一種rfid多標籤識別防碰撞方法
2023-09-21 03:10:10
專利名稱：一種rfid多標籤識別防碰撞方法
技術領域：
本發明涉及無線射頻技術，具體涉及RFID標籤識別防碰撞方法。
背景技術：
無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關信息，是物聯網的重要支撐技術。隨著零售業和物流業信息化的不斷深入，RFID技術在行業中得到廣泛應用，用於控制庫存、改善供應鏈管理、降低成本、提高工作效率等。RFID被視為連接現實物理世界和計算機世界的橋梁，成為實現普適計算的重要技術手段。物流、倉儲及多標籤定位系統中廣泛涉及讀寫器對多個標籤進行信息讀取的情況，例如機場對帶有標籤貨物的信息提取；倉儲貨架對帶有標籤貨物的巡檢和庫存清理； 區域定位系統中的標籤陣列等。這些情況下，經常會出現多個標籤到讀寫器的發送信號在信道中產生碰撞的問題。碰撞使得讀寫器無法正確讀取信息，而且無謂地消耗了系統的時間和能量。如果多次無法正確讀取到某標籤的信息，則讀寫器會認為此標籤不在感應區內， 造成錯誤的判斷。這會導致RFID系統識讀率不高，性能受到較大影響，使其應用受到限制。 標籤信息的漏檢或錯檢，將會造成系統無法正常使用。只有妥善地解決多標籤識別的防碰撞問題，RFID才能真正在物流、倉儲及工業生產中獲得廣泛應用。由於RFID系統資源的限制，使得傳統網絡中很多標準的防碰撞技術都不適合或很難在RFID系統中應用(如載波偵聽等方式)。這些限制因素有標籤不具有檢測衝突的功能而且標籤間不能互相通信，衝突判決需要由讀寫器來實現；標籤的存儲容量和計算能力有限，要求防衝突協議儘量簡單和系統開銷小。由於RFID系統通信帶寬有限，因此需要防碰撞算法儘量減少讀寫器和標籤之間傳送的信息比特數目。設計高效、魯棒的防衝突算法成為RFID技術在物流、倉儲行業應用中需要解決的關鍵問題。為了解決這一問題，目前已經研究出一些算法(如=Aloha和基於二進位樹的方法等)，但對於有大量標籤存在的應用場合，這些算法仍然有存在不穩定工作區間或系統識讀效率不夠高等問題。現有的算法在針對少量標籤的情況下，都會獲得很好的性能，但隨著待識別標籤數量的上升，識讀效率存在明顯下降的趨勢，並有可能導致無法在實際中正常應用。
發明內容
針對上述現有RFID多標籤識別防碰撞方法所存在的問題，本發明所要解決的問題是如何解決RFID系統中多個標籤同時向讀寫器發送數據時，由於信道中發生傳輸信號碰撞、從而使讀寫器不能夠正常獲取標籤信息的問題。為了解決上述問題，本發明採用如下的技術方案一種RFID多標籤識別防碰撞方法，所述防碰撞方法根據RFID標籤與讀寫器之間通信的RSSI (Radio Signal Strength Indicator,接收信號強度指示)指標,將讀寫器的感應範圍進行區域劃分，形成多個不同的感應區域，每個感應區域所覆蓋的RFID標籤形成對應的標籤分組，並且不同標籤分組內的RFID標籤在不同的時間段傳輸數據，而同一個分組內的RFID標籤之間採用常規的防碰撞算法實現與讀寫器的數據傳輸。在本發明的優選實例中，所述RSSI的信息通過數據報文獲取，首先通過讀寫器向感應區內的RFID標籤廣播詢問，並獲得標籤的應答後，從數據報報頭標識開始，逐位(Bit) 解析無線通信數據包，獲取來自各個RFID標籤的RSSI數值；再根據RSSI數值與通信鏈路長度的對應表，獲得各個RFID標籤相對於讀寫器的位置。進一步的，所述讀寫器感應 區域的劃分使得區域劃分邊界避開不穩定變化區間。再進一步的，所述讀寫器感應區域的劃分通過如下步驟實現(I)根據感應的RFID標籤數量及各個RFID標籤相對於讀寫器的位置的分布情況， 運用查表法獲得最相近的推薦的分區個數；(2)以各個分區覆蓋的RFID標籤數量平均分配、分散通信時間為原則，以讀寫器為圓心，確定環形讀寫器感應區域的劃分。進一步的,所述每個標籤分組內的RFID標籤數量彡50個時使用Aloha算法與讀寫器進行防碰撞的數據交換；RFID標籤數量> 50個時採用二進位樹算法，逐個識別標籤分組中的標籤，並完成相應的數據交換任務。進一步的，所述RFID標籤為無源標籤或有源標籤。根據上述方案得到的防碰撞方法能夠有效處理大量標籤與讀寫器通信過程中出現信號碰撞而無法正常通信的問題，大大提高這種情況下的識別效率，可有效減小漏讀率。 使得讀寫器在讀取大量標籤信息時具有較高的識讀效率和通信穩定性。本發明所提供的方法既適合於無源標籤也適合於有源標籤系統。可以根據實際應用需求依據RSSI進行靈活的傳輸優先級設置。在防碰撞協議的制定中，通過制定優化的標籤與讀寫器之間的握手協商策略，使得標籤與讀寫器之間數據交換時的通信次數儘可能少。可提高效率，節省能量。可根據不同通信狀況，動態調整數據報中數據欄位的大小(節點稀少時，可使用長欄位形式；節點擁擠時，採用短欄位形式)以適應鏈路不同的通信狀況，提高通信效率。由於採用了基於空間位置的標籤分組傳輸形式，使得標籤在協議上的複雜度降低；在分組內只需簡單的防碰撞算法就可以解決問題。因此使得RFID系統的防碰撞協議能夠獲得輕量化，可整體提高數據交換效率。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。圖I為本發明中RSSI的標籤區域分組示意圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。本發明採用了基於空間位置的標籤分組傳輸形式，將標籤識別與標籤的空間位置聯繫起來，具體方法如下
I、根據RFID標籤與讀寫器之間通信的RSSI (Radio Signal Strength Indicator, 接收信號強度指示)指標，將讀寫器的感應範圍進行區域劃分，形成多個不同的感應區域， 每個感應區域所覆蓋的RFID標籤形成對應的標籤分組(如圖I所示)。
參見
圖1，由於讀寫器與RFID標籤之間距離越大，信號的衰減越大，所以越靠近讀寫器RSSI值越大，離讀寫器越遠RSSI值越小。依據RSSI數值來對讀寫器感應區域的進行劃分，而劃分的感應區域所覆蓋的RFID標籤形成相應的標籤分組，由此實現對遠近不同的 RFID標籤進行分組。在區域劃分時，使得區域劃分邊界避開不穩定變化區間，並且根據預估的標籤數量、位置分布，來確定合適的分區數目和分區半徑，使得系統獲得較高的識別效率。2、對不同標籤分組內的RFID標籤採用不同時間段來傳輸數據，而同一個分組內的RFID標籤之間採用常規的防碰撞算法實現與讀寫器的數據傳輸。為了避免同一時間段有過多的標籤同時向讀寫器發送數據，本發明對於不同的分組會按順序分配不同的對應時隙來供分組內的標籤傳輸數據。比如離讀寫器遠的分組先傳輸，依據遠近，依次給分組分配自己對應的時隙，通過不斷地循環，直至所有標籤與讀寫器之間的信息傳輸完畢。時隙的大小由所感應標籤的總數量來決定。對於同一分組內的RFID標籤，由於分組內標籤數量有限，因此分組內的防碰撞算法不需要太複雜，應選擇運算量小、資源消耗低的算法。讀寫器與標籤之間的通信協議應力求使標籤在識別過程中所需傳送的數據量儘可能小、與讀寫器通信次數儘可能少。上述方案根據標籤位置的不同形成相應的標籤分組，並且不同分組在不同時間段的傳輸數據，這樣有效避免同一時間內有過多的RFID標籤與讀寫器進行數據通信，造成信道中發生傳輸信號碰撞、從而使讀寫器不能夠正常獲取標籤信息的問題。由於標籤分組內的RFID標籤數量有效，在同一時間段內與讀寫器進行數據通信時，通過較成熟的防碰撞算法能夠非常方便的實現讀寫器正常獲取標籤分組內的所有RFID 標籤的標籤信息。這種基於RSSI、按區域分組識別標籤的方法較全面地考慮了各種識讀狀況，較好地兼顧了各類標籤對象，還可以根據實際應用需求依據RSSI進行靈活的傳輸優先級設置。同時，本方案中涉及的RFID標籤為無源標籤或有源標籤，這樣本方法既適合於無源標籤也適合於有源標籤系統。基於上述方案，本發明的具體實施如下I)獲取各個RSSI信息通過對RFID通信協議分析，確定通過數據報文獲取RSSI信息的方法。具體過程如下首先，通過讀寫器向感應區內的激活標籤廣播詢問，並獲得標籤的應答；接著，從數據報報頭標識開始，逐位(Bit)解析無線通信數據包，獲取來自各個 RFID標籤的RSSI數值。在獲得各個RFID標籤的RSSI數值後，可根據RSSI與通信鏈路長度的對應表，獲得各個RFID標籤相對於讀寫器的位置。2)讀寫器感應區域劃分在合理劃分讀寫器感應區域時，儘量使得區域劃分邊界避開不穩定變化區間。根據預估的標籤數量、位置分布來確定合適的分區數目和分區半徑，使得系統獲得較高的識別效率。具體過程如下(I)根據感應的標籤數量及標籤距讀寫器的遠近(由RSSI通過查表獲得最接近的對應數值)分布情況，運用查表法獲得最相近的推薦的分區個數；(2)以各個分區覆蓋的標籤數量平均分配、分散通信時間為原則，以讀寫器為圓心，確定環形區域的劃分。例如，獲得感應的標籤有45個，分布在以讀寫器為圓心、半徑為9米的圓形區域內，那麼根據經驗性推薦，依據半徑大小可劃分為3個區域，如果標籤近似平均分散分布的話，可以等間隔劃分，如分別為半徑小於3米的區域；3-6米和6-9米的環形區域，每個區域平均有15個標籤。如果標籤分布不均衡，則可按實際情況採取非等間隔劃分，使得每個區域內的標籤數量儘量均衡。 3)數據傳輸規則的確定在優化分組的前提下，對不同標籤分組內的RFID標籤採用不同時間段來傳輸數據(具體方法如上所述，此處不加以贅述)。對於同一標籤分組內的RFID標籤，考慮到分組內標籤數量有限，因此分組內的防碰撞算法不需要太複雜，應選擇運算量小、資源消耗低的算法。根據組內標籤的數量，可動態選擇Aloha或二進位樹等算法識別標籤。如在組內標籤數量相對不多的情況下，如〈50 時，使用簡單的Aloha算法就可以獲得較好的識別效果；當組內標籤超過一定數量，如 > 50個時，採用二進位樹算法，逐個識別分組中的標籤，並完成相應的數據交換任務。在該實例中，在防碰撞協議的制定中，制定合適的標籤與讀寫器之間的握手協商策略，使得標籤與讀寫器之間數據交換時的通信次數儘可能少。降低標籤協議棧的複雜度， 形成輕量化的防碰撞協議規則。本發明可使系統具有根據不同通信狀況，動態調整數據報中數據欄位的大小(節點稀少時，可使用長欄位形式；節點擁擠時，採用短欄位形式)以適應鏈路不同通信狀況的能力，提高通信效率。為此，本發明在讀寫器所感應的標籤總數量相對少的情況下，由於分組區域內標籤數量少，可將讀寫器與標籤通信數據包中的數據欄位適當加長，如一般為4個字節，這時可以用長數據欄位的報文形式，變成8個字節，提高通信效率，儘快完成信息交互。另外，在某些實際應用場合，標籤通過讀寫器感應區域內的時間較短，在一個時間段內信號可以有效傳輸，而下一個時間段時，由於標籤處於感應區域的臨界位置、即將脫離感應區，這時通信效果就不好，因此在這種情況下，且標籤數量不多時，儘早完成交互通信就顯得比較重要，適時調整數據報長度，可以改變總的傳輸時間，適應實際需要。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種RFID多標籤識別防碰撞方法,其特徵在於,所述防碰撞方法根據RFID標籤與讀寫器之間通信的RSSI指標，將讀寫器的感應範圍進行區域劃分，形成多個不同的感應區域，每個感應區域所覆蓋的RFID標籤形成對應的標籤分組，並且不同標籤分組內的RFID標籤在不同的時間段傳輸數據，而同一個分組內的RFID標籤之間採用常規的防碰撞算法實現與讀寫器的數據傳輸。
2.根據權利要求I所述的一種RFID多標籤識別防碰撞方法，其特徵在於，所述RSSI的信息通過數據報文獲取，首先通過讀寫器向感應區內的RFID標籤廣播詢問，並獲得標籤的應答後，從數據報報頭標識開始，逐位(Bit)解析無線通信數據包，獲取來自各個RFID標籤的RSSI數值；再根據RSSI數值與通信鏈路長度的對應表，獲得各個RFID標籤相對於讀寫器的位置。
3.根據權利要求I所述的一種RFID多標籤識別防碰撞方法，其特徵在於，所述讀寫器感應區域的劃分使得區域劃分邊界避開不穩定變化區間。
4.根據權利要求I或3所述的一種RFID多標籤識別防碰撞方法，其特徵在於，所述讀寫器感應區域的劃分通過如下步驟實現 (1)根據感應的RFID標籤數量及各個RFID標籤相對於讀寫器的位置的分布情況，運用查表法獲得最相近的推薦的分區個數； (2)以各個分區覆蓋的RFID標籤數量平均分配、分散通信時間為原則，以讀寫器為圓心，確定環形讀寫器感應區域的劃分。
5.根據權利要求I所述的一種RFID多標籤識別防碰撞方法，其特徵在於，所述每個標籤分組內的RFID標籤數量彡50個時使用Aloha算法與讀寫器進行防碰撞的數據交換；RFID標籤數量> 50個時採用二進位樹算法，逐個識別標籤分組中的標籤，並完成相應的數據交換任務。
6.根據權利要求I所述的一種RFID多標籤識別防碰撞方法，其特徵在於，所述RFID標籤為無源標籤或有源標籤。
全文摘要
本發明公開了一種RFID多標籤識別防碰撞方法，該方法根據RFID標籤與讀寫器之間通信的RSSI(Radio Signal Strength Indicator，接收信號強度指示)指標，將讀寫器的感應範圍進行區域劃分，形成多個不同的感應區域，每個感應區域所覆蓋的RFID標籤形成對應的標籤分組，並且不同標籤分組內的RFID標籤在不同的時間段傳輸數據，而同一個分組內的RFID標籤之間採用常規的防碰撞算法實現與讀寫器的數據傳輸。能夠有效處理大量標籤與讀寫器通信過程中出現信號碰撞而無法正常通信的問題，大大提高這種情況下的識別效率，可有效減小漏讀率。使得讀寫器在讀取大量標籤信息時具有較高的識讀效率和通信穩定性。
文檔編號G06K7/00GK102622564SQ201210054948
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年2月24日
發明者張穎, 方敏, 朱大奇, 李俊甫, 楊臻, 詹冉, 詹浩, 趙碧茹, 陸麗 申請人:上海海事大學