无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法，涉及物联网中的RFID射频识别领域。本系统包括标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）、天线（14）和电子标签（15）；标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）和天线（14）依次连接；天线（14）和电子标签（15）相互连通。本发明专利技术最大程度上减少了搜索时隙的数量；显著提高了阅读器对多标签的识别效率。适用于RFID系统中阅读器对多个电子标签的快速识别。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物联网中的RFID射频识别领域，尤其涉及一种无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法。
技术介绍
无线射频识别(RFID)是一种非接触性的自动识别技术，可以通过无线信号识别目标，无需在阅读器和标签之间建立光学或者机械接触。相对于其他自动识别技术，RFID具有远距离识别、体积小、抗污染能力强、数据容量大和可靠性好等优点。随着物联网技术的发展，RFID被广泛应用于智能化交通、自动化工业和自动化商业等领域。基本的RFID系统主要包括阅读器和电子标签两个结构，阅读器以无线信号进行广播，在阅读器工作范围内的所有标签均可以接受到该无线信号。但由于读取器仅有一个共享的无线信道，如果多个电子标签在收到阅读器广播后同时响应，将导致多个标签传送的信息发生碰撞，阅读器无法读取信息。为了让阅读器者可以正确读取电子标签信息，就必须以某种方式使标签反复发送消息，以避免碰撞发生。因此，设计有效的防碰撞协议来识别多个标签将有非常重要的意义。在RFID系统中，阅读器和标签之间的碰撞，有两种主要的类型：阅读器碰撞和标签碰撞。阅读器碰撞存在两种情况，第一种指的是阅读器和阅读器之间的碰撞，这是当两个阅读器工作在同一区域时，一个阅读器发出的信号干扰了另一个阅读器的正常工作，导致两个阅读器均不能正常地和工作区域内的标签进行通信。第二种是指在阅读器和标签之间的碰撞，这意味着当一个标签是同时工作在多个阅读器的工作区域内时，标签同时接受到多个阅读器的广播，这些阅读器将同时与该标签进行通信，此时标签将不知道如何响应这些阅读器的通信请求。标签碰撞则是指处于同一工作区域的多个标签同时响应一个阅读器的广播，此时阅读器不知道应该与哪一个标签通信，从而无法正常读取标签的信息。现今防标签碰撞的方法主要分为两种，分别是基于Aloha防碰撞协议和基于树的防碰撞协议。基于Aloha防碰撞协议是一种非确定性的协议，当标签进入阅读器的工作区域中后自动向阅读器发送响应，即“标签先发言”。如果在同一时间有多个标签响应则会发生信号干扰，即发生碰撞。阅读器在检测到碰撞后则广播一条延迟指令，标签在收到该指令后会采取某种退避方式延迟一段时间再重新发送响应，尽可能地使多个标签能够先后响应阅读器，从而避免发生碰撞，延迟时间的长度是依照某种概率随机生成的。这种依照概率决定延迟时间的方式是不稳定的，当标签数量增加时碰撞的概率就会增加，方法的效率就会大幅度下降，并且Aloha方法容易产生“标签饿死”的现象。基于树的防碰撞协议是一种确定性的协议，它可以保证阅读器能够识别所有标签。基于树的防碰撞协议的基本思想是将阅读器工作区域内的所有标签分裂为不同的子集，每个子集在进行分裂直至每个子集中只存在一个标签，此时阅读器就可以对此标签进行识别。基于树的防碰撞协议容易产生“初始冗余碰撞”问题，即在搜索的初始阶段，搜索分裂出的子集数量较少，这导致每个子集内存在大量的标签，如果阅读器对每个子集内的标签进行广播则必然会发生标签碰撞。这种在初始阶段发生的碰撞在很大程度上降低了搜索效率，行之有效的解决方案是在搜索开始之前就事先将标签分裂为多个子集，并对每个子集进行搜索。但是现在面临的问题是：如果分裂出的子集数量过少，则每个子集内仍会存在大量标签，并不能达到方法的最优效果；如果分裂出的子集数量过多，则每个子集内的标签就会非常少甚至没有标签，如果依次对这么多子集进行搜索则并不能提高效率，反而会增加系统的开销，这种情况也不能达到方法的最优效果。
技术实现思路
本专利技术的重点和难点就是如何恰当地选取分裂数，并分裂出合适数量的子集，从而使搜索效率达到最优；因此，本专利技术的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种无线射频识别系统及其多标签防碰撞预分析式识别方法，从而提高对标签的识别效率。本专利技术的目的是这样实现的：通过预分析单元在搜索之前分析树中结点存在ID号的概率来计算出最佳分裂数。如果已知标签的数量，预分析单元就可以在搜索之前通过分析树中结点存在ID号的概率来计算出最佳分裂数。因为本方法采用“概率”将“存在ID号的可能性”这一概念进行量化，所以整个分析过程都是“可运算的”，这在一定程度上提高了方法的灵活性和准确性。预分析过程使用到了三个比较重要的变量，分别是总时隙数量，M标签数量，n分裂数。为了让总时隙数量最小，即效率最高，我们通过求极值的方法得到了M和n的最优数量关系，该关系被表示成一张映射表。同时在ID号长度确定的情况下，映射表可以被固化在预分析单元的硬件设置中。预分析单元只要获取标签数量M，即可通过查表得到最优分裂数n，并达到最优搜索效率。相对于以往的基于树的防碰撞方法，本方法在很大程度上避免了空闲时隙和碰撞时隙的产生，从而提高了方法的效率。具体地说：一、无线射频识别系统(简称RFID)RFID包括标签数量测量装置、预分析单元、阅读器、天线和电子标签；其连接关系是：标签数量测量装置、预分析单元、阅读器和天线依次连接；天线和电子标签相互连通。二、多标签防碰撞预分析式识别方法(简称方法)本方法包括下列步骤：①标签数量测量装置获取标签数量M，预分析单元得出分裂位数n，阅读器生成2n种前缀并加入前缀集合P；②阅读器从前缀集合P中取出一个前缀prefix并使用天线广播，收到广播的标签进行选择性回应；③阅读器判断是否无标签响应，是否有多个标签响应和是否有且仅有一个标签响应，并作出响应操作；④阅读器判断前缀集合是否为空，否则返回步骤②，是则表明所有标签均识别完毕，此时结束搜索。本专利技术的工作原理：RFID的搜索过程可以被抽象成一种树形结构，其中结点的数量等于搜索的总时隙数量，即对应了RFID的搜索效率；为了最大程度的降低总时隙数量提高效率，本专利技术采用预分析方式首先计算出一定长度ID号对应的最优分裂数，再进行搜索。设为总时隙数量，M为标签数量，n为分裂数，则有以下公式 M ‾ ( M , n ) = 2 M + ( 2 ( 1 - M / 2 N ) 2 N - n - 1 ) · 2 n ]]>为了让总时隙数量最小，我们通过求偏导数得出与M和n的最优关系方程，同时可以得出在最优关系方程的情况下M和n需要满足的数量关系，这一关系被表示成一张映射表，其中M每处于一个区间时，预分析单元即可得出对应的n值，映射表的通式如下：nM区间1[0,M2]2(M2,M3]3(M3,M4]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线射频识别系统，其特征在于无线射频识别系统（10）包括标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）、天线（14）和电子标签（15）；其连接关系是：标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）和天线（14）依次连接；天线（14）和电子标签（15）相互连通。

【技术特征摘要】
1.一种无线射频识别系统，其特征在于无线射频识别系统（10）包括标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）、天线（14）和电子标签（15）；其连接关系是：标签数量测量装置（11）、预分析单元（12）、阅读器（13）和天线（14）依次连接；天线（14）和电子标签（15）相互连通。2.按权利要求1所述的一种无线射频识别系统，其特征在于：所述的预分析单元（12）其核心是一张映射表，映射表的原象是标签数量区间，象为分裂位数。3.按权利要求1所述的一种无线射频识别系统，其特征在于：所述的电子标签15包括第1、2……M电子标签15-1、15-2……15-M，M是自然数，1≤M≤2N，N等于ID号的长度。4.基于权利要求1-3所述无线射频识别系统的多标签防碰撞预分析式识别方法，其特征在于包括下列步骤：①标签数量测量装置获取标签数量M，预分析单元得出分裂位数n，阅读器生成2n种前缀并加入前缀集合P；②阅读器从前缀集合P中取出一个前缀prefix并使用天线广播，收到广播的标签进行选择性回应；③阅读器判断是否无标签响应，是否有多个标签响应和是否有且仅有一个标签响应，并作出响应操作；④阅读器判断前缀集合是否为空，否则返回步骤②，是则表明所有标签均识别完毕，此时结束搜索。5.按权利要求4所述的多标签防碰撞预分析式识别方法，其特征在于步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚军，梁心宇，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42