CN106384067A - 一种rfid未知标签识别系统及识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RFID未知标签识别系统及识别方法，首先利用Hash函数使系统标签匹配时隙，构造指示向量使阅读器准确判断时帧各时隙的预计状态，在Aloha协议基础上充分利用时隙预计状态和实际状态的变化，最终完成分类别RFID系统中未知标签的识别。该方法能够判断并识别未知标签，同时减少了系统的总执行时间，大大提高了识别效率。

Description

一种RFID未知标签识别系统及识别方法
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，涉及一种RFID未知标签识别系统，本发明还涉及该系统的识别方法。
背景技术
射频识别是一种非接触、低功耗无线通信技术，作为物联网感知层的关键技术可以实现对粘贴于物品上的电子标签快速读取和追踪。相比传统的条码识别具有远距离读写、便捷计算和非视距传输信息等显著优点，RFID技术已经广泛地应用于各种领域，例如供应链管理，物流/存货管理，医疗，物品追踪和售票服务。
在实际的应用中，RFID阅读器查询范围内的所有标签ID都存储于与该阅读器相连的后台服务器的数据库。在物联网的动态环境下，物品是移动的，当一些粘贴标签的物品新进入系统内，这些标签也许不会被阅读器查询。因此相应的标签ID不会存储于数据库中，未知标签出现。例如畜牧场里养了成千只羊，每个羊都配备着具有唯一身份标识的RFID标签。在硕大的草原中，可能别人家的羊进入了我们的羊圈，我们有必要知道这头羊携带的RFID标签信息。传统方法需要重新识别系统内的全部标签，如果用阅读器将每头羊重新识别，随着标签数变得越来越大，搜集标签ID会消耗非常多的时间。因为大多数羊的数据信息都已经存储入系统内，然而这些信息并没有得到充分的利用。此外，被错误放置的物品也导致未知标签的问题。医院的药房内如果有一些药品摆放位置错误或者存在未登记入库的新药品，它们需要被尽快的检测并识别，否则这将导致病人误食药品，带来意想不到的后果。
如今面向大规模的物联网系统，存在海量的物品，如果有新的物品进入，大部分时间浪费在识别已知标签上，这将大大的降低系统的识别速率。因此，未知标签问题的解决尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种RFID未知标签识别系统及识别方法，解决现有技术中对已知标签重复识别导致的系统识别效率降低的问题，利用Hash函数使标签匹配到各时隙，通过时隙状态的变化判断并识别未知标签，提高系统的识别速率。
本发明所采用的技术方案是，一种RFID未知标签识别系统，包括：后台服务器、阅读器以及RFID标签，其中，
所述后台服务器，用于存储系统内全部已知标签的ID以及由阅读器搜集到的数据信息，它是一个提供服务和管理的控制中心；
所述RFID阅读器，用于进入后台服务器获取标签的ID信息；利用已知标签的ID和统一的Hash函数，预估系统内已知标签在时帧中匹配时隙的情况，并基于此构造指示向量；将指示向量广播给通信范围内的所有标签，等待标签响应，确定响应时隙的实际状态；具备存储和计算能力；
所述RFID标签，用于提供具有全球唯一标识的ID，粘贴于指定的物品上，并具有该物品的特定信息；根据自身ID和接收到的随机数r与帧长f计算Hash函数，通过函数值映射到指示向量对应的时隙，查看时隙的预计状态，若为预计的空闲时隙，标签标记；若为预计的单个时隙，则发送10比特数据；若为预计的碰撞时隙，则不响应但保持活跃状态。
本发明所采用的另一技术方案是，一种RFID未知标签识别系统的识别方法，具体按照以下步骤进行：
步骤101：RFID阅读器有权利进入后台服务器并获得所有已知标签ID；阅读器向所有已知标签发送一个统一的Hash函数，即H(ID，r)modf，其中r是随机数，f是帧长，ID接收到命令的标签自己的唯一标识ID；由此，阅读器能事先获取时帧中预计的空闲时隙、预计的单个时隙和预计的碰撞时隙；
步骤102：根据已知标签匹配时隙的情况，阅读器构造两个指示向量：vc和vs，向量中的每个比特都对应时帧内的一个时隙；
其中，vc中的‘1’表示预计的碰撞时隙，‘0’表示预计的空闲时隙或预计的单个时隙；
vs中的‘1’表示预计的单个时隙，‘0’表示预计的空闲时隙或预计的碰撞时隙；
空闲时隙表示没有标签匹配该时隙；单个时隙表示只有一个标签匹配该时隙；碰撞时隙表示多于1个标签匹配该时隙；
步骤103：阅读器向其查询范围内的所有标签广播r，f，vc和vs；其中，r在每一次轮询中都需要被更新；
步骤104：标签接收r，f,vc和vs后，基于统一的Hash函数进行时隙匹配；假设某个特定的标签t匹配到帧中的第x个时隙，其中x＝H(ID，r)modf；
步骤105：标签分别检查vc和vs中的第x位；把第x个比特定义为该响应标签的代表位；
如果vc中的代表位是‘1’时，标签在本轮不发生响应，但在接下来的轮询中继续保持活跃状态；
如果vc中的代表位是‘0’并且vs中的代表位是‘0’时，标记标签；
如果vs中的代表位是‘1’时，标签响应；
响应标签在时隙内传输10比特信息，以使阅读器判断该时隙的实际状态是单个/碰撞时隙；
阅读器接收来自标签的信息，对响应时隙进行判断；
如果该响应时隙实际是单个时隙，那么选择该时隙的标签一定是已知标签，发送指令使标签失活；
如果该响应时隙实际是碰撞时隙，那么选择该时隙的标签既包含已知标签又包含未知标签，本轮中阅读器暂不对时隙的标签进行任何操作，标签不响应但仍保持活跃状态；
步骤106：系统内的未知标签是否全部被标记，如果是则跳转到步骤107，否则转到步骤101；
步骤107：阅读器使用EDFSA协议，搜集所有被标记的未知标签ID，完成未知标签识别。
进一步的，所述步骤105具体按照以下步骤进行：
步骤201：标签通过其自身ID、随机数r和帧长f计算Hash函数值，分别查看匹配到两个指示向量vc和vs中对应位置上的数值；
步骤202：vc中的代表位是否为‘1’，如果是，则跳转到步骤203，否则跳转到步骤204；
步骤203：表示标签所选择的是预计的碰撞时隙，那么该时隙实际上也一定是实际的碰撞时隙；阅读器无法判断标签是已知的还是未知的；因此，标签在本轮不发生响应，但在接下来的轮询中继续保持活跃状态；
步骤204：vs中的代表位是否为‘1’，如果是，则跳转到步骤206，否则跳转到步骤205；
步骤205：表示标签选择的是预计的空闲时隙，那么该标签一定是未知标签，因此标记该标签；
步骤206：表示标签选择的是预计的单个时隙，则时隙内的标签响应；即只有选择预计单个时隙的标签才响应；其中，预计的单个时隙可能是实际的单个时隙或实际的碰撞时隙；为了进一步判断时隙的实际状态，标签发送10比特信息给阅读器；
步骤207：如果该时隙为实际的单个时隙，则跳转步骤208，否则跳转到步骤209；
步骤208：预计的单个时隙实际上仍然为单个时隙，表示没有未知标签参与，那么选择该时隙的标签一定是已知标签，使该标签失活；
步骤209：预计的单个时隙实际上变成了碰撞时隙，该时隙状态预计是单个的，表示一定有未知标签参与，但无法判断该标签是已知还是未知，因此，该时隙内的标签仍保持活跃状态在下一轮继续参与。
本发明的有益效果是将未知标签的识别过程分为两个阶段，第一阶段由多次轮询组成，每一次轮询阅读器需要向其通信范围内的标签广播已构造好的两个指示向量，标签通过各指示向量中代表位的数值以执行相应的操作，在这个过程中，部分已知标签被失活，减少了已知标签和未知标签发生碰撞的概率，避免已知标签干扰未知标签的识别过程，提高了标记未知标签的速率；同时许多未知标签被标记，缩小了每次轮询时标签的查询范围，活跃标签数量的减少使得帧长减少，进而传输时间减少，最终减少系统的执行时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明RFID未知标签识别的方法一实施例的流程图。
图2是本发明中标签匹配不同时隙时执行操作的流程图。
图3是识别未知标签过程中的两个指示向量构造示意图。
图4是现有技术算法与本发明方法中RFID系统总执行时间的效果对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的思路是，首先利用Hash函数使系统标签匹配时隙，构造指示向量使阅读器准确判断时帧各时隙的预计状态，在Aloha协议基础上充分利用时隙预计状态和实际状态的变化，最终完成分类别RFID系统中未知标签的识别。该方法能够判断并识别未知标签，同时减少了系统的总执行时间，大大提高了识别效率。
如图1所示，本发明实施例提供了一种RFID未知标签识别的方法，该方法的步骤具体包括：
步骤101：RFID阅读器有权利进入后台服务器并获得所有已知标签ID。阅读器向所有已知标签发送一个统一的Hash函数，即H(ID,r)modf，其中r是随机数，f是帧长，ID接收到命令的标签自己的唯一标识ID。由此，阅读器能事先获取时帧中预计的空闲时隙、预计的单个时隙和预计的碰撞时隙。
步骤102：根据已知标签匹配时隙的情况，阅读器构造两个指示向量：vc和vs，向量中的每个比特都对应时帧内的一个时隙。
其中，vc中的‘1’表示预计的碰撞时隙，‘0’表示预计的空闲时隙或预计的单个时隙。
vs中的‘1’表示预计的单个时隙，‘0’表示预计的空闲时隙或预计的碰撞时隙。
空闲时隙表示没有标签匹配该时隙；单个时隙表示只有一个标签匹配该时隙；碰撞时隙表示多于1个标签匹配该时隙。
步骤103：阅读器向其查询范围内的所有标签广播r，f，vc和vs。注意，r在每一次轮询中都需要被更新。
步骤104：标签接收r，f,vc和vs后，基于统一的Hash函数进行时隙匹配。假设某个特定的标签t匹配到帧中的第x个时隙，其中x＝H(ID,r)modf。
步骤105：标签分别检查vc和vs中的第x位。我们把第x个比特定义为该响应标签的代表位。
如果vc中的代表位是‘1’时，标签在本轮不发生响应，但在接下来的轮询中继续保持活跃状态；
如果vc中的代表位是‘0’并且vs中的代表位是‘0’时，标记标签；
如果vs中的代表位是‘1’时，标签响应。
响应标签在时隙内传输10比特信息，以使阅读器判断该时隙的实际状态是单个/碰撞时隙。
阅读器接收来自标签的信息，对响应时隙进行判断。
如果该响应时隙实际是单个时隙，那么选择该时隙的标签一定是已知标签，发送指令使标签失活；
如果该响应时隙实际是碰撞时隙，那么选择该时隙的标签既包含已知标签又包含未知标签，本轮中阅读器暂不对时隙的标签进行任何操作，标签不响应但仍保持活跃状态。
步骤106：系统内的未知标签是否全部被标记，如果是则跳转到步骤107，否则转到步骤101。
步骤107：阅读器使用EDFSA协议，搜集所有被标记的未知标签ID，完成未知标签识别。
本发明方法过程结构清晰，主要可以分为两个阶段：预处理阶段和识别阶段。第一阶段由多次轮询组成，每一次轮询阅读器需要向其通信范围内的标签广播已构造好的两个指示向量，标签通过各指示向量中代表位的数值以执行相应的操作，在这个过程中，部分已知标签被失活，减少了已知标签和未知标签发生碰撞的概率，避免已知标签干扰未知标签的识别过程。同时许多未知标签被标记，缩小了每次轮询时标签的查询范围，减少系统的总执行时间。第二阶段是利用EDFSA方法识别所有被标记的未知标签。
阅读器利用Hash函数构建指示向量，标签接收后根据匹配时隙查看对应的指示向量，能准确的判断所选时隙的预计状态，对于不同类型的预计时隙状态，规定标签执行相应的操作。
如图2所示为本发明中标签匹配不同时隙时执行操作的流程图，其具体包括：
步骤201：标签通过其自身ID、随机数r和帧长f计算Hash函数值，分别查看匹配到两个指示向量vc和vs中对应位置上的数值。
步骤202：vc中的代表位是否为‘1’，如果是，则跳转到步骤203，否则跳转到步骤204。
步骤203：表示标签所选择的是预计的碰撞时隙，那么该时隙实际上也一定是实际的碰撞时隙。阅读器无法判断标签是已知的还是未知的。因此，标签在本轮不发生响应，但在接下来的轮询中继续保持活跃状态。
步骤204：vs中的代表位是否为‘1’，如果是，则跳转到步骤206，否则跳转到步骤205。
步骤205：表示标签选择的是预计的空闲时隙，那么该标签一定是未知标签，因此标记该标签。
步骤206：表示标签选择的是预计的单个时隙，则时隙内的标签响应。即只有选择预计单个时隙的标签才响应。注意，预计的单个时隙可能是实际的单个时隙或实际的碰撞时隙。为了进一步判断时隙的实际状态，标签发送10比特信息给阅读器。
步骤207：如果该时隙为实际的单个时隙，则跳转步骤208，否则跳转到步骤209。
步骤208：预计的单个时隙实际上仍然为单个时隙，表示没有未知标签参与，那么选择该时隙的标签一定是已知标签，使该标签失活。
步骤209：预计的单个时隙实际上变成了碰撞时隙，该时隙状态预计是单个的，表示一定有未知标签参与，但无法判断该标签是已知还是未知，因此，该时隙内的标签仍保持活跃状态在下一轮继续参与。
图3所示，第2时隙中只有kt1响应，第5时隙中只有kt6响应，因此时隙2和时隙5是预计的单个时隙；第4时隙被kt2和kt5选择，第6时隙被kt3和kt4选择，因此时隙4和时隙6是预计的碰撞时隙；时隙1和时隙3中没有标签响应，是预计的空闲时隙。在vc中的各比特对应于碰撞时隙的用‘1’表示，否则用‘0’表示；在vs中的各比特对应于成功时隙的用‘1’表示，否则用‘0’表示。根据时隙的预计状态，由此构造两个指示向量。
图4所示，当已知标签数量为10000，未知标签数量在[1000，10000]区间变化时，在总执行时间方面本发明方法优于相关的未知标签识别方法。BUIP是基本未知标签识别方法，BUIP-CE是碰撞与空闲时隙匹配的未知标签识别算法，BUIP-CF是碰撞与附加时隙匹配的未知标签识别方法。
本发明实施例提供了一种RFID未知标签识别系统，包括：后台服务器、阅读器以及RFID标签，其中，
后台服务器，用于存储系统内全部已知标签的ID以及由阅读器搜集到的数据信息，它是一个提供服务和管理的控制中心；
RFID阅读器，有权进入后台服务器获取标签的ID信息；利用已知标签的ID和统一的Hash函数，预估系统内已知标签在时帧中匹配时隙的情况，并基于此构造指示向量；将指示向量广播给通信范围内的所有标签，等待标签响应，确定响应时隙的实际状态；具备一定的存储和计算能力；
RFID标签，提供具有全球唯一标识的ID，通常粘贴于指定的物品上，并具有该物品的特定信息(如名字和单价)；根据自身ID和接收到的随机数r与帧长f计算Hash函数，通过函数值映射到指示向量对应的时隙，查看时隙的预计状态，若为预计的空闲时隙，标签标记；若为预计的单个时隙，则发送10比特数据；若为预计的碰撞时隙，则不响应但保持活跃状态。
本领域的普通技术人员将会意识到，所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，应被理解为并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种RFID未知标签识别系统，其特征在于，包括：后台服务器、阅读器以及RFID标签，其中，
所述后台服务器，用于存储系统内全部已知标签的ID以及由阅读器搜集到的数据信息，它是一个提供服务和管理的控制中心；
所述RFID阅读器，用于进入后台服务器获取标签的ID信息；利用已知标签的ID和统一的Hash函数，预估系统内已知标签在时帧中匹配时隙的情况，并基于此构造指示向量；将指示向量广播给通信范围内的所有标签，等待标签响应，确定响应时隙的实际状态；具备存储和计算能力；
所述RFID标签，用于提供具有全球唯一标识的ID，粘贴于指定的物品上，并具有该物品的特定信息；根据自身ID和接收到的随机数r与帧长f计算Hash函数，通过函数值映射到指示向量对应的时隙，查看时隙的预计状态，若为预计的空闲时隙，标签标记；若为预计的单个时隙，则发送10比特数据；若为预计的碰撞时隙，则不响应但保持活跃状态。
2.一种如权利要求1所述的RFID未知标签识别系统的识别方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤101：RFID阅读器有权利进入后台服务器并获得所有已知标签ID；阅读器向所有已知标签发送一个统一的Hash函数，即H(ID，r)mod f，其中r是随机数，f是帧长，ID接收到命令的标签自己的唯一标识ID；由此，阅读器能事先获取时帧中预计的空闲时隙、预计的单个时隙和预计的碰撞时隙；
步骤102：根据已知标签匹配时隙的情况，阅读器构造两个指示向量：vc和vs，向量中的每个比特都对应时帧内的一个时隙；
其中，vc中的‘1’表示预计的碰撞时隙，‘0’表示预计的空闲时隙或预计的单个时隙；
vs中的‘1’表示预计的单个时隙，‘0’表示预计的空闲时隙或预计的碰撞时隙；
空闲时隙表示没有标签匹配该时隙；单个时隙表示只有一个标签匹配该时隙；碰撞时隙表示多于1个标签匹配该时隙；
步骤103：阅读器向其查询范围内的所有标签广播r，f，vc和vs；其中，r在每一次轮询中都需要被更新；
步骤104：标签接收r，f,vc和vs后，基于统一的Hash函数进行时隙匹配；假设某个特定的标签t匹配到帧中的第x个时隙，其中x＝H(ID，r)mod f；
步骤105：标签分别检查vc和vs中的第x位；把第x个比特定义为该响应标签的代表位；
如果vc中的代表位是‘1’时，标签在本轮不发生响应，但在接下来的轮询中继续保持活跃状态；
如果vc中的代表位是‘0’并且vs中的代表位是‘0’时，标记标签；
如果vs中的代表位是‘1’时，标签响应；
响应标签在时隙内传输10比特信息，以使阅读器判断该时隙的实际状态是单个/碰撞时隙；
阅读器接收来自标签的信息，对响应时隙进行判断；
如果该响应时隙实际是单个时隙，那么选择该时隙的标签一定是已知标签，发送指令使标签失活；
如果该响应时隙实际是碰撞时隙，那么选择该时隙的标签既包含已知标签又包含未知标签，本轮中阅读器暂不对时隙的标签进行任何操作，标签不响应但仍保持活跃状态；
步骤106：系统内的未知标签是否全部被标记，如果是则跳转到步骤107，否则转到步骤101；
步骤107：阅读器使用EDFSA协议，搜集所有被标记的未知标签ID，完成未知标签识别。
3.根据权利要求2所述的RFID未知标签识别系统的识别方法，其特征在于，所述步骤105具体按照以下步骤进行：
步骤201：标签通过其自身ID、随机数r和帧长f计算Hash函数值，分别查看匹配到两个指示向量vc和vs中对应位置上的数值；
步骤202：vc中的代表位是否为‘1’，如果是，则跳转到步骤203，否则跳转到步骤204；
步骤203：表示标签所选择的是预计的碰撞时隙，那么该时隙实际上也一定是实际的碰撞时隙；阅读器无法判断标签是已知的还是未知的；因此，标签在本轮不发生响应，但在接下来的轮询中继续保持活跃状态；
步骤204：vs中的代表位是否为‘1’，如果是，则跳转到步骤206，否则跳转到步骤205；
步骤205：表示标签选择的是预计的空闲时隙，那么该标签一定是未知标签，因此标记该标签；
步骤206：表示标签选择的是预计的单个时隙，则时隙内的标签响应；即只有选择预计单个时隙的标签才响应；其中，预计的单个时隙可能是实际的单个时隙或实际的碰撞时隙；为了进一步判断时隙的实际状态，标签发送10比特信息给阅读器；
步骤207：如果该时隙为实际的单个时隙，则跳转步骤208，否则跳转到步骤209；
步骤208：预计的单个时隙实际上仍然为单个时隙，表示没有未知标签参与，那么选择该时隙的标签一定是已知标签，使该标签失活；
步骤209：预计的单个时隙实际上变成了碰撞时隙，该时隙状态预计是单个的，表示一定有未知标签参与，但无法判断该标签是已知还是未知，因此，该时隙内的标签仍保持活跃状态在下一轮继续参与。
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