CN113141572B - 一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法 - Google Patents
一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113141572B CN113141572B CN202110413759.2A CN202110413759A CN113141572B CN 113141572 B CN113141572 B CN 113141572B CN 202110413759 A CN202110413759 A CN 202110413759A CN 113141572 B CN113141572 B CN 113141572B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tag
- signal
- backscattering
- circuit
- code word
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000009432 framing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 238000000060 site-specific infrared dichroism spectroscopy Methods 0.000 claims description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 2
- BULVZWIRKLYCBC-UHFFFAOYSA-N phorate Chemical compound CCOP(=S)(OCC)SCSCC BULVZWIRKLYCBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000013068 supply chain management Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
- H04W4/02—Services making use of location information
- H04W4/023—Services making use of location information using mutual or relative location information between multiple location based services [LBS] targets or of distance thresholds
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
- G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
- G06K7/10009—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves
- G06K7/10297—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves arrangements for handling protocols designed for non-contact record carriers such as RFIDs NFCs, e.g. ISO/IEC 14443 and 18092
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
- H04W24/04—Arrangements for maintaining operational condition
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
- H04W4/80—Services using short range communication, e.g. near-field communication [NFC], radio-frequency identification [RFID] or low energy communication
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W74/00—Wireless channel access
- H04W74/08—Non-scheduled access, e.g. ALOHA
- H04W74/0808—Non-scheduled access, e.g. ALOHA using carrier sensing, e.g. carrier sense multiple access [CSMA]
- H04W74/0816—Non-scheduled access, e.g. ALOHA using carrier sensing, e.g. carrier sense multiple access [CSMA] with collision avoidance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明公开一种面向个人移动设备的Wi‑Fi射频识别标签，包括硬件电路和若干逻辑功能模块；硬件电路包括能量收集电路、信号检测电路、反向散射电路、逻辑电路、接收天线和反向散射天线；能量收集电路用于收集环境中射频信号能量为标签供电；信号检测电路用于检测是否有Wi‑Fi信号到达；反向散射电路用于执行反向散射调制；逻辑电路用于承载标签所有逻辑功能；接收天线供能量收集电路和信号检测电路使用，反向散射天线供反向散射电路使用；逻辑功能模块设置于逻辑电路中；包括码字转换与频谱搬移模块、异或编码模块、FCS修正模块、成帧模块和冲突避免协议模块；本发明的标签读取时个人移动设备都可以充当阅读器。
Description
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，涉及一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法。
背景技术
射频识别技术是使用射频信号自动识别和跟踪附着在物体上的标签的一种技术，由于射频识别技术使用的标签成本极低，适合大规模部署，因此射频识别技术在对象跟踪、资产监控等领域得到了广泛应用，未来在室内定位、物联网领域也有很大的应用前景[1]。
目前绝大多数的射频识别系统以反向散射技术为技术基础，属于反向散射通信系统[2]。一个反向散射通信系统由射频信号源、标签和接收器三部分构成，其中，射频信号源的作用是产生射频信号，给标签提供能量和调制使用的载波信号；标签通常是无源的，从射频信号源产生的射频信号中获取能量，在对射频信号源产生的射频信号进行反向散射的同时，把自己的信息调制到反向散射信号；接收器的作用是接收并解析含标签信息的反向散射信号，完成标签的识别。传统的射频识别系统中，射频信号源和接收器被集成在一起，称为阅读器(Reader)。
读取传统的射频识别标签需要专门的阅读器，不被流行的个人移动设备(智能手机、平板电脑、笔记本等)支持，因此迄今为止其范围使用仍然限于少数工业领域(例如，物流，仓库和医院等)[1]，在面向消费者的市场中并未得到广泛应用。为弥补这一差距，产业界和学术界都做出了巨大努力。
产业界中，Phychips公司开发了一种小型阅读器[3]，该阅读器可以通过智能手机的耳机插孔连接到智能手机，使智能手机共享读取RFID标签的能力。Alien科技公司发布了集成Wi-Fi和蓝牙模块的手持RFID阅读器ALR-S350[4]，上面有可以放置智能手机，阅读器读取到标签后通过Wi-Fi或蓝牙模块将读取到的标签信息发送给智能手机，使智能手机能够读取RFID标签，ImpinJ公司也有与之相似的解决方案，如TSL-1128[5]。
学术界中，香港理工大学的研究团队提出了TiFi系统[6]，TiFi利用标签电路中电路的非线性因素，通过阅读器读取标签时标签电路产生的3次谐波信号，实现了工作在840～960MHz的甚高频RFID到工作在2.4GHz的Wi-Fi的单向跨频通信，智能手机使用Wi-Fi模块接收标签产生的3次谐波信号完成RFID标签的读取。智能手机通过这种间接的方式实现RFID标签的读取。
上述产业界和学界的解决方案，都是在原来的RFID阅读器上添加能够与智能手机通信的通信模块，将阅读器读取到标签信息通过有线或无线的方式共享给智能手机，间接实现智能手机对RFID标签的读取。使用上述解决方案依然需要用户购置额外的阅读器，对用户而言成本较高，使用也不方便，因此在面向消费者的市场中并未得到广泛应用。
在本发明中，我们提出一种全新的Wi-Fi射频识别标签，该标签使用Wi-Fi反向散射技术[7]，不仅继承RFID标签结构简单、功耗极低的优势，而且能够直接支持智能手机、平板电脑和笔记本电脑等任何具备Wi-Fi功能的设备的读取，具有很高的实用价值。
参考文献：
[1]RFID Market with COVID-19Impact Analysis by Product Type(Tags,Readers,and Software and Services),Wafer Size,Tag Type(Passive Tags andActive Tags),Frequency,Applications,Form Factor,Material,and Region-GlobalForecast to 2026.https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/rfid-market-446.html,2021.
[2]Suvendu Naskar,Preetam Basu,and Anup K.Sen.A literature review ofthe emerging field of IoT using RFID and its applications in supply chainmanagement[M].Securing the Internet of Things:Concepts,Methodologies,Tools,and Applications,2020.
[3]Phychips Technologies.http://www.phychips.com/applications-main/,2021.
[4]Alien Technology,LLC.https://www.alientechnology.com/products/readers/,2021.
[5]ImpinJ,Inc.http://www.impinj.com/,2021.
[6]Zhenlin An,Lei Yang,and Qiongzheng Lin.Identifying UHF RFIDs inRange of Readers With WiFi.IEEE/ACM Transactions on Networking,2021.
[7]Shengen Wei,Jiankun Wang,and Zenghua Zhao.LocTag:Passive WiFi Tagfor Robust Indoor Localization via Smartphones.IEEE INFOCOM 2020-IEEEConference on Computer Communications Workshops(INFOCOM WKSHPS).IEEE,2020.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及方法，以解决传统RFID标签不能直接被智能手机等个人移动设备读取的问题，使人们无需购买专用的阅读器，使用随身携带的个人移动设备即可实现类似传统RFID的射频识别功能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，包括硬件电路和若干逻辑功能模块；所述硬件电路包括能量收集电路、信号检测电路、反向散射电路、逻辑电路、接收天线和反向散射天线；所述能量收集电路用于收集环境中射频信号能量为标签供电；所述信号检测电路用于检测是否有Wi-Fi信号到达；所述反向散射电路用于执行反向散射调制；所述逻辑电路用于承载标签所有逻辑功能；接收天线供能量收集电路和信号检测电路使用，反向散射天线供反向散射电路使用。
逻辑功能模块包括码字转换与频谱搬移模块、异或编码模块、FCS修正模块、成帧模块和冲突避免协议模块；
入射到标签的射频信号称为原始信号；码字转换与频谱搬移模块能够使标签在反向散射过程中改变原始信号的码字，实现码字转换；且能够利用50MHz方波信号的基波分量将反向散射信号的频谱向上或向下搬移50MHz，以避开原始信号，避免自干扰的产生；
所述异或编码模块在标签调制时使用原始信号的码字与标签信号的码字进行异或生成反向散射信号的码字；个人移动设备将接收到的反向散射信号码字与原始信号码字进行异或，解得标签信号的码字；
FCS修正模块用于使标签调制出的帧能够通过个人移动设备Wi-Fi模块的FCS校验；
成帧模块用于把标签的ID和数据封装成与原始信号的长度和格式相匹配的帧，使得标签的ID和数据能够被传输并被个人移动设备解析。
冲突避免协议模块通过使用基于Q值和时间槽的冲突避免协议以避免若干个标签之间的冲突。
进一步的，反向散射的码字转换与频谱搬移模块中，标签的反向散射原理如公式(1)：
yrf(t)＝xrf(t)Γ(t)＝xrf(t)[ΓT(t)ΓFS(t)] (1)
公式(1)中xrf(t)为入射到标签的射频信号，称为原始信号；yrf(t)为标签对原始信号进行反向散射而产生的反向散射信号；Γ(t)为标签调制信号，等同于标签反射系数，可分解为ΓT(t)和ΓFS(t)两部分，ΓT(t)负责做码字转换，ΓFS(t)负责频谱搬移；标签使用调制信号Γ(t)对原始信号xrf(t0进行反向散射调制，得到反向散射信号yrf(t)；
基于反向散射的码字转换；1Mbps速率的Wi-Fi信号采用DBPSK调制方式，有0和1两种码字，两种码字对应的符号波形幅值相同、相位相反；根据公式(1)，在一个码字传输期间，若令ΓT(t)＝1，则有y(t)＝x(t)，表示该码字在反向散射后保持不变；若令ΓT(t)＝-1，则有y(t)＝-x(t)，表示该码字在反向散射取反；标签随时间改变自己的反射系数ΓT(t)，即能够在反向散射过程中改变原始信号的码字，实现码字转换；
基于反向散射的频谱搬移；所述标签使用50MHz的方波信号作为ΓFS(t)，利用50MHz方波信号的基波分量将反向散射信号yrf(t)的频谱向上或向下搬移50MHz，从而避开原始信号xrf(t)，避免自干扰的产生。
进一步的，标签的异或编码如公式(2)：
公式(2)中，y(n)为反向散射信号的第n个码字，x(n)为的原始信号的第n个码字，r(n)为标签信号的第n个码字；标签调制时根据公式(2)中左边的等式，使用r(n)与x(n)进行异或生成y(n)；个人移动设备根据公式(2)中右边的等式，将接收到的y(n)与x(n)进行异或，解得r(n)。
进一步的，标签根据公式(3)计算的FCS修正序列对FCS进行修正：
公式(3)中，ar为标签信号的数据序列，br为标签使用的FCS修正序列，它们分别与原始信号的数据序列和FCS序列对应；0是与ar等长的元素全为0的序列；CRC是802.11计算FCS使用的32位CRC算法。
进一步的，标签使用802.11中的Beacon帧作为入射信号进行反向散射调制，成帧模块事先构造与入射Beacon帧相同的模板帧，然后反向散射调制时在模板帧的SSID字段填入标签ID，在模板帧的Vendor Specific字段填入标签数据，以此实现标签ID和标签数据的传输；填入的标签ID和标签数据中各包含若干字节的锚数据，用于检验标签ID和数据字段的有效性。
进一步的，冲突避免协议模块中使用基于Q值和时间槽的冲突避免协议避免多个标签之间的冲突；标签的反向散射需要与入射Wi-Fi信号同步，冲突避免协议的每个时间槽从入射信号的开始处开始，到入射信号的结束处结束，一个Wi-Fi数据包即是一个时间槽；标签包含一个伪随机数生成器，标签每检测到一次Wi-Fi信号，就生成一个0到2Q-1之间的随机数q，如果该次生成的q值等于0，则该时间槽内执行反向散射，否则在该时间槽内保持沉默；设一个冲突域中的标签个数为N，单个标签无冲突时的通信成功率为100％，则冲突避免协议的信道有效利用率：
根据公式(4)，Q取
或
时信道的有效利用率最高，最高的信道有效利用率为
在一个标签个数为N的冲突域中，成功读取某个标签所需的时间槽个数W的期望
本发明还提供一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别方法，包括以下步骤：
(1)Wi-Fi信号源发射信号；Wi-Fi设备发射1Mbps速率的Beacon帧到标签；
(2)标签进行反向散射调制；标签检测到Beacon帧后，首先运行冲突避免协议抢占信道，如果抢占信道成功则开始对检测到的Beacon帧进行反向散射调制，将自己的ID和可能存在的额外数据调制到上述Beacon帧，同时产生反向散射信号；
(3)个人移动设备进行标签识别；个人移动设备通过自带的Wi-Fi模块接收标签的反向散射信号，解析出标签的ID，完成标签的识别。
进一步的，所述个人移动设备的工作频率与Wi-Fi信号源的工作频率相差50MHz。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.传统的射频识别标签读写时需要专门的阅读器，不仅携带不便，而且价格十分昂贵，严重阻碍了射频识别标签在消费者领域的应用。本发明的标签使用Wi-Fi反向散射通信技术，任何配备了Wi-Fi模块的设备都能充当阅读器，故用户无须购买和携带专门的阅读器，使用随身携带的智能手机、平板电脑、笔记本电脑等个人移动设备即可读取标签，对于射频识别标签在消费者领域的推广使用具有非常大的价值。
2.本发明的标签除了传输自己的ID完成射频识别之外，还能传输少量的数据，而且本发明的标签采用无源设计，具有硬件结构简单，功耗低的优点，因此可以用于替代传统无线传感器的通信模块形成新型的Wi-Fi无线传感器，对解决当前无线传感器的硬件成本和续航问题也有很大帮助。
附图说明
图1为本发明所述Wi-Fi射频识别标签的工作示意图。
图2为本发明所述Wi-Fi射频识别标签的硬件结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，工作时需要一个Wi-Fi信号源、若干Wi-Fi射频识别标签和至少一台个人移动设备，用户使用随身携带的个人移动设备读取标签，多台个人移动设备同时读取标签时彼此互不影响。
下面以3个Wi-Fi射频识别标签、一台个人移动设备的识别场景为例，说明本发明的实施方法。本实例中Wi-Fi射频源使用安装AR9580无线网卡的笔记本电脑，个人移动设备使用型号为LG Nexus 5的智能手机。标签使用依据本发明所自制的Wi-Fi射频识别标签原型，其硬件框图参见图2。其中逻辑电路使用低功耗iCE40UP5K FPGA(现场可编程逻辑门阵列)，反向散射电路使用ADG902射频开关，信号检测电路使用LT5534功率检测器和LMV7239电压比较器，能量收集电路使用基于电荷泵的RF-DC转换电路。
其中逻辑功能模块位于逻辑电路，用于控制标签实现反向散射调制，5个逻辑功能模块的技术特征分别如下：
1.基于反向散射的码字转换与频谱搬移模块
标签通过反向散射技术对环境中的1Mbps速率的Wi-Fi信号进行调制，其中包括基于反向散射的码字转换和基于反向散射的频谱搬移两个技术点。
标签的反向散射原理如公式(1)：
yrf(t)＝xrf(t)Γ(t)＝xrf(t)[ГT(t)ΓFS(t)] (1)
公式(1)中xrf(t)为入射到标签的射频信号，称为原始信号；yrf(t)为标签对原始信号进行反向散射而产生的反向散射信号；Γ(t)为标签调制信号，等同于标签反射系数，可分解为ΓT(t)和ΓFS(t)两部分，ΓT(t)负责做码字转换，ΓFS(t)负责频谱搬移。标签使用调制信号Γ(t)对原始信号xrf(t)进行反向散射调制，得到反向散射信号yrf(t)。
基于反向散射的码字转换。1Mbps速率的Wi-Fi信号采用DBPSK调制方式，有0和1两种码字，两种码字对应的符号波形幅值相同、相位相反。根据公式(1)，在一个码字传输期间，如果令ΓT(t)＝1，则有y(t)＝x(t)，意味着该码字在反向散射后保持不变；如果令ΓT(t)＝-1，则有y(t)＝-x(t)，意味着该码字在反向散射取反。标签随时间改变自己的反射系数ΓT(t)，即可在反向散射过程中改变原始信号的码字，实现码字转换。
基于反向散射的频谱搬移。上述原始信号xrf(t)与反向散射信号yrf(t)的中心频率相同，会对反向散射信号yrf(t)造成干扰，这种干扰称为自干扰。标签使用50MHz的方波信号作为ΓFS(t)，利用50MHz方波信号的基波分量将反向散射信号yrf(t)的频谱向上或向下搬移50MHz，从而避开原始信号xrf(t)，避免自干扰的产生。
2.异或编码模块
标签的异或编码如公式(2)：
公式(2)中，y(n)为反向散射信号的第n个码字，x(n)为的原始信号的第n个码字，r(n)为标签信号的第n个码字。标签调制时根据公式(2)中左边的等式，使用r(n)与x(n)进行异或生成y(n)；个人移动设备根据公式(2)中右边的等式，将接收到的反向散射信号码字y(n)与原始信号码字x(n)进行异或，解得标签信号的码字r(n)。
3.FCS修正模块
标签在调制自己的数据时会修改原始信号的帧内容，导致标签调制出的帧无法通过个人移动设备Wi-Fi模块的FCS(帧校验序列)校验而被个人移动设备丢弃，标签添加FCS修正环节解决这一问题。标签根据公式(3)计算的FCS修正序列对FCS进行修正：
公式(3)中，ar为标签信号的数据序列，br为标签使用的FCS修正序列，它们分别与原始信号的数据序列和FCS序列对应；0是与ar等长的元素全为0的序列；CRC是802.11计算FCS使用的32位CRC算法。
4.成帧模块
标签使用802.11中的Beacon帧作为入射信号进行反向散射调制，成帧模块事先构造与入射Beacon帧相同的模板帧，然后反向散射调制时在模板帧的SSID字段填入标签ID，在模板帧的Vendor Specific字段填入标签数据，以此实现标签ID和标签数据的传输；填入的标签ID和标签数据中各包含若干字节的锚数据，用于检验标签ID和数据字段的有效性。
5.冲突避免协议模块
标签使用基于Q值和时间槽的冲突避免协议避免多个标签之间的冲突。标签的反向散射需要与入射Wi-Fi信号同步，冲突避免协议的每个时间槽从入射信号的开始处开始，到入射信号的结束处结束，一个Wi-Fi数据包即是一个时间槽。标签包含一个伪随机数生成器，标签每检测到一次Wi-Fi信号，就生成一个0到2Q-1之间的随机数q，如果该次生成的q值等于0，则该时间槽内执行反向散射，否则在该时间槽内保持沉默。设一个冲突域中的标签个数为N，单个标签无冲突时的通信成功率为100％，则冲突避免协议的信道有效利用率：
根据公式(4)，Q取
或
时信道的有效利用率最高，最高的信道有效利用率为
在一个标签个数为N的冲突域中，成功读取某个标签所需的时间槽个数W的期望
具体的，本实施例中标签的识别步骤如下：
将笔记本电脑的无线网卡切换到AP模式，设置工作信道为11(中心频率2462MHz)，然后持续地不断发送SSID为000000-0000-0000的Beacon帧。将智能手机放置智能手机在笔记本电脑附近，设置工作信道为11，接收笔记本电脑发送的Beacon帧，确定笔记本电脑和智能手机的发包与收包功能正常。
将3个标签的ID分别设置为LOCTAG-0001、LOCTAG-0002、LOCTAG-0003；将3个标签冲突避免协议的Q值均设置为2，排列在笔记本电脑周围，并且与笔记本电脑的间距都为0.3米。
将智能手机放置于离标签1米的位置，工作信道切换到信道1(中心频率为2412MHz)。然后使用智能手机接收标签的反射信号，从接收到的反向散射信号中提取SSID字段，获得标签的ID，完成标签的识别。表1是本实例智能手机运行识别4分钟得到的标签识别率统计结果(识别率会受到周围干扰信号和AP发包速率等因素的影响)。
表1识别率统计
本实施例读取标签所使用的笔记本电脑、智能手机均是普通的消费级产品，无需添加额外硬件，无需对配套的Wi-Fi无线网卡进行任何硬件改造，因此能够推广到任何同类设备。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，其特征在于，包括硬件电路和若干逻辑功能模块；所述硬件电路包括能量收集电路、信号检测电路、反向散射电路、逻辑电路、接收天线和反向散射天线；所述能量收集电路用于收集环境中射频信号能量为标签供电；所述信号检测电路用于检测是否有Wi-Fi信号到达；所述反向散射电路用于执行反向散射调制；所述逻辑电路用于承载标签所有逻辑功能；接收天线供能量收集电路和信号检测电路使用，反向散射天线供反向散射电路使用；
所述逻辑功能模块设置于逻辑电路中；包括码字转换与频谱搬移模块、异或编码模块、FCS修正模块、成帧模块和冲突避免协议模块；
入射到标签的射频信号称为原始信号；码字转换与频谱搬移模块能够使标签在反向散射过程中改变原始信号的码字，实现码字转换；且能够利用50MHz方波信号的基波分量将反向散射信号的频谱向上或向下搬移50MHz，以避开原始信号，避免自干扰的产生；
所述异或编码模块在标签调制时使用原始信号的码字与标签信号的码字进行异或生成反向散射信号的码字；个人移动设备将接收到的反向散射信号码字与原始信号码字进行异或，解得标签信号的码字；
FCS修正模块用于使标签调制出的帧能够通过个人移动设备Wi-Fi模块的FCS校验；
成帧模块用于将标签的ID和数据封装成与原始信号的长度和格式相匹配的帧，使得标签的ID和数据能够被传输并被个人移动设备解析；
冲突避免协议模块通过使用基于Q值和时间槽的冲突避免协议以避免若干个标签之间的冲突。
2.根据权利要求1所述一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，其特征在于，反向散射的码字转换与频谱搬移模块中，标签的反向散射原理如公式(1)：
yrf(t)＝xrf(t)Γ(t)＝xrf(t)[ΓT(t)ΓFS(t)] (1)
公式(1)中xrf(t)为入射到标签的射频信号，称为原始信号；yrf(t)为标签对原始信号进行反向散射而产生的反向散射信号；Γ(t)为标签调制信号，等同于标签反射系数，可分解为ΓT(t)和ΓFS(t)两部分，ΓT(t)负责做码字转换，ΓFS(t)负责频谱搬移；标签使用调制信号Γ(t)对原始信号xrf(t)进行反向散射调制，得到反向散射信号yrf(t)；
基于反向散射的码字转换；1Mbps速率的Wi-Fi信号采用DBPSK调制方式，有0和1两种码字，两种码字对应的符号波形幅值相同、相位相反；根据公式(1)，在一个码字传输期间，若令ΓT(t)＝1，则有yrf(t)＝xrf(t)，表示该码字在反向散射后保持不变；若令ΓT(t)＝-1，则有yrf(t)＝-xrf(t)，表示该码字在反向散射取反；标签随时间改变自己的反射系数ΓT(t)，即能够在反向散射过程中改变原始信号的码字，实现码字转换；
基于反向散射的频谱搬移；所述标签使用50MHz的方波信号作为ΓFS(t)，利用50MHz方波信号的基波分量将反向散射信号yrf(t)的频谱向上或向下搬移50MHz，从而避开原始信号xrf(t)，避免自干扰的产生。
3.根据权利要求1所述一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，其特征在于，标签的异或编码如公式(2)：
公式(2)中，y(n)为反向散射信号的第n个码字，x(n)为原始信号的第n个码字，r(n)为标签信号的第n个码字；标签调制时根据公式(2)中左边的等式，使用r(n)与x(n)进行异或生成y(n)；个人移动设备根据公式(2)中右边的等式，将接收到的y(n)与x(n)进行异或，解得r(n)。
4.根据权利要求1所述一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，其特征在于，标签根据公式(3)计算的FCS修正序列对FCS进行修正：
公式(3)中，ar为标签信号的数据序列，br为标签使用的FCS修正序列，它们分别与原始信号的数据序列和FCS序列对应；0是与ar等长的元素全为0的序列；CRC是802.11计算FCS使用的32位CRC算法。
5.根据权利要求1所述一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，其特征在于，所述标签使用802.11中的Beacon帧作为入射信号进行反向散射调制，成帧模块事先构造与入射Beacon帧相同的模板帧，然后反向散射调制时在模板帧的SSID字段填入标签ID，在模板帧的Vendor Specific字段填入标签数据，以此实现标签ID和标签数据的传输；填入的标签ID和标签数据中各包含若干字节的锚数据，用于检验标签ID和数据字段的有效性。
6.根据权利要求1所述一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签，其特征在于，冲突避免协议模块中使用基于Q值和时间槽的冲突避免协议避免多个标签之间的冲突；标签的反向散射需要与入射Wi-Fi信号同步，冲突避免协议的每个时间槽从入射信号的开始处开始，到入射信号的结束处结束，一个Wi-Fi数据包即是一个时间槽；标签包含一个伪随机数生成器，标签每检测到一次Wi-Fi信号，就生成一个0到2Q-1之间的随机数q，如果该次生成的q值等于0，则该时间槽内执行反向散射，否则在该时间槽内保持沉默；设一个冲突域中的标签个数为N，单个标签无冲突时的通信成功率为100％，则冲突避免协议的信道有效利用率：
根据公式(4)，Q取
时信道的有效利用率最高，最高的信道有效利用率为
在一个标签个数为N的冲突域中，成功读取某个标签所需的时间槽个数W的期望
7.一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别方法，基于面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签；其特征在于，包括以下步骤：
(1)Wi-Fi信号源发射信号；Wi-Fi设备发射1Mbps速率的Beacon帧到标签；
(2)标签进行反向散射调制；标签检测到Beacon帧后，首先运行冲突避免协议抢占信道，如果抢占信道成功则开始对检测到的Beacon帧进行反向散射调制，将自己的ID和可能存在的额外数据调制到上述Beacon帧，同时产生反向散射信号；
(3)个人移动设备进行标签识别；个人移动设备通过自带的Wi-Fi模块接收标签的反向散射信号，解析出标签的ID，完成标签的识别。
8.根据权利要求7所述一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别方法，其特征在于，所述个人移动设备的工作频率与Wi-Fi信号源的工作频率相差50MHz。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110413759.2A CN113141572B (zh) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | 一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110413759.2A CN113141572B (zh) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | 一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113141572A CN113141572A (zh) | 2021-07-20 |
| CN113141572B true CN113141572B (zh) | 2022-03-15 |
Family
ID=76812908
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110413759.2A Expired - Fee Related CN113141572B (zh) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | 一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113141572B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023044911A1 (zh) * | 2021-09-27 | 2023-03-30 | Oppo广东移动通信有限公司 | 一种信息上报方法及装置、终端、网络设备 |
| WO2024065267A1 (zh) * | 2022-09-28 | 2024-04-04 | Oppo广东移动通信有限公司 | 无线通信的方法和设备 |
| CN118101401B (zh) * | 2024-04-23 | 2024-06-25 | 中国科学技术大学 | 一种用于反向散射节点的下行通信方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101263732A (zh) * | 2005-11-24 | 2008-09-10 | 诺基亚公司 | 实现射频识别（rfid）子系统和无线通信子系统的调度操作的方法、模块、终端和系统 |
| CN102221663A (zh) * | 2011-05-09 | 2011-10-19 | 长沙河野电气科技有限公司 | 一种无源射频标签反向调制性能测试方法和装置 |
| CN111433789A (zh) * | 2017-10-10 | 2020-07-17 | 泰科消防及安全有限公司 | 用于操作标签的系统和方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9312950B1 (en) * | 2014-07-14 | 2016-04-12 | Google Inc. | Antenna sharing in mobile devices for backscatter radio |
| US9323966B2 (en) * | 2014-09-30 | 2016-04-26 | Google Inc. | Device for backscatter communication |
| US10079616B2 (en) * | 2014-12-19 | 2018-09-18 | University Of Washington | Devices and methods for backscatter communication using one or more wireless communication protocols including bluetooth low energy examples |
| US11483836B2 (en) * | 2016-10-25 | 2022-10-25 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Backscattering ambient ism band signals |
| CN107544054B (zh) * | 2017-08-15 | 2020-06-02 | 西京学院 | 一种基于环境反向散射的室内定位方法和装置 |
-
2021
- 2021-04-16 CN CN202110413759.2A patent/CN113141572B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101263732A (zh) * | 2005-11-24 | 2008-09-10 | 诺基亚公司 | 实现射频识别（rfid）子系统和无线通信子系统的调度操作的方法、模块、终端和系统 |
| CN102221663A (zh) * | 2011-05-09 | 2011-10-19 | 长沙河野电气科技有限公司 | 一种无源射频标签反向调制性能测试方法和装置 |
| CN111433789A (zh) * | 2017-10-10 | 2020-07-17 | 泰科消防及安全有限公司 | 用于操作标签的系统和方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于无源反向散射技术的智能标签：应用与挑战;郭颖等;《物联网学报》;20200922(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113141572A (zh) | 2021-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113141572B (zh) | 一种面向个人移动设备的Wi-Fi射频识别标签及识别方法 | |
| Magno et al. | Design, implementation, and performance evaluation of a flexible low-latency nanowatt wake-up radio receiver | |
| Gong et al. | Multiprotocol backscatter for personal IoT sensors | |
| CN103312363B (zh) | 具有可调节增益的近场通信装置 | |
| An et al. | Cross-frequency communication: Near-field identification of UHF RFIDs with WiFi! | |
| US7821378B2 (en) | Apparatus and method for receiving tag signal in mobile RFID reader | |
| Sikimić et al. | An overview of wireless technologies for IoT network | |
| US9727767B2 (en) | Clock synchronization in an RFID equipped device | |
| CN105989319B (zh) | 一种射频识别rfid标签的数据应用方法及系统 | |
| EP3238140A1 (en) | Method and apparatus for energy harvest from a proximity coupling device | |
| CN103947280A (zh) | 用于减轻通信冲突的方法、系统和设备 | |
| CN105550738A (zh) | 非接触式卡片及其通讯和供电方法 | |
| Wu et al. | A survey on ambient backscatter communications: Principles, systems, applications, and challenges | |
| Solic et al. | Software defined radio based implementation of RFID tag in next generation mobiles | |
| Rostami et al. | Redefining passive in backscattering with commodity devices | |
| US11580316B2 (en) | Interacting RFID tags | |
| KR100768100B1 (ko) | 모바일 ｒｆⅰｄ 리더의 태그 신호 수신 장치 및 방법 | |
| CN104735008A (zh) | 通信结束检测 | |
| Shao et al. | Next-generation RF-powered networks for Internet of Things: Architecture and research perspectives | |
| Jadhav et al. | UHF class-4 active two-way RFID tag for a hybrid RFID-based system | |
| CN104394605A (zh) | 无线接收及发送系统 | |
| Agrawal et al. | A novel-Q DFSA algorithm for passive RFID system | |
| An et al. | Identifying UHF RFIDs in range of readers with WiFi | |
| Singh et al. | Protocols for the Internet of Things | |
| CN103078719B (zh) | 一种rfid阅读器无线通信系统方法与系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220315 |