CN106127094A

CN106127094A - 无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法

Info

Publication number: CN106127094A
Application number: CN201610481485.XA
Authority: CN
Inventors: 郭亚军; 梁心宇
Original assignee: Huazhong Normal University
Current assignee: Huazhong Normal University
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: CN106127094B

Abstract

本发明公开了一种无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法，涉及物联网中的RFID射频识别领域。本系统包括标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）、天线（14）和电子标签（15）；标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）和天线（14）依次连接；天线（14）和电子标签（15）相互连通。本发明最大程度上减少了搜索时隙的数量；显著提高了阅读器对多标签的识别效率。适用于RFID系统中阅读器对多个电子标签的快速识别。

Description

无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法

技术领域

本发明涉及物联网中的RFID射频识别领域，尤其涉及一种无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法。

背景技术

无线射频识别(RFID)是一种非接触性的自动识别技术，可以通过无线信号识别目标，无需在阅读器和标签之间建立光学或者机械接触。相对于其他自动识别技术，RFID具有远距离识别、体积小、抗污染能力强、数据容量大和可靠性好等优点。随着物联网技术的发展，RFID被广泛应用于智能化交通、自动化工业和自动化商业等领域。

基本的RFID系统主要包括阅读器和电子标签两个结构，阅读器以无线信号进行广播，在阅读器工作范围内的所有标签均可以接受到该无线信号。但由于读取器仅有一个共享的无线信道，如果多个电子标签在收到阅读器广播后同时响应，将导致多个标签传送的信息发生碰撞，阅读器无法读取信息。为了让阅读器者可以正确读取电子标签信息，就必须以某种方式使标签反复发送消息，以避免碰撞发生。因此，设计有效的防碰撞协议来识别多个标签将有非常重要的意义。

在RFID系统中，阅读器和标签之间的碰撞，有两种主要的类型：阅读器碰撞和标签碰撞。阅读器碰撞存在两种情况，第一种指的是阅读器和阅读器之间的碰撞，这是当两个阅读器工作在同一区域时，一个阅读器发出的信号干扰了另一个阅读器的正常工作，导致两个阅读器均不能正常地和工作区域内的标签进行通信。第二种是指在阅读器和标签之间的碰撞，这意味着当一个标签是同时工作在多个阅读器的工作区域内时，标签同时接受到多个阅读器的广播，这些阅读器将同时与该标签进行通信，此时标签将不知道如何响应这些阅读器的通信请求。标签碰撞则是指处于同一工作区域的多个标签同时响应一个阅读器的广播，此时阅读器不知道应该与哪一个标签通信，从而无法正常读取标签的信息。

现今防标签碰撞的方法主要分为两种，分别是基于Aloha防碰撞协议和基于树的防碰撞协议。基于Aloha防碰撞协议是一种非确定性的协议，当标签进入阅读器的工作区域中后自动向阅读器发送响应，即“标签先发言”。如果在同一时间有多个标签响应则会发生信号干扰，即发生碰撞。阅读器在检测到碰撞后则广播一条延迟指令，标签在收到该指令后会采取某种退避方式延迟一段时间再重新发送响应，尽可能地使多个标签能够先后响应阅读器，从而避免发生碰撞，延迟时间的长度是依照某种概率随机生成的。这种依照概率决定延迟时间的方式是不稳定的，当标签数量增加时碰撞的概率就会增加，方法的效率就会大幅度下降，并且Aloha方法容易产生“标签饿死”的现象。基于树的防碰撞协议是一种确定性的协议，它可以保证阅读器能够识别所有标签。基于树的防碰撞协议的基本思想是将阅读器工作区域内的所有标签分裂为不同的子集，每个子集在进行分裂直至每个子集中只存在一个标签，此时阅读器就可以对此标签进行识别。

基于树的防碰撞协议容易产生“初始冗余碰撞”问题，即在搜索的初始阶段，搜索分裂出的子集数量较少，这导致每个子集内存在大量的标签，如果阅读器对每个子集内的标签进行广播则必然会发生标签碰撞。这种在初始阶段发生的碰撞在很大程度上降低了搜索效率，行之有效的解决方案是在搜索开始之前就事先将标签分裂为多个子集，并对每个子集进行搜索。但是现在面临的问题是：如果分裂出的子集数量过少，则每个子集内仍会存在大量标签，并不能达到方法的最优效果；如果分裂出的子集数量过多，则每个子集内的标签就会非常少甚至没有标签，如果依次对这么多子集进行搜索则并不能提高效率，反而会增加系统的开销，这种情况也不能达到方法的最优效果。

发明内容

本发明的重点和难点就是如何恰当地选取分裂数，并分裂出合适数量的子集，从而使搜索效率达到最优；因此，本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法，从而提高对标签的识别效率。

本发明的目的是这样实现的：

通过预分析单元在搜索之前分析树中结点存在ID号的概率来计算出最佳分裂数。如果已知标签的数量，预分析单元就可以在搜索之前通过分析树中结点存在ID号的概率来计算出最佳分裂数。因为本方法采用“概率”将“存在ID号的可能性”这一概念进行量化，所以整个分析过程都是“可运算的”，这在一定程度上提高了方法的灵活性和准确性。

预分析过程使用到了三个比较重要的变量，分别是总时隙数量，M标签数量，n分裂数。为了让总时隙数量最小，即效率最高，我们通过求极值的方法得到了M和n的最优数量关系，该关系被表示成一张映射表。同时在ID号长度确定的情况下，映射表可以被固化在预分析单元的硬件设置中。预分析单元只要获取标签数量M，即可通过查表得到最优分裂数n，并达到最优搜索效率。相对于以往的基于树的防碰撞方法，本方法在很大程度上避免了空闲时隙和碰撞时隙的产生，从而提高了方法的效率。

具体地说：

一、无线射频识别系统(简称RFID)

RFID包括标签数量测量装置、预分析单元、阅读器、天线和电子标签；

其连接关系是：

标签数量测量装置、预分析单元、阅读器和天线依次连接；

天线和电子标签相互连通。

二、多标签防碰撞预分析式识别方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①标签数量测量装置获取标签数量M，预分析单元得出分裂位数n，阅读器生成2ⁿ种前缀并加入前缀集合P；

②阅读器从前缀集合P中取出一个前缀prefix并使用天线广播，收到广播的标签进行选择性回应；

③阅读器判断是否无标签响应，是否有多个标签响应和是否有且仅有一个标签响应，并作出响应操作；

④阅读器判断前缀集合是否为空，否则返回步骤②，是则表明所有标签均识别完毕，此时结束搜索。

本发明的工作原理：

RFID的搜索过程可以被抽象成一种树形结构，其中结点的数量等于搜索的总时隙数量，即对应了RFID的搜索效率；为了最大程度的降低总时隙数量提高效率，本发明采用预分析方式首先计算出一定长度ID号对应的最优分裂数，再进行搜索。设为总时隙数量，M为标签数量，n为分裂数，则有以下公式

\overset{&OverBar;}{M} (M, n) = 2 M + (2 {(1 - M / 2^{N})}^{2^{N - n}} - 1) \cdot 2^{n}

为了让总时隙数量最小，我们通过求偏导数得出与M和n的最优关系方程，同时可以得出在最优关系方程的情况下M和n需要满足的数量关系，这一关系被表示成一张映射表，其中M每处于一个区间时，预分析单元即可得出对应的n值，映射表的通式如下：

n	M区间
		1	[0,M₂]
2	(M₂,M₃]
		3	(M₃,M₄]
...
		n	(M_n,M_(n+1)]
...
		N	(M_N,2^N]

在ID号长度确定的情况下，该映射表就已经可以确定，因此映射表可以在出厂时就固化在预分析单元的硬件系统中。

在得出分裂数n后，所有标签即被分裂为2ⁿ组并以2ⁿ个前缀表示，每一组标签的ID号均包含所对应的前缀；因为采用了最优方法，此时每组中的标签数量近似等于1，因此阅读器可以在产生最少空闲时隙和最少碰撞时隙的情况下搜索完所有标签。

与现有的技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

①最大程度上减少了搜索时隙的数量；

②显著提高了阅读器对多标签的识别效率。

本发明适用于RFID系统中阅读器对多个电子标签的快速识别。

附图说明

图1是RFID系统的结构方框图；

图2是本方法的具体实施例流程图。

图中：

10—RFID系统，

11—标签数量测量装置；

12—预分析单元；

13—阅读器；

14—天线；

15—标签，

15-1—第1电子标签，

15-2—第2电子标签

……

15-M—第M电子标签。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1，RFID系统10包括标签数量测量装置11、预分析单元12、阅读器13、天线14和电子标签15；

其连接关系是：

标签数量测量装置11、预分析单元12、阅读器13和天线14依次连接；

天线14和电子标签15相互连通。

工作原理：

标签数量测量装置11测量标签的数量，并将信息传送至预分析单元12；预分析单元12预分析得出最优搜索模式，并将搜索方案传送至阅读器13；阅读器13通过天线14发送广播信号；电子标签15响应阅读器13的广播信号，如果有多个标签同时响应则发生碰撞。

2、功能块(结构及其功能)

1)标签数量测量装置11

标签数量测量装置11是一种通用的功能部件，如选用红外线扫描计数器、磁感应计数器或热敏计数器。

功能：测量RFID系统范围内的标签数量M，并将标签数量传送至预分析单元12。

2)预分析单元12

预分析单元12其核心是一张映射表，映射表的原象是标签数量区间，象为分裂位数。

功能：设标签ID号的长度为N并且为一固定值，则标签数量始终介于0至2^N之间；通过数学计算，预分析单元12生产者将标签数量划分成若干标签数量区间，每个区间对应一个分裂位数，这种对应关系即是一张映射表，并且该映射表在预分析单元12出厂时便可以固化在硬件系统中；当标签数量测量装置11传送来的标签数量处于某个标签数量区间中时，预分析单元12即将对应的分裂位数传送至阅读器13。

3)阅读器13

阅读器13包括前缀生成装置、前缀集合(数据存储装置)和交互控制装置三个结构模块。

功能：设由预分析单元12传来的分裂位数为n，前缀生成装置自动生成n位二进制前缀(二进制前缀共有2ⁿ个)并将2ⁿ个前缀加入前缀集合；交互控制装置在每次搜索过程中依次从前缀集合中取出一个前缀并通过天线14进行广播，如果无标签15响应广播则进行下一轮搜索，如果有一个标签15响应广播则成功读取该标签信息并进行下一轮搜索，如果多个标签15同时响应广播则在该前缀的基础上再接入一位代码生成两个前缀并进行广播，并进行下一轮搜索，直至前缀集合为空。

4)天线14

天线14是一种数字信号广播装置。

功能：天线14与阅读器13相连接。当阅读器需要广播前缀时，天线14将前缀转化为无线数字信号并进行广播；当标签发送响应信号时，天线14接收该响应信号并将其传送至阅读器13.

5)电子标签15

电子标签15是一种可以接收并发送电磁波的通用电子元件。

其功能是接收天线发来的广播信号并发送响应信号；

电子标签15包括第1、2……M电子标签15-1、15-2……15-M，M是自然数，1≤M≤2^N，N等于ID号的长度。

每个电子标签15有唯一ID号，ID号确保了电子标签15的唯一性；当电子标签15的ID号包含阅读器13传来的二进制前缀时则响应广播，否则不响应。

二、方法

1、如图2，本方法包括以下步骤以及每个步骤的具体工作流程：

①开始-201，标签数量测量装置获取标签数量M-202，预分析单元得出分裂位数n-203，阅读器生成2ⁿ种前缀并加入前缀集合P-204。

所述步骤①的具体工作流程如下：

A、标签数量测量装置首先测量电子标签的数量并将标签数量值M传送至预分析单元；

B、预分析单元收到标签数量值M并查询映射表，当M处于映射表原象某个数量区间中时，则令该区间对应的映射值为分裂数n，预分析单元之后将分裂数值传送至阅读器；

C、阅读器接收到分裂数值n，阅读器的前缀生成装置自动生成n位二进制前缀，二进制前缀共有2ⁿ个，并将2ⁿ个前缀加入前缀集合P。

所述步骤②的具体工作流程如下：

a、阅读器的交互控制装置从前缀集合P中无放回地取出一个前缀prefix，并将该前缀的二进制代码传送至天线进行广播205；

b、所有收到广播的电子标签将前缀与自身所绑定的ID号进行比对，如果自身ID号包含该前缀prefix则发送响应信号响应广播，否则不响应。

③阅读器判断是否无标签响应、是否有多个标签响应和是否有且仅有一个标签响应，并作出响应操作；

所述步骤③的具体工作流程如下：

ⅰ、判断阅读器端检查是否有标签响应-206，如果是，则进入步骤ⅱ，否则进入步骤④；

ⅱ、判断是否有多个标签同时响应广播并发生碰撞-207，如果是，则发生碰撞并进入步骤ⅲ，否则进入步骤ⅳ；

ⅲ、有多个标签同时响应，阅读器在prefix后面接入0或1，从而产生两个新前缀，并将两个新前缀加入前缀集合P-208，再返回步骤②；

ⅳ、有且仅有一个标签响应，阅读器成功识别该标签-209，再进入步骤④。

④判断阅读器前缀集合是否为空-210，如果是，则表明所有标签均识别完毕，此时结束搜索211，否则返回步骤②。

2、具体实施例

现在假设ID号长度为4，待识别的标签为0000、0010、0011、0101、0110、1000、1100、1110、1111，则此时长度为4的ID号对应的映射表见表1，标签数量M＝9；

表1映射表(ID号长度为4)

n	标签数量M区间
		1	[0，4]
2	(4，7]
		3	(7，11]
4	(11，16]

该实例的具体识别过程如下：

-->①标签数量检测装置得出标签数量M＝9。已知9∈(7,11]，预分析单元得出M对应的分裂数为3；阅读器生成2³即8个前缀，并将它们加入前缀集合P，此时P＝{000，001，010，011，100，101，110，111}。

-->②阅读器取出前缀000并广播，0000与前缀匹配并响应广播。-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签0000；-->④此时P＝{001，010，011，100，101，110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀001并广播，0010和0011与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签发生碰撞；-->ⅲ阅读器在前缀001后面接入0或1产生两个新前缀0010和0011并加入前缀集合P，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀0010并广播，0010与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签0010；-->④此时P＝{0011，010，011，100，101，110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀0011并广播，0011与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签0011；-->④此时P＝{010，011，100，101，110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀010并广播，0101与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签0101；-->④此时P＝{011，100，101，110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀011并广播，0110与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签0110；-->④此时P＝{100，101，110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀100并广播，1000与前缀匹配并响应广播。-->ⅰ阅读器收到响应。-->ⅱ标签未发生碰撞。-->ⅳ阅读器成功识别标签1000。-->④此时P＝{101，110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀101并广播，无标签响应；-->ⅰ阅读器没有收到响应；-->④此时P＝{110，111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀110并广播，1100与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签1100；-->④此时P＝{111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀111并广播，1110和1111与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签发生碰撞；-->ⅲ阅读器在前缀111后面接入0或1产生两个新前缀1110和1111并加入前缀集合P，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀1110并广播，1110与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签1110；-->④此时P＝{1111}不为空，返回步骤②。

-->②阅读器取出前缀1111并广播，1111与前缀匹配并响应广播；-->ⅰ阅读器收到响应；-->ⅱ标签未发生碰撞；-->ⅳ阅读器成功识别标签1111。-->④此时P＝{}为空，结束搜索。

Claims

1.一种无线射频识别系统，其特征在于

无线射频识别系统（10）包括标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）、天线（14）和电子标签（15）；

其连接关系是：

标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）和天线（14）依次连接；

天线（14）和电子标签（15）相互连通。

2.按权利要求1所述的一种无线射频识别系统，其特征在于：

所述的预分析单元（12）其核心是一张映射表，映射表的原象是标签数量区间，象为分裂位数。

3.按权利要求1所述的一种无线射频识别系统，其特征在于：

所述的电子标签15包括第1、2……M电子标签15-1、15-2……15-M，M是自然数，1≤M≤2^N，N等于ID号的长度。

4.基于权利要求1-3所述无线射频识别系统的多标签防碰撞预分析式识别方法，其特征在于包括下列步骤：

5.按权利要求4所述的多标签防碰撞预分析式识别方法，其特征在于步骤①：

6.按权利要求4所述的多标签防碰撞预分析式识别方法，其特征在于步骤②：

a、阅读器的交互控制装置从前缀集合P中无放回地取出一个前缀prefix，并将该前缀的二进制代码传送至天线进行广播（205）；

7.按权利要求4所述的多标签防碰撞预分析式识别方法，其特征在于步骤③：

ⅰ、判断阅读器端检查是否有标签响应（206），如果是，则进入步骤ⅱ，否则进入步骤④；

ⅱ、判断是否有多个标签同时响应广播并发生碰撞（207），如果是，则发生碰撞并进入步骤ⅲ，否则进入步骤ⅳ；

ⅲ、有多个标签同时响应，阅读器在prefix后面接入0或1，从而产生两个新前缀，并将两个新前缀加入前缀集合P（208），再返回步骤②；

ⅳ、有且仅有一个标签响应，阅读器成功识别该标签（209），再进入步骤④。