CN107145919B - 面向出入检测的开放式rfid门禁系统及其处理方法 - Google Patents

面向出入检测的开放式rfid门禁系统及其处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了面向出入检测的开放式RFID门禁系统及其处理方法，系统主要包括RFID阅读器、天线、标签以及后台服务器，其工作方法是：在门禁通道两边的设备内部各部署两个呈一定夹角的天线，均与RFID阅读器相连接，天线会接收到通过门禁的对象携带的RFID标签反射的信号，门禁两端天线接收到反射信号的时间段不同，利用这一特性判断并实时记录、显示人员在门禁系统中的进出行为。本发明将RFID技术用于开放式门禁系统，无需配置翼闸，无需接触式识别，即可在人通过门禁时自动化地识别进、出行为，极大地提高了人员通过门禁的效率。

Description

面向出入检测的开放式RFID门禁系统及其处理方法
技术领域
本发明涉及RFID技术领域，特别是面向出入检测的开放式RFID门禁系统及其处理方法。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术是基于无线通信技术的自动识别技术，它的基本原理是利用射频信号与空间耦合传输特性，自动化地识别被识别物体携带的信息，它的最大优点是非接触识别，并且可以识别高速移动物体、识别多目标。RFID技术目前被越来越广泛地应用于各行各业，包括供应链管理、仓储盘点、电子支付、安全访问控制、目标监测与追踪等。
目前，绝大多数门禁系统依赖于门禁卡与闸机，人员通过门禁时，需要经历停留取卡、刷卡、等待闸机开启、闸机打开、快速通过等一系列复杂、耗时的流程。此外，现有门禁一次仅允许一个对象通过，吞吐量十分有限，尤其对于面向大量对象的门禁(如：体育馆门禁、演唱会门禁)，这种串行化通行方式将严重制约门禁的吞吐效率，不利于人员体验。超高频RFID系统具有批量式读取、非视距通信等鲜明特点，可以有效克服以上缺点，为提升门禁系统的自动化程度和吞吐量提供保障。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供面向出入检测的开放式RFID门禁系统及其处理方法，利用门禁中部署的设备对移动对象携带的RFID标签进行自动化读取，并判别携带RFID标签的对象通过门禁的方向。
为了解决上述技术问题，本发明公开了面向出入检测的开放式RFID门禁系统，所述门禁系统安装在进出通道边，包括至少一个的RFID阅读器，每个RFID阅读器均外接两个以上的天线；至少有一个天线向进通道方向倾斜；至少有一个天线向出通道方向倾斜；
RFID标签从进通道方向向出通道方向移动过程中，向进通道方向倾斜的天线先收到RFID标签信号，向出通道方向倾斜的天线后收到RFID标签信号；
RFID标签从出通道方向向进通道方向移动过程中，向出通道方向倾斜的天线先收到RFID标签信号，向进通道方向倾斜的天线后收到RFID标签信号；
通过门禁系统两端天线接收同一RFID标签信号的时间先后，确认该RFID标签信号进出通道的方向。
进一步地，本发明包括两个RFID阅读器，且以进出通道为中心，分别对称的设置在通道的两边。
本系统还包括后台服务器，RFID阅读器通过外接天线，实时向后台服务器反馈读取到的RFID标签信号，包括接收信号的天线端口号、标签EPC号、时间戳；
后台服务器根据RFID阅读器返回的标签信号，计算通道两端的天线读取到同一RFID标签的时间戳特征平均值之差，然后结合标签EPC号与携带RFID标签的对象的身份信息的映射关系，识别通过门禁的携带RFID标签的对象并判断其出入方向；
所述天线向外辐射电磁波，接收RFID标签反射回的信号并传送给RFID阅读器。
所述后台服务器还包括显示界面，显示界面根据RFID阅读器采集的信息实时显示门禁的出入情况。
本发明还公开了面向出入检测的开放式RFID门禁系统的处理方法，包括如下步骤：
步骤1，将门禁系统的通道两端分别记为A端和B端，使用RFID阅读器读取通过门禁系统的RFID标签信号；
步骤2，将通道一侧或两侧位于同端的天线接收到的同一标签的反射信号归为一类，并进行排序得到序列；
步骤3，对步骤2得到的序列进行计算，分别得到通道两端天线读取到同一个RFID标签的时间戳特征平均值；
步骤4，根据时间戳特征平均值判断携带该RFID标签的对象的出入情况。
步骤1中，RFID标签信号包括天线端口号ant、标签EPC号epc、时间戳t，将以上信息表示为一个三元组{ant,epc,t}，表示RFID阅读器上天线端口号为ant的天线在t时刻接收到的EPC号为epc的标签信号。
步骤2包括如下步骤：
步骤2-1，将步骤1中获得的三元组根据天线端口号和标签EPC号进行划分，将包含同端天线端口号和相同标签EPC号的数据划分为一类；
步骤2-2，在每个划分好的类中，按时间戳t从小到大的顺序对每一类数据进行排序得到标签信号序列。
对步骤2中得到的标签信号序列，其对应的总时间为T；设置一个大小为td的时间段(一般为100ms)，将序列按时间段做划分，整个序列划分为
Figure BDA0001290145700000031
个段；
若在第m个时间段内存在三元组{ant,epc,t}，则将它们合并为一个特征三元组{end,epc,tm}，其中，end表示天线在门禁系统中的位置，即A端或B端，epc为标签EPC号，tm为该时间段的中间时刻；
若在第m个时间段内不存在三元组{ant,epc,t}，则不存在对应的特征三元组cm，fm表示第m个时间段内的特征三元组的状态，若存在cm，fm取值为1；若不存在cm，fm取值为0，tmfm为第m个时间段的时间戳特征值。
步骤3包括：根据步骤2中得到的数据，通过如下公式计算两端天线对应的时间戳特征平均值Tend：
Figure BDA0001290145700000032
其中，
Figure BDA0001290145700000033
(根据end的取值不同，即可通过该公式分别计算出两端天线的时间戳特征平均值，TA表示A端的时间戳特征平均值，TB表示B端的时间戳特征平均值)。
步骤4包括：若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值小于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从A到B通过门禁；反之，若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值大于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从B到A通过门禁。
进一步地，还包括步骤5，查询标签EPC号与携带RFID标签的对象的映射表，获取通过通道的携带RFID标签的对象的具体身份信息(如该对象的姓名、工号等)。
本发明利用门禁两端天线接收到移动标签反射信号的时间段的不同，检测携带RFID标签的对象通过门禁的方向，提供了一个便捷、高效的门禁系统。与传统的门禁系统相比，本发明最大的特点是利用RFID技术感知人的移动行为模式，系统不需要人员配合刷门禁卡的动作，在人员通过门禁后即可判别出入门禁的情况。此外，门禁设施不需要配备翼闸，节省了传统门禁中翼闸开合产生的时间，且人员无需一人一闸地一一通过，而是可以多人连续通过，极大地提高了人员通过门禁的效率。
有益效果：通过本方法实现了门禁系统监控人员出入情况的目的，人员只需随身携带包含身份信息的RFID标签，无需进行特殊操作，系统就可以准确地判别、记录人员的出入行为，免去了传统门禁系统对人的物理约束，在多人连续通过时也能很好地工作，优化了门禁系统的人员体验，极大地提高了人员通过门禁的效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明的门禁系统结构框图。
图2是实施例的部署示意图。
图3是实施例1的流程图。
图4是门禁出入方向判定算法的流程图。
图5是实施例2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明公开了面向出入检测的开放式RFID门禁系统，其特征在于，所述门禁系统安装在进出通道边，包括至少一个的RFID阅读器，每个RFID阅读器均外接两个以上的天线；至少有一个天线向进通道方向倾斜；至少有一个天线向出通道方向倾斜；
RFID标签从进通道方向向出通道方向移动过程中，向进通道方向倾斜的天线先收到RFID标签信号，向出通道方向倾斜的天线后收到RFID标签信号；
RFID标签从出通道方向向进通道方向移动过程中，向出通道方向倾斜的天线先收到RFID标签信号，向进通道方向倾斜的天线后收到RFID标签信号；
通过门禁系统两端天线接收同一RFID标签信号的时间先后，确认该RFID标签信号进出通道的方向。
进一步地，本发明包括两个RFID阅读器，且以进出通道为中心，分别对称的设置在通道的两边。
本系统还包括后台服务器，RFID阅读器通过外接天线，实时向后台服务器反馈读取到的RFID标签信号，包括接收信号的天线端口号、标签EPC号、时间戳；
后台服务器根据RFID阅读器返回的标签信号，计算通道两端的天线读取到同一RFID标签的时间戳特征平均值之差，然后结合标签EPC号与携带RFID标签的对象的身份信息的映射关系，识别通过门禁的携带RFID标签的对象并判断其出入方向；
所述天线向外辐射电磁波，接收RFID标签反射回的信号并传送给RFID阅读器。
所述后台服务器还包括显示界面，显示界面根据RFID阅读器采集的信息实时显示门禁的出入情况。
本发明还公开了面向出入检测的开放式RFID门禁系统的处理方法，包括如下步骤：
步骤1，将门禁系统的通道两端分别记为A端和B端，使用RFID阅读器读取通过门禁系统的RFID标签信号；
步骤2，将通道一侧或两侧位于同端的天线接收到的同一标签的反射信号归为一类，并进行排序得到序列；
步骤3，对步骤2得到的序列进行计算，分别得到通道两端天线读取到同一个RFID标签的时间戳特征平均值；
步骤4，根据时间戳特征平均值判断携带该RFID标签的对象的出入情况。
步骤1中，RFID标签信号包括天线端口号ant、标签EPC号epc、时间戳t，将以上信息表示为一个三元组{ant,epc,t}，表示RFID阅读器上天线端口号为ant的天线在t时刻接收到的EPC号为epc的标签信号。
步骤2包括如下步骤：
步骤2-1，将步骤1中获得的三元组根据天线端口号和标签EPC号进行划分，将包含同端天线端口号和相同标签EPC号的数据划分为一类；
步骤2-2，在每个划分好的类中，按时间戳t从小到大的顺序对每一类数据进行排序得到标签信号序列。
对步骤2中得到的标签信号序列，其对应的总时间为T；设置一个大小为td的时间段(一般为100ms)，将序列按时间段做划分，整个序列划分为
Figure BDA0001290145700000051
个段；
若在第m个时间段内存在三元组{ant,epc,t}，则将它们合并为一个特征三元组{end,epc,tm}，其中，end表示天线在门禁系统中的位置，即A端或B端，epc为标签EPC号，tm为该时间段的中间时刻；
若在第m个时间段内不存在三元组{ant,epc,t}，则不存在对应的特征三元组cm，fm表示第m个时间段内的特征三元组的状态，若存在cm，fm取值为1；若不存在cm，fm取值为0，tmfm为第m个时间段的时间戳特征值。
步骤3包括：根据步骤2中得到的数据，通过如下公式计算两端天线对应的时间戳特征平均值Tend：
Figure BDA0001290145700000061
其中，
Figure BDA0001290145700000062
(根据end的取值不同，即可通过该公式分别计算出两端天线的时间戳特征平均值)。
步骤4包括：若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值小于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从A到B通过门禁；反之，若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值大于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从B到A通过门禁。
进一步地，还包括步骤5，查询标签EPC号与携带RFID标签的对象的映射表，获取通过通道的携带RFID标签的对象的具体身份信息(如该对象的姓名、工号等)。
实施例1
本发明公开了面向出入检测的开放式RFID门禁系统，如图1和图2所示，本实施例包括门禁左侧设备1、门禁右侧设备2、RFID阅读器、一号天线3、二号天线4、三号天线5、四号天线6、RFID标签7，一号天线和三号天线位于门禁A端，二号天线和四号天线位于门禁B端。
门禁系统由RFID信号采集设备与后台服务器两部分组成。其中RFID信号采集设备由RFID阅读器和天线组成，后台服务器分为门禁出入方向判定算法和显示界面两个部分。各部分功能如下：
RFID阅读器：外接天线，实时向后台服务器反馈读取到的标签信号，包括接收信号的天线端口号、标签EPC号、时间戳，并发送到后台服务器。
天线：在门禁通道一侧或两侧的设备内部各部署两个呈一定夹角的天线，与RFID阅读器连接，向外辐射电磁波，接收RFID标签反射回的信号并传送给RFID阅读器。
门禁出入方向判定算法：根据RFID阅读器返回的标签信号，计算门禁两端的天线读取到同一标签的时间戳特征平均值之差，然后结合标签EPC号与携带RFID标签的对象身份信息的映射关系，识别通过门禁的携带RFID标签的对象并判断其出入方向。
显示界面：根据RFID设备采集的信息和门禁出入方向判定算法，实时显示门禁的出入情况。
本实施例提供了面向出入检测的开放式RFID门禁系统的处理方法，流程如图3所示，过程如下：
1、每个对象携带一个RFID标签，根据标签的EPC号可以唯一确定对象身份。
2、在门禁通道一侧或两侧的设备内部各部署两个呈一定夹角的天线。在本实施例中，在门禁通道两侧的设备内部各部署两个呈一定夹角的天线，增强门禁系统的健壮性。天线距离地面60cm，门禁一侧设备内两个天线的中心点距离40cm，天线倾斜角度θ为20°，阅读器功率为32.5dBm，俯视图如图2所示。
3、RFID设备持续监听标签信号，包括接收信号的天线端口号ant、标签EPC号epc、时间戳t。当连续n秒内未读取到某标签时，对该标签信号的一次监听过程结束。在本实施例中，n设为800ms。
根据监听的数据，用门禁出入方向判定算法判别携带某标签的对象出入门禁的行为，如图4所示，具体过程如下：
1、数据归类
对某一标签在一次监听过程中的标签信号根据天线端口号进行归类。在本实施例中，一号天线和三号天线位于门禁A端，二号天线和四号天线位于门禁B端。对同一标签，将一号天线和三号天线读取的标签信号归为一类，二号天线和四号天线读取的标签信号归为一类，对每类中的数据按时间戳从小到大的顺序排序。
2、数据预处理
将分类后的数据划分为若干时间段，计算各时间段的特征三元组。在本实施例中，将归类后的数据以100ms的时间段划分为若干段。在第m个时间段，若存在标签信号数据，将它们合并为一个特征三元组{side,epc,tm}，包括天线在门禁系统中的位置end、标签EPC号epc、该时间段的中间时刻tm。fm表示第m个时间段内的特征三元组的状态。若存在cm，fm取值为1，若不存在cm，fm取值为0。tmfm为第m个时间段的时间戳特征值。
3、计算两端天线对应的时间戳特征平均值
两端天线对应的时间戳特征平均值Tend为：
Figure BDA0001290145700000071
其中，
Figure BDA0001290145700000081
4、判别对象出入情况
若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值小于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从A到B通过门禁；反之，若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值大于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从B到A通过门禁。
实施例2
本实施例结合图4、图5对门禁出入判定算法进行说明。
图5中圆圈图案和三角形图案表示已经根据天线端口号进行归类的标签信号，该标签的EPC号为epc1。其中，圆圈图案表示A端天线读取到的标签信号，三角形图案表示B端天线读取到的标签信号。标签信号序列对应的总时间T为590ms。将归类后的数据以100ms的时间段划分为6段。对A端天线来讲，第1、2、3、4、5段存在三元组，即第1、2、3、4、5段存在对应的特征三元组。对B端天线来讲，第2、3、4、6段存在三元组，即第2、3、4、6段存在对应的特征三元组。以A端天线的第1段为例，存在特征三元组c1＝{A,epc1,50}；以B端天线的第2段为例，存在特征三元组c2＝{B,epc1,150}。
对于A端天线，其对应的时间戳特征平均值
Figure BDA0001290145700000082
Figure BDA0001290145700000083
对于B端天线，其对应的时间戳特征平均值
Figure BDA0001290145700000084
Figure BDA0001290145700000085
TA<TB，判定携带该RFID标签的对象从A到B通过门禁。
本发明提供了面向出入检测的开放式RFID门禁系统及其处理方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.面向出入检测的开放式RFID门禁系统，其特征在于，所述门禁系统安装在进出通道边，包括至少一个的RFID阅读器，每个RFID阅读器均外接两个以上的天线；至少有一个天线向进通道方向倾斜；至少有一个天线向出通道方向倾斜；
RFID标签从进通道方向向出通道方向移动过程中，向进通道方向倾斜的天线先收到RFID标签信号，向出通道方向倾斜的天线后收到RFID标签信号；
RFID标签从出通道方向向进通道方向移动过程中，向出通道方向倾斜的天线先收到RFID标签信号，向进通道方向倾斜的天线后收到RFID标签信号；
通过门禁系统两端天线接收同一RFID标签信号的时间先后，确认该RFID标签信号进出通道的方向；
系统包括两个RFID阅读器，且以进出通道为中心，分别对称的设置在通道的两边；
系统还包括后台服务器，RFID阅读器通过外接天线，实时向后台服务器反馈读取到的RFID标签信号，包括接收信号的天线端口号、标签EPC号、时间戳；
后台服务器根据RFID阅读器返回的标签信号，计算通道两端的天线读取到同一RFID标签的时间戳特征平均值之差，然后结合标签EPC号与携带RFID标签的对象身份信息的映射关系，识别通过门禁的携带RFID标签的对象并判断其出入方向；
所述天线向外辐射电磁波，接收RFID标签反射回的信号并传送给RFID阅读器；
所述后台服务器还包括显示界面，显示界面根据RFID阅读器采集的信息实时显示门禁的出入情况；
系统执行如下步骤完成出入检测：
步骤1，将门禁系统的通道两端分别记为A端和B端，使用RFID阅读器读取通过门禁系统的RFID标签信号；
步骤2，将通道一侧或两侧位于同端的天线接收到的同一标签的反射信号归为一类，并进行排序得到序列；
步骤3，对步骤2得到的序列进行计算，分别得到通道两端天线读取到同一个RFID标签的时间戳特征平均值；
步骤4，根据时间戳特征平均值判断携带该RFID标签的对象的出入情况；
步骤1中，RFID标签信号包括天线端口号ant、标签EPC号epc、时间戳t，将以上信息表示为一个三元组{ant，epc，t}，表示RFID阅读器上天线端口号为ant的天线在t时刻接收到的EPC号为epc的标签信号；
步骤2包括如下步骤：
步骤2-1，将步骤1中获得的三元组根据天线端口号和标签EPC号进行划分，将包含同端天线端口号和相同标签EPC号的数据划分为一类；
步骤2-2，在每个划分好的类中，按时间戳t从小到大的顺序对每一类数据进行排序得到标签信号序列；
对步骤2中得到的标签信号序列，其对应的总时间为T；设置一个大小为td的时间段，将序列按时间段做划分，整个序列划分为
Figure FDA0002144925440000021
个段；
若在第m个时间段内存在三元组{ant，epc，t}，则将它们合并为一个特征三元组{end，epc，tm}，其中，end表示天线在门禁系统中的位置，即A端或B端，epc为标签EPC号，tm为该时间段的中间时刻；
若在第m个时间段内不存在三元组{ant，epc，t}，则不存在对应的特征三元组cm，fm表示第m个时间段内的特征三元组的状态，若存在cm，fm取值为1；若不存在cm，fm取值为0，tmfm为第m个时间段的时间戳特征值；
步骤3包括：根据步骤2中得到的数据，通过如下公式计算两端天线对应的时间戳特征平均值Tend：
Figure FDA0002144925440000022
其中，
Figure FDA0002144925440000023
步骤4包括：若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值小于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从A到B通过门禁；反之，若A端天线读取到一RFID标签的时间戳特征平均值大于B端天线读取到该RFID标签的时间戳特征平均值，则判定携带该RFID标签的对象从B到A通过门禁；
还包括步骤5，查询标签EPC号与携带RFID标签的对象的映射表，获取通过通道的携带RFID标签的对象的具体身份信息。
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