CN107516057B - 一种标签防碰撞方法及有源射频识别标签 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种标签防碰撞方法及有源射频识别标签，该方法应用于有源射频识别标签，包括：S11：发送数据信息；等待接收响应于所述数据信息的应答信号，如果没有接收到应答信号则进入步骤S12；S12：检测载波；如果检测到载波则进入步骤S13；S13：延迟预设时间，再次检测载波；S14：如果没有检测到载波，则进入步骤S11；如果检测到载波，则进入步骤S13。可见本发明中采用的标签防碰撞方法与传统的ALOHA算法相比，在延迟预设时间后，再次检测载波，在没有检测到载波的情况下，才进行下一次发送数据信息，与现有技术中ALOHA算法延迟预设时间后，即发送数据信息相比，进一步降低ALOHA算法的碰撞几率，提高通信效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种标签防碰撞方法及有源射频识别标签。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，缩写RFID)技术是20世纪80年代发展起来的一种新兴的自动识别技术。作为物联网世界的核心技术之一，它的最大优点就是非接触式识别，可穿过冰、雾、粉尘涂料等障碍物实现对目标标签中信息的读写。相比无源RFID标签，有源RFID标签识别距离远、读写速度快、信息存储量大，在智能医院、智能停车场、智能交通、智慧城市等远距离识别领域有巨大的应用潜力。
目前，对有源射频识别系统的研究，大多集中在防碰撞算法及基于该技术的应用系统的研究，如跟踪、定位系统等，对整个标签系统的优化设计并不见。当多个标签处在阅读器识别范围内并企图与之通信的时候，它们之间的信号互相干扰，产生数据冲突，使阅读器无法正确识别每一个标签，这时就产生了标签碰撞。防碰撞算法有源RFID标签使用自身携带电池供电和远距离识别的特点决定了在标签设计时必须满足系统低功耗和标签防碰撞的要求。
多标签防碰撞算法主要分为三类：①基于ALOHA的算法，又称为随机性算法；②基于树的算法，又称为确定性算法；③混合算法，将基于ALOHA的算法和基于树的算法相结合而产生的一种算法。
其中，基于ALOHA的防碰撞算法的基本思想是：在阅读器发现多标签碰撞时，阅读器命令其作用范围内的所有标签随机延迟一段时间再进行响应，延迟时间的长度是以某种概率随机选择的。
早期的ALOHA算法为纯ALOHA算法，该算法采用“标签先发言”的方式，即标签一进入阅读器的作用区域就自动向阅读器发送其自身的信息，对同一个标签来说，其发送数据的时间是随机的。在标签发送信息的过程中，如果有其他标签也在发送数据，就会发生信号重叠，导致部分碰撞或者完全碰撞。
阅读器检测信号并进行判断，一旦发现碰撞，阅读器将发送命令让标签停止发送数据，所有标签会随机延迟一段时间再发送数据，由于延迟的随机时间不同，再次发生碰撞的概率将明显降低。如果没有碰撞，则阅读器发送一个应答信号给标签，标签从此转入休眠状态。这种算法简单，但吞吐率低，。
该算法效率低的主要原因是碰撞发生的时间是随机的，其中包括：当一个标签在与阅读器通信的过程中，有可能因其他标签的突然响应而被破坏，即存在部分碰撞问题。
因此，如何提供一种标签防碰撞方法及有源射频识别标签，能够在满足系统低功耗的同时，有效避免标签碰撞，提高数据通信能力，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种标签防碰撞方法及有源射频识别标签，能够在满足系统低功耗的同时，有效避免标签碰撞，提高数据通信能力。其具体方案如下：
一方面，本发明提供一种标签防碰撞方法，应用于有源射频识别标签，包括：
S11：发送数据信息；等待接收响应于所述数据信息的应答信号，如果没有接收到应答信号则进入步骤S12；
S12：检测载波；如果检测到载波则进入步骤S13；
S13：延迟预设时间，再次检测载波；
S14：如果没有检测到载波，则进入步骤S11；如果检测到载波，则进入步骤S13。
优选地，所述步骤S11，包括：
S111：发送数据信息；
S112：等待接收响应于所述数据信息的应答信号；
S113：如果没有接收到应答信号，则重新发送所述数据信息，并进入步骤S112，直到达到重新发送所述数据信息的预设次数，如果仍没有接受到应答信号，则进入步骤S12。
优选地，所述预设次数为3次至5次。
优选地，所述步骤S11中所述的发送数据信息，包括：
将所述数据信息写入所述有源射频识别标签的发射寄存器，置高所述有源射频识别标签的CE管脚，以发射所述数据信息。
优选地，所述步骤S11中所述的等待接收响应于所述数据信息的应答信号，包括：
发送完所述数据信息后切换到接收模式，等待响应于所述数据信息的应答信号。
优选地，所述预设时间大于数据帧往还所述有源射频识别标签和阅读器之间的时间。
优选地，在所述有源射频识别标签收发数据帧的过程中：
当在预设时间内所述有源射频识别标签的数据帧传输正确率超过预设阈值时采用连续传输定期应答模式作为通信协议；
当在预设时间内所述有源射频识别标签的数据帧传输正确率不超过所述预设阈值时采用SW-ARQ(stop-and-wait automatic repeat request，停止等待自动重发模式)模式作为通信协议。
另一方面，本发明还提供一种有源射频识别标签，包括处理芯片，无线射频收发芯片以及外围电路，所述处理芯片通过执行内部存储的标签防碰撞程序以控制所述无线射频收发芯片执行前述公开的标签防碰撞方法。
优选地，所述无线射频收发芯片为nRF24L01收发芯片。
优选地，所述外围电路的晶体振荡电路采用16MHz晶振；
和/或
所述晶体振荡电路的电容大小为3.3pF。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明所提供的一种标签防碰撞方法，应用于有源射频识别标签，包括：S11：发送数据信息；等待接收响应于所述数据信息的应答信号，如果没有接收到应答信号则进入步骤S12；S12：检测载波；如果检测到载波则进入步骤S13；S13：延迟预设时间，再次检测载波；S14：如果没有检测到载波，则进入步骤S11；如果检测到载波，则进入步骤S13。
可见本发明中采用的标签防碰撞方法与传统的ALOHA算法相比，在延迟预设时间后，再次检测载波，在没有检测到载波的情况下，才进行下一次发送数据信息，与现有技术中ALOHA算法延迟预设时间后，即发送数据信息相比，进一步降低ALOHA算法的碰撞几率，提高通信效率。
本发明还提供一种有源射频识别标签，能够运行上述的标签防碰撞方法，也具有上述的有益效果。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明第一种具体实施例所提供的标签防碰撞方法的流程图；
图2为本发明第二种具体实施例所提供的标签防碰撞方法的重复发送数据信息流程图；
图3为本发明第二种具体实施例所提供的标签防碰撞方法的流程图；
图4为本发明具体实施例所提供的有源射频识别标签的硬件原理图；
图5为本发明具体实施例所采用nRF24L01收发芯片数据包格式示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种标签防碰撞方法，其中在传统ALOHA算法的基础上在延迟预设时间后，重新发送数据信息前增加二次载波检测，根据载波检测的情况来确定是否发送数据信息，从而能够有效的减少标签碰撞。
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。
请参考图1，图1为本发明第一种具体实施例所提供的标签防碰撞方法的流程图，所述方法包括：
S11：发送数据信息；等待接收响应于所述数据信息的应答信号，如果没有接收到应答信号则进入步骤S12。
在本发明的第一种具体实施方式中，本发明实施例所提供的标签防碰撞方法，首先，有源射频识别标签要发送自身的数据信息，发送完数据信息，一般是向阅读器发送所述数据信息。发送数据信息完毕后，有源射频识别标签就可以等待接收阅读器的应答。但是有源射频识别标签可能在阅读器的识别范围内，也有可能有源射频识别标签并不在阅读器的识别范围内，还有可能被别的标签所干扰，不能正常识别。当没有接收到应答时，说明有源射频识别标签可能是不再阅读器的识别范围内，也有可能是被别的标签干扰了通信。这时就进入到步骤S12中。
值得指出的是，有源射频识别标签由于自身的硬件限制，通常不能同时发送数据信息和接收应答信号，当有源射频识别标签需要发送数据信号时，就要把相应的射频收发芯片配置成数据发送模式，当有源射频识别标签需要接收应答信号时，就要把射频收发芯片配置成数据接收模式。
进一步地，在发送数据信息时，一般地，射频识别芯片中的处理芯片将数据信息写入到有源射频识别标签的发射寄存器，置高有源射频识别标签的CE管脚，发送出数据信息。
需要提到的还有，如果在上述步骤S11中接收到应答信号，那么说明这是一次有源射频识别标签和阅读器之间的正常通信，一般情况下，在有源射频识别标签和阅读器之间正常交互通信之后，有源射频识别标签会进入休眠状态。
S12：检测载波；如果检测到载波则进入步骤S13。
当上一步骤中没有接收到应答信号时，这时就可以启动有源射频识别标签的载波检测功能，这里需要指出的是，并不是所有的有源射频识别标签都有载波检测功能，在本实施例中需要用到具有载波检测功能的射频收发芯片，例如nRF24L01收发芯片。如果有源射频识别标签检测到载波，则进入步骤S13。
需要指出的是，如果在检测载波时，没有检测到载波，那么说明标签不再阅读器的通信范围内，那么有源射频识别标签也可以进入休眠模式。
S13：延迟预设时间，再次检测载波。
在步骤S12中检测到载波的情况下，说明有源射频识别标签是在阅读器的识别范围内，但是有别的标签也在和阅读器进行通信，从而对彼此造成干扰。这时，可以采用ALOHA算法的思想，延迟预设时间，这里的预设时间可以是随机数发生器产生的，也可以用软件模拟实现。然后再次启动载波检测。
进一步地，为了避免延迟时间太短，造成再次标签通信冲突，也就是标签碰撞的发生，可以将上述的预设时间设置为大于数据帧往还所述射频标签和阅读器之间的时间，从而在重新发送数据之前确保信道空闲，提高信道利用率，降低标签功耗。
指的指出的是，在一般的ALOHA算法中，并没有启动载波检测，而是直接发送数据，这样的风险是：标签之间很有可能再次碰撞。而在本步骤S13中采用重新发送数据信息前启动载波检测，则能有效避免这种情况。
S14：如果没有检测到载波，则进入步骤S11；如果检测到载波，则进入步骤S13。
在步骤S13中启动载波检测，如果没有检测到载波，则说明这时没有别的标签和阅读器通信，则本有源射频识别标签可以重新发送数据信息和阅读器进行交互，也就是进入步骤S11；如果检测到载波，则说明这时有别的标签正在和阅读器通信，则本有源射频识别标签不去干扰对方的通信，而自身延迟预设时间，等待再次检测载波，直到检测不到载波再进行通信，也就是进入步骤S13。
以上所述实施例中的方法，结合ALOHA算法的思想和有源射频识别标签的的载波检测功能相结合在ALOHA算法延迟预设时间后，再次检测载波，在判断到没有别的有源射频识别标签和阅读器交互的情况下，才再次发送数据，从而能够进一步降低ALOHA算法的碰撞几率，提高通信效率。
请参考图2，图2为图2为本发明第二种具体实施例所提供的标签防碰撞方法的重复发送数据信息流程图。
在本发明的第二种具体实施例中，将重点对第一种具体实施例中步骤S11进行进一步阐述。
步骤S11可以包括：
S111：发送数据信息。
S112：等待接收响应于所述数据信息的应答信号。
本实施例的步骤S111、S112与第一种具体实施例中的发送数据信息，等待接收响应于所述数据信息的应答信号并没有太大差异，这里不做赘述。
S113：如果没有接收到应答信号，则重新发送所述数据信息，并进入步骤S112，直到达到重新发送所述数据信息的预设次数，如果仍没有接受到应答信号，则进入步骤S12。
为了避免环境中偶然因素对有源射频识别标签与阅读器之间的通信产生的干扰，在本发明的第二种具体实施例中，重点阐述如何进行多次重发数据信息。在发送完数据信息，之后等待接收数据信息时，如果没有接收到应答信号，则重新发送所述数据信息，并进入步骤S112，直到达到重新发送所述数据信息的预设次数，如果仍没有接受到应答信号，则进入到第一种实施例的步骤S12。
进一步地，上述数据信息的重发在有源射频识别标签中，一般有专门的重发模块来完成，而且在设置重新发送所述数据信息的预设次数时，也不宜设置的太大，一般以3次至5次为宜。
本发明第二种实施例所提供的第二种具体实施例所提供的标签防碰撞方法的重复发送数据信息流程，是在第一种具体实施例的基础上做出的进一步阐述。在本实施例中，当有源射频识别标签发送数据信息不能接收到应答信号时，能够自动重复发送数据信息直到预设次数，从而能够防止外界对某一次发送数据时的偶然干扰让系统产生误判，可能误判为标签碰撞，因为增加重复发送的次数，与原本发送数据信息较少相比，偶然干扰更小概率在每一次发送数据信息时都发生。
请参考图3，图3为本发明第二中具体实施例所提供的标签防碰撞方法的流程图，
对于一个具体的有源射频识别标签来说，首先标签需要给系统上电，并初始化标签，一般地，这时并不立刻进入通信状态，所以标签进入休眠模式。
当MCU送来数据时，标签开始发送数据信息给阅读器，如果收到应答，则通信结束，标签一般进入休眠状态，如果没有收到应答信号，则进入数据信息多次重发模式，当达到重新发送数据信息的预设次数仍然没有收到应答信号，说明标签可能发生碰撞，也有可能是标签不再阅读器的通信范围内。这时通过检查载波的方法来确定，如果CD＝0，则说明没有载波，是标签不在阅读器的通信范围，这时标签可以进入休眠模式；如果CD＝1则说明有载波，发生了标签碰撞，这时延迟预设时间，然后再次检测载波，如果没有检测到载波，就可以再次发送数据信息；如果检测到载波，则再次延迟预设时间后，启动下次载波检测，直到检测不到载波时，再次发送数据。
更进一步地，为了进一步地提高通信效率，在所述有源射频识别标签收发数据帧的过程中：当在预设时间内所述有源射频识别标签的数据帧传输正确率超过预设阈值时采用连续传输定期应答模式作为通信协议，连续传输定期应答模式是一种通信时，连续传输多帧数据，然后在多帧数据传输完毕后，确定时间来统一应答的一种通信模式；当在预设时间内所述有源射频识别标签的数据帧传输正确率不超过所述预设阈值时采用SW-ARQ模式作为通信协议。通过统计分析一段时间内正确应答和错误应答数量来确定通信信道的好坏，若信道环境良好，则使用连续传输定期应答模式。反之，则使用SW-ARQ通信模式。
SW-ARQ通信模式能够应用于较差的通信信道是因为，在通信时，当收方收到一个正确的数据帧后，便会向发送方发送一个确认帧ACK,表示发送的数据正确接收。当发送方收到确认帧后才能发送一个新的数据帧，这样就实现了接收方对发送方的流量控制。由于通信线路质量各方面的影响，数据帧从发送方到接收方传输的过程中可能会出现差错。为了保证数据的正确性和完整性，接收方在收到数据后，会用一定的方法对接收到的数据进行差错检验，所以接收方很容易检测出收到的数据帧是否出现差错。当接收方发现收到的数据出现差错时，就会向发送方发送一个否认帧NACK,表示对方发送的数据错误。发送方会根据接收方发来的信息做出相应的操作。采用这样的有效的检错机制，数据链路层可以对上面的网络层提供了可靠的传输的服务。
请参考图4，图4为本发明具体实施例所提供的有源射频识别标签的硬件原理图。
本发明还提供一种有源射频识别标签，包括处理芯片，无线射频收发芯片以及外围电路，所述处理芯片通过执行内部存储的标签防碰撞程序以控制所述无线射频收发芯片执行本发明所提供的第一种具体实施例、第二种具体实施例中的标签防碰撞方法。
优选地，所述无线射频收发芯片为nRF24L01收发芯片。
nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM(IndustrialScientific Medical，工业，科学和医用频段)频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”(突发通信)模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI(SerialPeripheral Interface,串行外设接口)接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
优选地，所述外围电路的晶体振荡电路采用16MHz晶振。
为了降低电路功耗、快速启动电路，所述晶体振荡电路的电容可以采用33pF的电容，当然，为了更好的降低功耗、快速启动电路，本实施例也可以选择3.3pF的电容。
请参考图5，图5为本发明具体实施例所采用nRF24L01收发芯片数据包格式示意图。
如图5所示，nRF24L01收发芯片在增强型ShockBurst^TM模式下链路层通信数据包由前导码、地址、数据包标志位、有效数据和CRC校验位五部分组成。
其中前导码和CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码)校验位在数据发射前由硬件电路自动生成，接收数据自动剥离。其中地址、数据和CRC校验都可以通过nRF24l01收发芯片的寄存器来配置。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种标签防碰撞方法及有源射频识别标签进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种标签防碰撞方法，其特征在于，应用于有源射频识别标签，包括：
S11：向阅读器发送自身的数据信息；等待接收响应于所述数据信息的应答信号，如果没有接收到应答信号则进入步骤S12；
S12：检测载波；如果检测到载波则进入步骤S13；
S13：延迟预设时间，再次检测载波；
S14：如果没有检测到载波，则进入步骤S11；如果检测到载波，则进入步骤S13；
所述预设时间大于数据帧往还所述有源射频识别标签和阅读器之间的时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S11，包括：
S111：发送数据信息；
S112：等待接收响应于所述数据信息的应答信号；
S113：如果没有接收到应答信号，则重新发送所述数据信息，并进入步骤S112，直到达到重新发送所述数据信息的预设次数，如果仍没有接受到应答信号，则进入步骤S12。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设次数为3次至5次。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S11中所述的发送数据信息，包括：
将所述数据信息写入所述有源射频识别标签的发射寄存器，置高所述有源射频识别标签的CE管脚，以发射所述数据信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S11中所述的等待接收响应于所述数据信息的应答信号，包括：
发送完所述数据信息后切换到接收模式，等待响应于所述数据信息的应答信号。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，在所述有源射频识别标签收发数据帧的过程中：
当在预设时间内所述有源射频识别标签的数据帧传输正确率超过预设阈值时采用连续传输定期应答模式作为通信协议；
当在预设时间内所述有源射频识别标签的数据帧传输正确率不超过所述预设阈值时采用SW-ARQ模式作为通信协议。
7.一种有源射频识别标签，包括处理芯片，无线射频收发芯片以及外围电路，其特征在于，所述处理芯片通过执行内部存储的标签防碰撞程序以控制所述无线射频收发芯片执行如权利要求1至6任一项所述的标签防碰撞方法。
8.根据权利要求7所述的有源射频识别标签，其特征在于，所述无线射频收发芯片为nRF24L01收发芯片。
9.根据权利要求7所述的有源射频识别标签，其特征在于，
所述外围电路的晶体振荡电路采用16MHz晶振；
和/或
所述晶体振荡电路的电容大小为3.3pF。
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