CN110210266A - 一种五叉树搜索rfid防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五叉树搜索RFID防碰撞方法，针对现有RFID防碰撞算法搜索次数多、搜索速度慢等问题，设置一种五进制编码，将阅读器到标签的数据使用曼彻斯特码，标签返回阅读器的数据使用五进制码。阅读器通过准确检测碰撞位，对标签进行逐级分类搜索，减少了碰撞时隙，完全消除了空闲时隙，不需要任何附加查询时隙。本发明具有较少的总时隙数以及较高的搜索效率和搜索速率。

Description

一种五叉树搜索RFID防碰撞方法

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，具体涉及一种五叉树搜索RFID防碰撞方法的设计。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触自动识别技术，是物联网的关键技术之一，射频识别技术具有非接触、可穿透、可重复、抗污染、存储量大等优点，广泛应用于交通、物流、零售、医疗、航空等领域。RIFD系统通常由阅读器、标签和天线组成，阅读器和标签共享同一个信道，当多个标签同时向同一个阅读器发送数据时，就会相互冲突，这就是标签的碰撞问题。

防碰撞算法主要是基于时分多路算法，可分为基于ALOHA的概率性算法和基于树型搜索的确定性算法，ALOHA算法相对简单，但存在随机性大、效率不高、性能不稳定等问题，并且存在由于标签长时间内不被识别而引起的“饥饿”问题；树形算法是确定性算法，不存在“饥饿”问题，但在标签数量较大的情况下，存在搜索时延较长等问题。

树形搜索又可分为二叉树搜索和多叉树搜索，典型的二叉树算法有：基本二进制搜索树(Binary Search，BS)算法、动态二进制搜索树(Dynamic binary search，DBS)算法、查询树(Query Tree，QT)算法、碰撞树(Collision Tree，CT)算法。这些算法通过二叉树轮询方式对标签进行遍历，可以百分之百识别标签。

二叉树搜索可以避免空闲时隙，但存在较多的碰撞时隙；为了减少碰撞时隙，很多学者对多叉树进行了研究，李宝山先生提出了一种改进的二进制搜索算法，利用最高两个碰撞位进行四叉树搜索，减少了碰撞时隙，但空闲时隙也增加了；为了消除多叉树的空闲时隙，王雪女士提出了一种改进的树形结构防碰撞算法，通过对最高两个碰撞位进行查询，避免了空闲时隙，但增加了识别碰撞位具体信息的查询时隙；韦冬雪先生提出了一种基于搜索树的增强型防碰撞算法：EBST算法，当最高碰撞位不连续时，选择二叉树搜索，当有两个连续的最高碰撞位时，选择4叉树搜索，当有3个和3个以上的连续最高碰撞位时，选择8叉树搜索，但在多叉树搜索时，存在附加查询时隙。

因此，传统的多叉树防碰撞算法存在空闲时隙或者附加查询时隙，如果能够完全消除多叉树的空闲时隙和附加查询时隙，就可以大大减少总时隙。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的多叉树防碰撞算法存在空闲时隙或者附加查询时隙的问题，提出了一种五叉树搜索RFID防碰撞方法，可以完全消除空闲时隙，也不需要附加查询时隙。

本发明的技术方案为：一种五叉树搜索RFID防碰撞方法，包括以下步骤：

S1、在RFID阅读器中设置堆栈，并初始化堆栈为空。

S2、通过RFID阅读器向RFID标签发送空前缀ε。

S3、RFID阅读器作用范围内的所有RFID标签响应命令，并将五进制码标签ID序列号发送给RFID阅读器。

S4、在RFID阅读器中判断五进制码标签ID序列号是否存在碰撞位，若是则进入步骤S5，否则进入步骤S6。

S5、将最高碰撞位对应的五进制码标签ID序列号转化为曼彻斯特码，并将其作为前缀分别存入堆栈，进入步骤S7。

S6、识别得到一个RFID标签，进入步骤S7。

S7、取出堆栈的栈首数据。

S8、判断堆栈是否为空，若是则结束流程，否则进入步骤S9。

S9、将栈首数据作为前缀发送给RFID标签，并在RFID标签中将前缀信息转化为五进制码前缀。

S10、五进制码标签ID序列号与五进制码前缀相符合的RFID标签响应命令，并将五进制码前缀以后的五进制码标签ID序列号发送给RFID阅读器，返回步骤S4。

进一步地，堆栈用于存储每次搜索的最高碰撞位数据，并且按先进后出的原则存取数据。

进一步地，五进制码的编码方式具体为：

一个五进制码的任何一个数据位分为5个时间间隔相等的电平，其中包括4个低电平和1个高电平，高电平在最低位表示五进制码的“0”，高电平在次低位表示五进制码的“1”，高电平在中间位表示五进制码的“2”，高电平在次高位表示五进制码的“3”，高电平在最高位表示五进制码的“4”。

进一步地，步骤S4中判断五进制码标签ID序列号是否存在碰撞位的具体方法为：

当RFID阅读器作用范围内全部或部分RFID标签同时发送五进制码标签ID序列号数据时，判断五进制码标签ID序列号中的某一数据位是否有两个或两个以上的高电平，若是则存在碰撞位，否则不存在碰撞位。

进一步地，步骤S5中将五进制码标签ID序列号转化为曼彻斯特码的公式为：

A₀*2⁰+A₁*2¹+...+A_H-12^H-1＝B₀*5⁰+B₁*5¹+...+B_L-1*5^L-1 (1)

其中A_H-1…A_h…A₁A₀表示长度为H的曼彻斯特码，B_L-1…B_l…B₁B₀表示长度为L的五进制码标签ID序列号，A_h∈{0,1}，B_l∈{0,1,2,3,4}，h＝0,1,2,...,H-1，l＝0,1,2,...,L-1。

进一步地，步骤S9中将前缀信息转化为五进制码前缀的公式为：

C₀*5⁰+C₁*5¹+...+C_I-1*5^I-1＝D₀*2⁰+D₁*2¹+...+D_J-12^J-1 (2)

其中C_I-1…C_i…C₁C₀表示长度为I的五进制码前缀，D_J-1…D_j…D₁D₀表示长度为J的曼彻斯特码前缀信息，C_i∈{0,1,2,3,4}，D_j∈{0,1}，i＝0,1,2,...,I-1，j＝0,1,2,...,J-1。

本发明的有益效果是：本发明通过设置一种新的五进制编码，并将其应用于五叉树的防碰撞方法，解决了多叉树中空闲时隙、碰撞时隙、查询时隙、通信复杂度之间的矛盾，不仅具有较少的总时隙数，也具有较小的通信复杂度。本发明具有较少的碰撞时隙，完全消除了空闲时隙，也不需要附加查询时隙，是一种新颖高效的防碰撞方法，具有较大的理论价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种五叉树搜索RFID防碰撞方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的五进制码检测碰撞位示意图。

图3所示为本发明实施例提供的总时隙数对比图。

图4所示为本发明实施例提供的吞吐率对比图。

图5所示为本发明实施例提供的通信复杂度对比图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种五叉树搜索RFID防碰撞方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S10：

S1、在RFID阅读器中设置堆栈，并初始化堆栈为空。

堆栈用于存储每次搜索的最高碰撞位数据，并且按先进后出的原则存取数据。

S2、通过RFID阅读器向RFID标签发送空前缀ε。

S3、RFID阅读器作用范围内的所有RFID标签响应命令，并将五进制码标签ID序列号发送给RFID阅读器。

本发明实施例中，提出一种五进制码，其编码方式具体为：

一个五进制码的任何一个数据位分为5个时间间隔相等的电平，其中包括4个低电平和1个高电平，高电平在最低位表示五进制码的“0”，高电平在次低位表示五进制码的“1”，高电平在中间位表示五进制码的“2”，高电平在次高位表示五进制码的“3”，高电平在最高位表示五进制码的“4”。

例如，五进制码：“410”，其中的“0”用电平“00001”表示，“1”用电平“00010”表示，“4”用电平“10000”表示。

S4、在RFID阅读器中判断五进制码标签ID序列号是否存在碰撞位，若是则进入步骤S5，否则进入步骤S6。

五进制码的一个数据位可以分为五个等时间间隔，只有一个为高电平，另外4个为低电平，如果在一个数据位出现一个以上的高电平，则为非法数据位。

因此，当RFID阅读器作用范围内全部或部分RFID标签同时发送五进制码标签ID序列号数据时，判断五进制码标签ID序列号中的某一数据位是否有两个或两个以上的高电平，若是则存在碰撞位，否则不存在碰撞位。

碰撞数据位可以用X₀₁₂来表示，其中：X表示碰撞位，下标012表示五进制码的“0”、“1”、“2”发生了碰撞，同理，X₁₄表示该位为同时收到“1”和“4”的碰撞位。

假设有3个标签，五进制码分别为：“130”、“231”、“334”，当同时向RFID阅读器发送数据，RFID阅读器收到数据为：X₁₂₃ 3X₀₁₄，如图2所示。

S5、将最高碰撞位对应的五进制码标签ID序列号转化为曼彻斯特码，并将其作为前缀分别存入堆栈，进入步骤S7。

曼彻斯特码也叫相位编码，其编码方式是通过电平的改变来表示数值位，每一位的中间有一个跳变，从低到高跳变表示‘0’，从高到低跳变表示‘1’，即由电平“01”表示数据位‘0’，由电平“10”表示数据位‘1’，由于每一位都被调制成两个电平，数据传输速率只有调制速率的50％。

将五进制码标签ID序列号转化为曼彻斯特码的公式为：

A₀*2⁰+A₁*2¹+...+A_H-12^H-1＝B₀*5⁰+B₁*5¹+...+B_L-1*5^L-1 (1)

其中A_H-1…A_h…A₁A₀表示长度为H的曼彻斯特码，B_L-1…B_l…B₁B₀表示长度为L的五进制码标签ID序列号，A_h∈{0,1}，B_l∈{0,1,2,3,4}，h＝0,1,2,...,H-1，l＝0,1,2,...,L-1。

S6、识别得到一个RFID标签，进入步骤S7。

S7、取出堆栈的栈首数据。

S8、判断堆栈是否为空，若是则结束流程，否则进入步骤S9。

S9、将栈首数据作为前缀发送给RFID标签，并在RFID标签中将前缀信息转化为五进制码前缀。

将前缀信息转化为五进制码前缀的公式为：

C₀*5⁰+C₁*5¹+...+C_I-1*5^I-1＝D₀*2⁰+D₁*2¹+...+D_J-12^J-1 (2)

其中C_I-1…C_i…C₁C₀表示长度为I的五进制码前缀，D_J-1…D_j…D₁D₀表示长度为J的曼彻斯特码前缀信息，C_i∈{0,1,2,3,4}，D_j∈{0,1}，i＝0,1,2,...,I-1，j＝0,1,2,...,J-1。

S10、五进制码标签ID序列号与五进制码前缀相符合的RFID标签响应命令，并将五进制码前缀以后的五进制码标签ID序列号发送给RFID阅读器，返回步骤S4。

本发明实施例提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法是一个无空闲时隙且无需查询的五叉树防碰撞方法。使用五进制码的主要目的是当RFID标签给RFID阅读器发送数据时，RFID阅读器不仅能够检测到哪些数据位是碰撞位，还能知道碰撞位的具体数据信息；反过来，RFID阅读器给RFID标签发送数据信息时，则不需RFID标签对碰撞位进行精准的碰撞检测。在本发明实施例中，RFID标签到RFID阅读器的数据采用五进制码,RFID阅读器到RFID标签的数据采用曼彻斯特码。

当RFID标签向RFID阅读器发送数据时，根据五进制码特性，RFID阅读器可以识别出每个碰撞位是由“0”、“1”、“2”、“3”、“4”中的哪几个发生了碰撞，如：RFID阅读器收到某碰撞位为：X₀₁₃，则可判定该子集标签中该碰撞位是：0、1、3发生了碰撞，RFID阅读器根据最高碰撞位，把RFID标签分成几个子集，最多可以分为5个子集：0子集、1子集、2子集，3子集、4子集，把这几个子集的RFID标签前缀分别存入堆栈，RFID阅读器再按先进后出的规则弹出各子集前缀，分别对各子集RFID标签进行搜索，直到识别所有RFID标签。

下面以一个具体实施例对本发明的具体实现过程进行进一步描述。

假设有10个RFID标签，标签五进制码ID序列号为5位，如表1所示。

表1标签五进制码ID序列号

标签	ID号	标签	ID号
				A	21023	F	31034
B	10104	G	23031
				C	31030	H	21323
D	21123	I	10114
				E	10134	J	23041

本发明过程如表2所示，在整个搜索过程，没有空闲时隙，也无附加查询时隙，10个标签，总共只用了6个时隙，体现了极高的搜索效率。堆栈中存储的是响应标签子集最高碰撞位以前的曼彻斯特码前缀，括号内是五进制码前缀。时隙2-6返回标签数据不到5位，是由于前缀信息是RFID阅读器已知的信息，为了减少数据发送量，提高识别速度，不再发送前缀信息，仅发送前缀以后的数据位。在RFID阅读器检测到只有一个碰撞位时，由于RFID阅读器可以识别出该碰撞位具体数值，故可一次识别多个RFID标签。

表2本发明搜索过程

下面利用MATLAB软件对本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法(5ATS算法)和现有的几种有代表性的防碰撞算法进行仿真，仿真条件为：标签数：10-100个，标签二进制ID位数：96位，仿真100次取平均值。

QT算法是典型的二叉树算法，CT算法克服了QT算法，是广为认可的优秀二叉树算法，EBST算法是典型的无空闲时隙多叉树算法，DIHQT算法是典型的无附加查询时隙多叉树算法，下面把本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法和这些算法进行仿真对比。

如图3所示为各种防碰撞方法总时隙数对比图，由图3可见，QT算法总时隙数最高，本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法总时隙数最少，当标签数为100时，本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法总时隙数为153个，优于其他几种算法。这是由于QT算法存在较多的碰撞时隙和一定的空闲时隙，CT算法存在较多的碰撞时隙，EBST算法存在附加查询时隙，DIHQT算法存在空闲时隙，相比之下，本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法碰撞时隙较少，没有附加查询时隙和空闲时隙，总时隙数得到了有效的降低。

如图4所示为各种防碰撞方法吞吐率对比图，由图4可见，QT算法吞吐率最低，本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法吞吐率最高，当标签数为100时，本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法吞吐率为65％，具有更高的效率。

如图5所示为各种防碰撞方法通信复杂度对比图，由图5可见，QT算法的通信复杂度最高，EBST算法和DIHQT算法的通信复杂度比较接近，本发明提供的五叉树搜索RFID防碰撞方法具有最小的通信复杂度，当标签数为100时，通信复杂度为14835bit，具有更快的搜索速度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种五叉树搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在RFID阅读器中设置堆栈，并初始化堆栈为空；

S2、通过RFID阅读器向RFID标签发送空前缀ε；

S3、RFID阅读器作用范围内的所有RFID标签响应命令，并将五进制码标签ID序列号发送给RFID阅读器；

S4、在RFID阅读器中判断五进制码标签ID序列号是否存在碰撞位，若是则进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S5、将最高碰撞位对应的五进制码标签ID序列号转化为曼彻斯特码，并将其作为前缀分别存入堆栈，进入步骤S7；

S6、识别得到一个RFID标签，进入步骤S7；

S7、取出堆栈的栈首数据；

S8、判断堆栈是否为空，若是则结束流程，否则进入步骤S9；

S9、将栈首数据作为前缀发送给RFID标签，并在RFID标签中将前缀信息转化为五进制码前缀；

S10、五进制码标签ID序列号与五进制码前缀相符合的RFID标签响应命令，并将五进制码前缀以后的五进制码标签ID序列号发送给RFID阅读器，返回步骤S4。

2.根据权利要求1所述的五叉树搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述堆栈用于存储每次搜索的最高碰撞位数据，并且按先进后出的原则存取数据。

3.根据权利要求1所述的五叉树搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述五进制码的编码方式具体为：

一个五进制码的任何一个数据位分为5个时间间隔相等的电平，其中包括4个低电平和1个高电平，高电平在最低位表示五进制码的“0”，高电平在次低位表示五进制码的“1”，高电平在中间位表示五进制码的“2”，高电平在次高位表示五进制码的“3”，高电平在最高位表示五进制码的“4”。

4.根据权利要求3所述的五叉树搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S4中判断五进制码标签ID序列号是否存在碰撞位的具体方法为：

当RFID阅读器作用范围内全部或部分RFID标签同时发送五进制码标签ID序列号数据时，判断五进制码标签ID序列号中的某一数据位是否有两个或两个以上的高电平，若是则存在碰撞位，否则不存在碰撞位。

5.根据权利要求3所述的五叉树搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S5中将五进制码标签ID序列号转化为曼彻斯特码的公式为：

A₀*2⁰+A₁*2¹+...+A_H-12^H-1＝B₀*5⁰+B₁*5¹+...+B_L-1*5^L-1 (1)

其中A_H-1…A_h…A₁A₀表示长度为H的曼彻斯特码，B_L-1…B_l…B₁B₀表示长度为L的五进制码标签ID序列号，A_h∈{0,1}，B_l∈{0,1,2,3,4}，h＝0,1,2,...,H-1，l＝0,1,2,...,L-1。

6.根据权利要求3所述的五叉树搜索RFID防碰撞方法，其特征在于，所述步骤S9中将前缀信息转化为五进制码前缀的公式为：

C₀*5⁰+C₁*5¹+...+C_I-1*5^I-1＝D₀*2⁰+D₁*2¹+...+D_J-12^J-1 (2)

其中C_I-1…C_i…C₁C₀表示长度为I的五进制码前缀，D_J-1…D_j…D₁D₀表示长度为J的曼彻斯特码前缀信息，C_i∈{0,1,2,3,4}，D_j∈{0,1}，i＝0,1,2,...,I-1，j＝0,1,2,...,J-1。