基于關聯(lián)id的rfid碰撞避免方法
【專利摘要】基于關聯(lián)ID的RFID碰撞避免方法。RFID技術是物聯(lián)網(wǎng)感知層需要研究的關鍵技術之一，是現(xiàn)實生活中物體的“身份證”，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎環(huán)節(jié)。RFID標簽以調制二進制脈沖的方式向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，在以往的RFID標簽識別方法中，都要靠讀寫器發(fā)送識別命令來主動尋找標簽，一般每個標簽都會占用N個平均識別次數(shù)，N大于1。本發(fā)明提出的基于關聯(lián)ID的防碰撞新方法，該方法增加標簽之間的關聯(lián)關系，使標簽在一定的觸發(fā)條件下可以主動發(fā)送自己的ID。將該方法應用于基于多叉搜索樹的確定性防碰撞情況中，可以在單次通信中識別多個標簽，極大的提高了識別效率，避免了標簽碰撞。
【專利說明】基于關聯(lián)ID的RFID碰撞避免方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機應用與物聯(lián)網(wǎng)結合的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物與物，物與人之間進行對話的交互，物就跟人一樣需要一個合法的身份，要實現(xiàn)物理世界物身份的合法化，RFID (即射頻識別)技術是關鍵，其射頻標簽具有唯一的電子產(chǎn)品編碼，可作為現(xiàn)實生活中物體的“身份證”來對物體進行區(qū)分識別。
[0003]RFID (Radio Frequency Identification),即射頻識別，是 20 世紀 90 年代興起的一種非接觸式的自動識別技術，識別過程無需人工干預，利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)信息的無接觸傳遞，并通過所傳遞信息達到識別的目的。一個完整的RFID系統(tǒng)主要包括以下三部分:標簽(Tag)，讀寫器(Reader)以及應用控制系統(tǒng)，應用控制系統(tǒng)通常為計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。讀寫器發(fā)出一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入讀寫器工作區(qū)域的磁場時，被讀寫器激活以射頻信號的形式將自身所攜帶的編碼信息發(fā)送出，讀寫器接收到信息并傳送給計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)根據(jù)一定的運算規(guī)則判斷該信息的合法性等，根據(jù)所攜帶的信息作出相應的判斷和控制，從而完成一次識別的全過程。
[0004]RFID電子標簽(Tag)通常由微小的標簽芯片和天線構成，具有智能讀寫和加密通信的功能，Tag通常附著在物體上作為物體的標識，因為Tag具有唯一的電子編碼(Electronic Product Code),該編碼可作為識別該標簽的唯一的身份證ID號。與以往的條形碼相比較，RFID電子標簽具有不怕灰塵，潮濕，粉屑，高溫等性質，不受環(huán)境影響，壽命較長。
[0005]RFID讀寫器(Reader)，是讀取(又是可寫入)標簽信息的設備，一個典型的讀寫器通常由控制系統(tǒng)，高頻模塊(發(fā)送器，接收器)，天線，接口等組成，可以設計成手持式或者固定式。讀寫器將RFID標簽的數(shù)據(jù)讀取或者寫入，并且能夠做到很好的加密。
[0006]RFID系統(tǒng)工作時，讀寫器通過天線發(fā)射一定頻率的射頻信號，當無源(或被動)標簽(Passive Tag)進入讀寫器工作區(qū)域時由于產(chǎn)生感應電流而被激活，憑借感應電流獲得的能量將存儲在標簽中的產(chǎn)品信息通過標簽內置的天線發(fā)送出去，而有源(或主動)標簽(Active Tag),則始終處于激活、主動工作狀態(tài)，主動發(fā)送出某一頻率的射頻信號，讀寫器接收射頻信號，讀取信息并解碼后，將信息送至計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)根據(jù)一定的邏輯運算判斷該射頻標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制。
[0007]RFID系統(tǒng)有以下三種基本工作方式:全雙工(Full Duplex)和半雙工(HalfDuplex)系統(tǒng)以及時序(SEQ)系統(tǒng)。全雙工RFID系統(tǒng)中，電子標簽與讀寫器在同一時刻可以相互傳送信息，半雙工RFID系統(tǒng)電子標簽和讀寫器也可雙向傳送信息，但同一時刻只能一個方向傳，這兩種工作方式都是讀寫器發(fā)射電磁波，電子標簽做出一定回應。時序工作方法則是讀寫器輻射出的電磁場短時間、周期性的斷開，電子標簽識別這段間隔，利用這些間隔實現(xiàn)電子標簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸，是一種典型的雷達工作方式。
[0008]RFID的防碰撞問題主要分為兩類，一類是讀寫器的碰撞，一類是標簽的碰撞。所謂標簽的碰撞，即讀寫器在工作的時候，同一時刻，通常會有大規(guī)模的標簽存在于讀寫器的讀寫作用范圍內，當讀寫器作用范圍內有多個未識別的標簽時，每個標簽都會響應讀寫器的查詢命令，發(fā)送信息給讀寫器，而讀寫器同一時間只能與一個標簽進行實時通信，當多個標簽同時向讀寫器發(fā)送命令時，讀寫器無法識別任何一個標簽，即產(chǎn)生碰撞。
[0009]讀寫器的碰撞主要有三種類型:
(I)頻率的干擾。讀寫器工作時，會以讀寫器為中心，向外輻射電磁波，當兩個或兩個以上讀寫器距離太近或者兩個讀寫器的工作頻率相近時，讀寫器向標簽發(fā)射的電磁信號之間會相互產(chǎn)生干擾，導致標簽無法成功識別，這種現(xiàn)象稱為讀寫器頻率的干擾。
[0010](2)標簽的干擾。當標簽同時位于兩個或兩個以上讀寫器的作用范圍內時，不同的讀寫器都會向標簽發(fā)送讀寫信號，這時不同的讀寫器發(fā)送的信號在標簽接收時會發(fā)生信號的重疊，導致標簽不能正確接收其中一個讀寫器的讀寫命令，不能發(fā)送出正確的應答信號，這時這個標簽就會被漏讀，這就是不同的讀寫器對標簽的干擾問題。
[0011](3)隱藏終端的干擾。在實際的RFID系統(tǒng)中，由于讀寫器與標簽之間通信距離的局限性，通常在有限的范圍內，需要大規(guī)模的部署讀寫器，這都加大了讀寫器的碰撞問題，因而在部署RFID應用系統(tǒng)時，讀寫器的碰撞問題也是必須考慮的因素。
[0012]RFID讀寫器與標簽之間進行的是短距離無線通信，解決其標簽之間的碰撞問題主要有基于FDMA，CDMA, SDMA以及TDMA的防碰撞算法，由于RFID標簽尤其是無源標簽功率和功能的限制，采用FDMA，CDMA，SDMA思想設計的防碰撞算法會使讀寫器的硬件設計復雜，增加成本，因而通常采用的是基于TDMA思想設計的防碰撞算法，目前，基于TDMA的標簽防碰撞算法大致可分為兩類:一種是基于ALOHA協(xié)議的隨機算法，另一種是基于搜索樹的確定算法?；贏LOHA協(xié)議的隨機算法主要有三大類=ALOHA算法，幀時隙ALOHA算法，動態(tài)幀時隙ALOHA算法；基于搜索樹的確定算法主要有二進制算法，詢問樹算法，隨機樹生成算法等。
[0013]基于ALOHA類的算法會產(chǎn)生標簽“餓死”的現(xiàn)象，即在讀寫器識別范圍內有的標簽沒有被讀寫器成功識別，出現(xiàn)漏讀現(xiàn)象，因此基于ALOHA類的算法主要適用于小范圍的標簽數(shù)目較少的應用場合。而基于搜索樹類的算法是確定性的算法，能夠保證讀寫器作用范圍內的全部標簽都能夠被全部識別，但是對讀寫器的要求較高。

【發(fā)明內容】

[0014]本發(fā)明目的是減少標簽的碰撞問題，提高系統(tǒng)的識別效率。本發(fā)明在了解了 RFID關鍵技術的基礎上重點研究了 RFID標簽的防碰撞算法，提出基于關聯(lián)ID的RFID碰撞避免新方法，可以應用在不同頻段的RFID技術，如物流倉儲，圖書管理，軍事管理等各種領域，能夠有效的避免標簽碰撞并提聞系統(tǒng)識別率。
[0015]本發(fā)明提供的基于關聯(lián)ID的RFID碰撞避免方法，主要包括如下關鍵步驟:
第1、增加標簽之間的關聯(lián)關系，即:建立標簽之間的某種父、子映射關系，當父標簽被查找到時，子標簽就會被觸發(fā)來發(fā)送自己的ID ;
第1.1、讀寫器發(fā)送第一條指令:“GET_IDUNIT”，所有的標簽收到指令后要將容Parmn與自身ID相對比，若相同，則將Iew/所對應的轉換為二進制脈沖發(fā)送給讀寫器；
第1.2、讀寫器接收標簽發(fā)出的脈沖，并將脈沖對應的值分別入棧，入棧順序由大至小，同樣的值只入棧一次；
第1.3、讀寫器將棧頂單元出棧,并加入指令參數(shù)gParam中，參數(shù)level更新為當前新的棧頂單元的nlevel值，bconf Iict=O,依次識別出部分標簽；
第2、所有已識別的標簽檢測是否有父標簽，若有，則在其對應的父標簽脈沖位上置1，并發(fā)送該二進制脈沖，稱該脈沖為子標簽識別脈沖；
第2.1、讀寫器接收到該子標簽識別脈沖后，便能判斷出哪些標簽存在子標簽，同時讀寫器將該子標簽識別脈沖發(fā)送給標簽，
第2.2、所有子標簽判斷本輪有哪些可讀出的子標簽，并根據(jù)所有子標簽在脈沖序列中的位置，設置對應的延時依次來發(fā)送自己的ID ；
第2.3、讀寫器依次接收子標簽ID，直到參數(shù)棧為空，所有標簽完成識別。
[0016]假設現(xiàn)有ID_0至ID_8共9個標簽，則在所介紹的算法中，ID的識別過程如圖1所
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[0017]圖1中虛線代表了算法的識別路徑。從圖中不難看出，多叉樹算法中，所有標簽都被包含在識別路徑上，假設成功識別完該9個標簽需要的通信次數(shù)力飛
[0018]在多叉樹算法中引入標簽之間的關聯(lián)映射關系，為保證算法設計分析的可靠性，仍然采用圖1中所用到的9個ID，所有標簽的映射關系采用隨機方式生成。假設其中ID的映射關系以及識別路徑如圖2所示。
[0019]圖中Fat標明了父標簽所在位置。如上圖所示，ID_4、ID_5分別以ID_1、ID_2為父標簽，在ID_1、ID_2被識別的同時也被識別。因此識別次數(shù)減少了 I次，識別路徑也變短了。
[0020]圖2中，父標簽與子標簽的映射關系為隨機映射，從圖2可以看出，父標簽ID_7在子標簽ID_3之后被識別，因此，兩標簽之間的映射關系并未起到作用。下面針對進一步優(yōu)化標簽之間的映射關系做討論。
[0021]不難想象，若要將所有的映射關系盡可能的使用，那么要保證父標簽要出現(xiàn)在子標簽之前。下面的模擬過程對映射關系加以約束，即:要求所有隨機生成的映射關系要保證除第一個標簽以外的所有標簽的父標簽ID都要小于標簽本身的ID。選取的標簽ID與圖2中完全相同，按上述約束重新規(guī)劃映射關系，標簽的識別過程如圖3所示。
[0022]ID_3.1D_4.1D_5都能夠被提前識別到，因此在讀寫器訪問第②號分支時，所有標簽都不會應答，因此相對于圖1所示的原始多叉樹算法，通信次數(shù)總共減少了 4次，對比圖2所示的改進多叉樹算法，識別次數(shù)減少了 3次，效率必然會得到更大的提高。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果
本發(fā)明提供的基于關聯(lián)ID的碰撞避免新方法可有效的解決標簽碰撞問題，提聞系統(tǒng)識別效率。
[0024]將該方法應用于基于多叉搜索樹的確定性防碰撞情況中，其好處是單次通信可以同時識別多個標簽，極大的提高了識別效率，避免了標簽碰撞；將該方法應用于不確定性的ALOHA防碰撞情況中，讀寫器可以依據(jù)脈沖的位置判斷出空時隙的位置，從而在讀取時隙時，可以避免由于讀取空時隙而造成的標簽碰撞問題。理論以及實驗表明，該方法不受ID長度限制，并且具有較高的識別效率，在標簽數(shù)量較少或多標簽的情形下，識別效率均在85%以上，當標簽數(shù)較多時，效率可超過90%，有效的避免了標簽的碰撞問題。[0025]本碰撞避免新方法發(fā)明可應用于多個RFID技術應用領域，例如，物流倉儲，商業(yè)零售，工業(yè)制造，服裝行業(yè)，醫(yī)療管理，交通管理，食品安全，動物識別，圖書管理，航空管理，軍事管理，煤礦安全等。
[0026]【【專利附圖】

【附圖說明】】
圖1是多叉樹算法中ID的識別順序。
[0027]圖2是引入映射關系后的多叉樹算法識別路徑及映射關系圖。
[0028]圖3是對映射關系填加約束后的識別路徑及映射關系圖。
[0029]圖4是多叉樹防碰撞方法讀寫器工作流程圖。
[0030]圖5是多叉樹防碰撞方法標簽工作流程圖。
[0031 ] 圖6是標簽ID配置圖。
[0032]【【具體實施方式】】
本發(fā)明設計方法中，讀寫器工作流程如圖4所示，標簽工作流程如圖5所示。
[0033]所有標簽要檢測識別到的標簽中，是否包含父標簽，若有，則在父標簽對應的脈沖上置1，并發(fā)送該二進制脈沖，稱該脈沖為子標簽識別脈沖。讀寫器接收到該子標簽識別脈沖后，便能判斷出哪些標簽存在子標簽，同時讀寫器還要將該子標簽識別脈沖發(fā)送給標簽，所有子標簽也能夠判斷出本輪有哪些可讀出的子標簽，并且根據(jù)所有子標簽在脈沖序列中的位置，設置對應的延時依次來發(fā)送自己的ID。
[0034]本發(fā)明具體識別過程:
我們以10個標簽的識別為例來詳細說明設計算法的識別過程。假設標簽ZD長度為16bit，每4bit構成一個UNIT，則共有4個UNFT，分成4個: O - 3 ,因此流程圖中U值為4,設有如圖6所示標簽ID配置。
[0035](I)讀寫器發(fā)送第一條指令:“GET_IDUNIT”，其中指令參數(shù):Ievd =0, gParam=NULL ;所有的標簽收到指令后要將講#.與自身ZD相對比，其中相當于￡￡)的前綴，若相同，則將&胃1所對就的轉換為二進制脈沖發(fā)送給讀寫器，本條指令中，因level值為O,即要求/￡)發(fā)迭LFL0 , LFL0之前沒有前綴，因此gfkm?為空，所有/￡)均返回LVL0。
[0036](2)讀寫器收到的標簽回復結果全部入棧。
[0037](3)讀寫器將結果棧的棧頂單元內容出棧，加入到指令參數(shù)中，有l(wèi)evel=0+l=l，gParam為當前nIDUNITValue值為I,由于level〈M-l=4_l=3，因此下一條指令仍然為:“GET_IDUNIT”，其中指令參數(shù)為:ievd =1，gParam =1 ;所有RFID標簽將gPar艦與自身
ID對比后，只有ID_3有與gf'amm相同，因此/￡)將=1所指明的LVL1 =9發(fā)送出來。
[0038](4)讀寫器接收完后，將棧頂單元出棧，把該單元的nIDUNITValue加入到指令參數(shù) gParam 中，有 level=l+l=2, gParam 為 1_9，由于 level〈M-l=4_l=3，因此下一條指令仍然為:“GET_IDUNIT”，其中指令參數(shù)為-Jevd =2，gParam =1_9 ;所有 RFID 標簽將
與自身iD對比后，只有ID_3有與?Pdsra?3相同，因此/￡)將=2所指明的LFL2 =12發(fā)送出來。[0039](5)讀寫器接收完后，將棧頂單元出棧，把該單元的nIDUNITValue加入到指令參數(shù)gParam中，有l(wèi)evel=2+l=3, gParam為1_9_12,當前Iewi +1后值為3,等于M,即取
RFID中/￡)的最后一個ΜΛ?，即，得到LVL3以后，即可根據(jù)與發(fā)出該指令后仍回復的數(shù)據(jù)得出完整的標簽ZD。指令類型為:“GET_ID”，指令參數(shù)為:=3，gParam=1_9_12 ;所有ID做對比后ID_3的前綴與gPamw完全相同，因此ID_3返回LVL3，完成了一次ID識別。
[0040]ID_3成功識別后，因ID_5中映射的父標簽為ID_3，因此，在ID_3發(fā)送完自身ID后，在延時T結束后，ID_5被觸發(fā)，也發(fā)送其自身ID，完成了標簽的“自動發(fā)送功能”。ID_5成功識別。
[0041] 剩余標簽的識別過程與上述過程基本相同，直到完成所有標簽的識別。
【權利要求】
1.基于關聯(lián)ID的RFID碰撞避免方法，其特征在于該方法主要包括如下關鍵步驟: 第1、增加標簽之間的關聯(lián)關系，即:建立標簽之間的某種父、子映射關系，當父標簽被查找到時，子標簽就會被觸發(fā)來發(fā)送自己的ID ; 第1.1、讀寫器發(fā)送指令:“GET_IDUNIT”，所有的標簽收到指令后要將gParam與自身ID相對比，若相同，則將所對應的
【文檔編號】G06K7/00GK103942514SQ201410112553
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權日:2014年3月25日
【發(fā)明者】張德干, 宋孝東, 張曉丹, 梁彥嬪 申請人:天津理工大學