相应的RFID标签信息；

步骤5，RFID读写器将成功读取的RFID标签信息发送至控制模块，所述控制模块对于附着有RFID标签的待管理物品信息进行记录或更新，并将获得的数据发送给远端服务器；

所述步骤3中，所述RFID读写器对RFID标签的检测包括以下步骤：

步骤31，所述RFID读写器对RFID标签进行检测，若RFID读写器成功检测到RFID标签，则跳转到步骤4；

步骤32，若RFID读写器检测不到RFID标签，则调整该UHF天线的相位继续进行检测，若RFID读写器成功检测到RFID标签，则跳转到步骤4；

步骤33，若RFID读写器仍然检测不到RFID标签，则调整天线开关，切换到另一个UHF天线，重复步骤31到33进行检测，如若在规定时间内始终检测不到RFID标签，则向所述控制模块发送报警信息，检测流程结束；

所述步骤4中，RFID读写器读取相应的RFID标签信息包括以下步骤：

步骤41，初始化参数Q值；

步骤42，RFID读写器向RFID标签发送包含2^Q个时隙的查询帧，并接收RFID标签发送的反馈信息；

步骤43，RFID读写器对于RFID标签的反馈信息进行处理，并读取相应的RFID标签信息；

步骤44，若RFID读写器在规定的读取时限内读取不成功，则向所述控制模块发送报警信息，流程结束；

所述步骤43中，RFID读写器对于RFID标签的反馈信息进行的处理包括：

如果判断无碰撞时隙，则记录相应RFID标签信息，查询成功，跳转到步骤5；如果判断有碰撞时隙，则记录碰撞时隙的个数，并根据碰撞时隙的个数和当前Q值估算待识别RFID标签的数量N，列出查询表格；通过查表确定当前碰撞时隙的个数和Q值情况下，最大可能发生碰撞的最小RFID标签数量，即得到估算的待识别RFID标签的数量N；然后根据得到的待识别RFID标签数量N更新Q值：并重复步骤42～43，直至判断无碰撞时隙，或者到达读取时限，跳转至步骤44；

其中，所述UHF天线组按照分时切换方式工作，UHF天线组中的每个UHF天线的相位能够根据RFID读写器的指令在0度和90度两种相位之间进行切换；

所述金属密闭设备内部装设有多个可交叉放置的非导电隔板。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述初始安装位置为由先验知识确定的能够实现无盲点覆盖的位置。