CN112749572B - 一种降低标签丢失率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低标签丢失率的方法，包括阅读器对标签进行分组，并发出分组指令给标签；阅读器根据分组后的标签，判断是否进行标签识别，若是，阅读器通过预约帧和双响应来对分组后的标签进行识别，并发出识别指令给标签，若否，结束标签识别过程。降低了标签丢失率，相同条件下能够识别更多的标签。

Description

一种降低标签丢失率的方法
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种降低标签丢失率的方法。
背景技术
RFID是一种新兴的远距离识别技术，具有识别时间短，保密性好，数据存储量大的优点，有着广泛的应用场景。RFID是通过阅读器来对其识别区域内的标签发送射频信号，标签在接收到射频信号后反射回自身携带的ID信息，从而达到远距离识别的目。其中每个标签都携带有唯一的标识符，以便于与其它的标签进行区别。标签识别大都在同一信道中进行，而这非常容易产生信号冲突，导致标签和阅读器之间无法正常进行通信。
伴随着射频识别技术应用的发展，时分多路(TDMA)标签防碰撞算法应运而生。时分多路法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。对RFID系统来说，TDMA是防碰撞算法中最易实现和最常使用的方法。而在TDMA中，纯ALOHA算法是最简单也是最基本的算法。该算法采用“标签先发言”的方式，即标签一旦进入阅读器的阅读范围内就自动向阅读器发送自身的ID信息。在电子标签发送数据的过程，若有其他电子标签也在发送数据，那么信号可能在共享的无限信道内发生冲突。阅读器检测标签发送的信号有无冲突，一旦发送冲突，阅读器就会发送指令让电子标签停止发送自身的信息，碰撞的标签随机等待一段时间后再重新发送数据以减小发生碰撞的概率。在纯ALOHA算法中，标签会产生部分碰撞或完全碰撞。相对于完全碰撞而言，部分碰撞会浪费更多的识别时间，因此产生了时隙ALOHA算法。时隙ALOHA算法是在纯ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散的时隙，并且每个时隙的长度大于一个标签和阅读器完成数据交换所需的时间长度，每个时隙长度由系统时钟控制，各控制单元必须与此时钟同步。对于采用时隙ALOHA算法的RFID系统，标签发送信息的起始点不能任意，只能在一个时隙的起始处。因此标签发送的信息要么不碰撞，要么完全碰撞。时隙ALOHA算法虽减小了标签碰撞几率，但对于某些碰撞标签进行频繁的处理，造成时隙浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低标签丢失率的方法，降低了标签丢失率，相同条件下能够识别更多的标签。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供了一种降低标签丢失率的方法，包括：
阅读器对标签进行分组，并发出分组指令给标签；
阅读器根据分组后的标签，判断是否进行标签识别，若是，阅读器通过预约帧和双响应来对分组后的标签进行识别，并发出识别指令给标签，若否，结束标签识别过程。
进一步地，阅读器对标签进行分组的方法包括：
阅读器对标签进行分组并计算出分组数k，创建循环链表；
阅读器根据计算出的分组数k得出发送分组命令的时间间隔ts，创建队列Queue和辅助结点List，辅助结点List指向循环链表表头，辅助结点List内部的值用Q表示，用来存放分组数；
阅读器创建数值型数据t，其与系统时间同步累加，阅读器对数据t使用中断机制，与计算出的时间间隔ts进行比较：
当t≥ts时，阅读器向识别区域内的标签发送分组指令SendGroup(Q)，同时其内部将Q值加入到队列Queue中，最后辅助结点List指向循环链表的下一结点，数值型数据t清零并继续与系统时间同步累加；当t<ts时，阅读器继续监控数据。
进一步地，阅读器对标签进行分组并计算出分组数k，创建循环链表的方法包括：
阅读器根据标签的移动速度v和识别区域的长度s以及每秒进入识别区域的标签的个数为n′，由相应的公式计算出分组数k；
为了使每组中的未识别标签数不超过256个，组数k的计算公式为
根据计算出的分组数k来创建长度为k的循环链表，链表中每个结点的值依次从1到k，互不重复。
进一步地，ts的计算公式为：
式中，k为分组数；v为标签的移动速度；s为识别区域的长度。
进一步地，判断是否进行标签识别的方法包括：
判断队列Queue的长度是否等于0；
若等于0，则结束标签识别过程；
若不等于0，则执行POP指令，从队列Queue中读取Q值，进行标签识别。
进一步地，通过预约帧和双响应来对分组后的标签进行识别的方法包括：
阅读器首次执行标签识别时，下一帧帧长L默认为256；
阅读器非首次执行标签识别时，根据帧长预测公式计算出下一帧帧长L；
阅读器根据读取到的Q值和计算得到的帧长L向识别区内的Q组标签发送帧时隙选择指令Select(L,Q)，阅读器接收标签返回的预约帧并创建数值型数据d，d的初始值为1；
阅读器根据接收到的预约帧来判断帧中哪个时隙为空闲时隙，从而跳过空闲时隙；
阅读器判断对第d个时隙中的标签是否能被识别。
进一步地，帧长预测公式如下：
式中，tL表示上一帧所花费的时间；ts是分组的时间段；C是上一帧中碰撞的时隙数；k是计算出的全部分组的总组数；L是预测的下一帧的帧长；LQ是队列Queue的长度，表示待识别的标签分组个数，1≤LQ<k是针对标签所处的组在识别区域中移动的情况，LQ＝k是针对标签所处的组正离开识别区域的情况。
进一步地，阅读器判断对第d个时隙中的标签是否能被识别的方法包括：
阅读器判断d是否大于L：
若大于L，则表示一帧识别完毕，继续判断是否进行标签识别；
若小于L，判断接收到的预约帧的第d位是否发生碰撞：
若发生碰撞，阅读器向识别区域内的标签发送选择的Identify(d，Q)指令，并且执行d++；
若未发生碰撞，则执行d++，返回判断d是否大于L；
阅读器执行Identify(d，Q)指令，继续判断接收到的标签ID是否发送碰撞；
若发生碰撞，阅读器读取返回ID信息的最高碰撞位的位数p，并向该碰撞时隙中的标签发送DoubleRe(d,Q,p,0)；
若未发生碰撞，阅读器向已经完成识别的标签发送Silence指令，将该标签标记成已识别标签，返回判断d是否大于L；
阅读器执行DoubleRe(d,Q,p,0)命令，判断接收到的标签ID是否发送碰撞：
若发生碰撞，阅读器继续向该时隙中的标签发送DoubleRe(d,Q,p,1)；
若未发生碰撞，阅读器向已经完成识别的标签发送Silence指令，将该标签标记成已识别标签，返回判断d是否大于L；
阅读器执行DoubleRe(d,Q,p,1)命令，判断接收到的标签ID是否发送碰撞：
若发生碰撞，返回判断d是否大于L；
若未发生碰撞，成功识别标签，阅读器向已经完成识别的标签发送Silence指令，将该标签标记成已识别标签，返回判断d是否大于L。
上述方法中各指令及其涉及参数的解释如下：
SendGroup(Q)：阅读器对识别区域内的标签进行分组，参数Q表示分组号。
Select(L,Q)：识别区内第Q组标签选择帧时隙，标签读取指令中的L值并在1～L间随机选择一个数，然后根据随机选择的数生成与其对应的预约帧发送给阅读器。
Identify(d,Q)：分组号为Q、时隙数为d的标签向阅读器返回自身的ID信息。
DoubleRe(d,Q,p,0)：分组号为Q、时隙数为d、碰撞位p为0的标签向阅读器返回自身的ID信息。
DoubleRe(d,Q,p,1)：分组号为Q、时隙数为d、碰撞位p为1的标签向阅读器返回自身的ID信息。
Silence：标签的ID信息已被阅读器完整地接收，标签处于沉默状态，不再响应阅读器的指令。
本发明的有益效果如下：
降低了标签丢失率，相同条件下能够识别更多的标签。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的流程图；
图2为根据本发明实施例提供的标签传送模型图；
图3为根据本发明实施例提供的3bit二进制时隙数与独热码的转换机制图；
图4为根据本发明实施例NFS-DS算法与现有FSA,PFSA算法对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参照图1至图4，算法中阅读器端的执行可以分成两个部分，分别为标签分组和标签识别。其中标签分组和标签识别是同步进行的，标签分组主要是通过内部的循环链表和时间段来对进入识别区域的标签发送分组指令，此过程在整个识别过程中持续进行。标签识别与标签分组同步进行，主要通过预约帧和双响应来对已经分好组的标签进行识别。其中标签分组的具体执行步骤如下所示：
步骤1：阅读器执行初始化操作。阅读器首先根据标签的移动速度v和识别区域的长度s以及每秒进入识别区域的标签的个数为n′，由相应的公式计算出分组数k。为了使每组中的未识别标签数不超过256个，组数k的计算公式为同时根据计算出的分组数k来创建长度为k的循环链表，链表中每个结点的值依次从1到k，互不重复；
步骤2：阅读器根据标签的移动速度v和识别区域的长度s以及分组数k，计算出ts，计算公式为同时创建队列Queue和辅助结点List，结点List指向循环链表表头，结点List内部的值用Q表示，用来存放分组数；
步骤3：阅读器创建数值型数据t，其与系统时间同步累加。阅读器对数据t使用中断机制。当t≥ts时，阅读器向识别区域内的标签发送分组指令SendGroup(Q)。同时其内部将Q值加入到队列Queue中。最后辅助结点List指向循环链表的下一结点，数值型数据t清零并继续与系统时间同步累加；当t<ts时，阅读器继续监控数据t；
阅读器在执行完首轮标签分组后，其标签识别过程就同步进行展开，其具体执行步骤如下：
步骤4：阅读器判断队列Queue的长度是否等于0。等于0，则结束标签识别过程；不等于0，则执行POP指令，从队列Queue中读取Q值。当阅读器首次执行标签识别时，其下一帧帧长L默认为256；阅读器非首次执行标签识别时，其根据帧长预测公式预测出下一帧帧长L；
帧长预测公式为：
上式中tL表示上一帧所花费的时间，ts是分组的时间段，C是上一帧中碰撞的时隙数，k是计算出的全部分组的总组数，L′是预测的下一帧的帧长。其中LQ是队列Queue的长度，表示待识别的标签分组个数，1≤LQ<k是针对标签所处的组在识别区域中移动的情况，LQ＝k是针对标签所处的组正离开识别区域的情况；
步骤5：阅读器向识别区内的Q组标签发送帧时隙选择指令Select(L,Q)。然后阅读器接收标签返回的预约帧并创建数值型数据d，d的初始值为1；
预约帧是指标签在帧中随机选取一个时隙后，将选取的时隙数通过映射机制转换成独热码，再将独热码通过曼彻斯特编码的格式发送给阅读器，阅读器根据接收到的预约帧来判断帧中哪个时隙为空闲时隙，从而跳过空闲时隙。3bit二进制时隙数与独热码的转换机制如图2所示。
步骤6：阅读器判断d是否大于L。大于L，则表示一帧识别完毕，转到步骤4继续执行；小于L，阅读器则继续根据曼彻斯特码的碰撞机制判断接收到的预约帧的第d位是否发生碰撞，若发生碰撞，阅读器向识别区域内的标签发送选择的时隙数d和分组数Q，即Identify(d，Q)，并且执行d++，继续执行步骤7；若未发生碰撞，则执行d++，继续执行步骤6；
步骤7：阅读器接收标签返回的ID信息，如果未发生碰撞，则表示阅读器完整的接收了该标签的ID信息，阅读器向已经完成识别的标签发送沉默指令Silence，将该标签标记成已识别标签，然后继续执行步骤6；如果发生碰撞，阅读器读取返回ID信息的最高碰撞位的位数p，并向该碰撞时隙中的标签发送碰撞位p和数值f，即Double Re(d,Q,p,0)，然后继续执行步骤8；
步骤8：阅读器接收标签返回的ID信息，如果发生碰撞，则继续向该时隙中的标签发送碰撞位p和数值f，即DoubleRe(d,Q,p,1)，然后执行步骤9；如果未发生碰撞，则表示阅读器完整的接收了标签的ID信息，阅读器向该标签发送沉默指令Silence，将该标签标记成已识别标签，然后继续执行步骤6；
步骤9：阅读器接收标签返回的ID信息，如果发生碰撞，则转到步骤6继续执行；如果未发生碰撞，则表示阅读器完整的接收了标签的ID信息，因此阅读器向该标签发送沉默指令Silence，然后继续执行步骤6；
当标签端收到阅读器端发送的指令后，其具体步骤如下：
步骤10：标签读取自身的寄存器tags，如果值为1，则表示该标签已被识别，忽略掉该条指令；如果值为0，表示该标签还未被识别，继续执行步骤11；
步骤11：标签判断是否接收到SendGroup(Q)指令。接收到，则判断寄存器tag1中的值是否大于0，如果大于0，则表示该标签已被分组，忽略掉该条指令；如果等于0，则表示该标签还没被分组，然后标签读取指令中的Q值，将其赋值给寄存器tag1。如果未接收到，则继续执行步骤12；
步骤12：标签判断是否接收到Select(L，Q)指令。接收到，则读取指令中的Q值将其与寄存器tag1的值相比，如果相等，则表示是识别标签，标签读取指令中的L值并在1～L间随机选择一个数，存入到寄存器tag2中，然后根据随机选择的数生成与其对应的预约帧发送给阅读器；如果不相等，则表示不是该识别组标签，忽略掉该条指令。如果未接收到，则继续执行步骤13；
步骤13：标签判断是否接收到Identify(d，Q)指令。接收到，则读取指令中的Q值将其与寄存器tag1的值相比，如果相等，则表示是识别组标签，标签继续读取指令中的d值将其与寄存器tag2的值相比，如果相等，则表示是该时隙，标签向阅读器返回自身的ID信息；如果d值和tag2的值不相等，则表示不是该时隙，忽略掉该条指令；如果Q值与tag1的值不相等，则表示不是识别组标签，忽略掉该条指令；如果未接收到该条指令，则继续执行步骤14；
步骤14：标签判断是否接收到DoubleRe(d,Q,p,f)指令。接收到，则先读取指令中的d值和Q值，然后将d值和Q值分别于寄存器tag2和寄存器tag1的值相比，两者不全相等，则忽略掉该条指令；两者全相等，则继续读取指令中的p值和f值，并将自身ID信息中的第p位的值与f进行相比，如果相等，则向阅读器返回自身的ID信息；如果不相等，则忽略掉该条指令。如果未接收到，则继续执行步骤15；
步骤15：标签判断是否接收到Silence指令。接收到，则将寄存器tags置1；如果未接收到，则忽略掉该条指令；
为了验证本发明能有效降低标签丢失率，通过MATLAB仿真验证本算法(NFS-DS)在动态系统中未应用分组识别的帧时隙算法(FSA)及在动态系统中应用分组识别但未采取帧长、预约帧、双响应措施的帧时隙算法(PFSA)进行仿真对比。标签的移动速度v取值范围为0.1～1.5m/s，识别区的长度s取值为10m，标签密度n取值为500tag/m，实验中仿真步长为0.1m/s，每步的仿真次数为20，阅读器想标签发送各种指令的时隙为24bit，用于标签向阅读器返回自身信息的时隙为128bit，移入标签总数为5000，时隙间隔0.4ms，数据传输速度40kbit/s，预约帧256bit。
其仿真结果图如图3所示。从仿真结果看，在标签移动速度相同时，FSA算法的丢失率最大，PFSA算法的丢失率次之，而NFS-DS算法的丢失率最小，表明循环分组以及动态帧长、预约帧、双响应措施在标签移动速度发生变化时都对降低标签丢失率起到了重要的作用。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种降低标签丢失率的方法，其特征在于，包括：
阅读器对标签进行分组，并发出分组指令给标签；
阅读器根据分组后的标签，判断是否进行标签识别，若是，阅读器通过预约帧和双响应来对分组后的标签进行识别，并发出识别指令给标签，若否，结束标签识别过程；
阅读器对标签进行分组的方法包括：
阅读器对标签进行分组并计算出分组数k，创建循环链表；
阅读器根据计算出的分组数k得出发送分组命令的时间间隔ts，创建队列Queue和辅助结点List，辅助结点List指向循环链表表头，辅助结点List内部的值用Q表示，用来存放分组数；
阅读器创建数值型数据t，其与系统时间同步累加，阅读器对数据t使用中断机制，与计算出的时间间隔ts进行比较：当t≥ts时，阅读器向识别区域内的标签发送分组指令SendGroup(Q)，同时其内部将Q值加入到队列Queue中，最后辅助结点List指向循环链表的下一结点，数值型数据t清零并继续与系统时间同步累加；当t<ts时，阅读器继续监控数据；
通过预约帧和双响应来对分组后的标签进行识别的方法包括：
阅读器首次执行标签识别时，下一帧帧长L默认为256；
阅读器非首次执行标签识别时，根据帧长预测公式计算出下一帧帧长L；
阅读器根据读取到的Q值和计算得到的帧长L向识别区内的Q组标签发送帧时隙选择指令Select(L,Q)，阅读器接收标签返回的预约帧并创建数值型数据d，d的初始值为1；
阅读器根据接收到的预约帧来判断帧中哪个时隙为空闲时隙，从而跳过空闲时隙；
阅读器判断对第d个时隙中的标签是否能被识别；
阅读器判断对第d个时隙中的标签是否能被识别的方法包括：
阅读器判断d是否大于L：
若大于L，则表示一帧识别完毕，继续判断是否进行标签识别；
若小于L，判断接收到的预约帧的第d位是否发生碰撞：
若发生碰撞，阅读器向识别区域内的标签发送选择的Identify(d，Q)指令，并且执行d++；
若未发生碰撞，则执行d++，返回判断d是否大于L；
阅读器执行Identify(d，Q)指令，继续判断接收到的标签ID是否发送碰撞；
若发生碰撞，阅读器读取返回ID信息的最高碰撞位的位数p，并向该碰撞时隙中的标签发送DoubleRe(d,Q,p,0)；
若未发生碰撞，阅读器向已经完成识别的标签发送Silence指令，将该标签标记成已识别标签，返回判断d是否大于L；
阅读器执行DoubleRe(d,Q,p,0)命令，判断接收到的标签ID是否发送碰撞：
若发生碰撞，阅读器继续向该时隙中的标签发送DoubleRe(d,Q,p,1)；
若未发生碰撞，阅读器向已经完成识别的标签发送Silence指令，将该标签标记成已识别标签，返回判断d是否大于L；
阅读器执行DoubleRe(d,Q,p,1)命令，判断接收到的标签ID是否发送碰撞：
若发生碰撞，返回判断d是否大于L；
若未发生碰撞，成功识别标签，阅读器向已经完成识别的标签发送Silence指令，将该标签标记成已识别标签，返回判断d是否大于L；
上述方法中涉及的指令及其参数的含义为：
SendGroup(Q)：阅读器对识别区域内的标签进行分组，参数Q表示分组号；
Select(L,Q)：识别区内第Q组标签选择帧时隙，标签读取指令中的L值并在1～L间随机选择一个数，然后根据随机选择的数生成与其对应的预约帧发送给阅读器；
Identify(d,Q)：分组号为Q、时隙数为d的标签向阅读器返回自身的ID信息；
DoubleRe(d,Q,p,0)：分组号为Q、时隙数为d、碰撞位p为0的标签向阅读器返回自身的ID信息；DoubleRe(d,Q,p,1)：分组号为Q、时隙数为d、碰撞位p为1的标签向阅读器返回自身的ID信息；Silence：标签的ID信息已被阅读器完整地接收，标签处于沉默状态，不再响应阅读器的指令。
2.根据权利要求1所述的一种降低标签丢失率的方法，其特征在于，阅读器对标签进行分组并计算出分组数k，创建循环链表的方法包括：
阅读器根据标签的移动速度v和识别区域的长度s以及每秒进入识别区域的标签的个数为n′，由相应的公式计算出分组数k；
为了使每组中的未识别标签数不超过256个，组数k的计算公式为
根据计算出的分组数k来创建长度为k的循环链表，链表中每个结点的值依次从1到k，互不重复。
3.根据权利要求2所述的一种降低标签丢失率的方法，其特征在于，时间间隔ts的计算公式为：
式中，k为分组数；v为标签的移动速度；s为识别区域的长度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种降低标签丢失率的方法，其特征在于，判断是否进行标签识别的方法包括：
判断队列Queue的长度是否等于0；
若等于0，则结束标签识别过程；
若不等于0，则执行POP指令，从队列Queue中读取Q值，进行标签识别。
5.根据权利要求1所述的一种降低标签丢失率的方法，其特征在于，帧长预测公式如下：
式中，tL表示上一帧所花费的时间；ts是分组的时间段；C是上一帧中碰撞的时隙数；k是计算出的全部分组的总组数；L是预测的下一帧的帧长；LQ是队列Queue的长度，表示待识别的标签分组个数，1≤LQ<k是针对标签所处的组在识别区域中移动的情况，LQ＝k是针对标签所处的组正离开识别区域的情况。
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