专利名称：一种同时读取多个标签的防碰撞的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种无线射频识别(RFID)技术，尤其是一种同时读取多个RFID标签的防碰撞的系统和方法。
背景技术：
无线射频识别的英文名称为RFID(Radio Frequency Identification)，它是非接触式自动识别技术的一种。最简单的RFID系统由标签(Tag)、阅读器(Reader)和信息处理子系统三部分组成。其工作原理并不复杂标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；阅读器读取信息并解码后，送至信息处理系统进行有关数据处理。
射频识别技术具有快速处理的优点，这是因为射频识别技术能够进行多个标签同时识别，即阅读器可以同时识别出进入阅读场内的多个标签。然而射频识别技术中存在这样一个问题当多个标签同时响应阅读器的信号而发送信息时，将会引起信号碰撞从而使阅读器无法正确识别标签，这一现象被称作标签碰撞。
本发明便是针对射频识别技术中存在的标签碰撞问题，基于现有的防碰撞方法提出新的改进，从而使阅读器能够更加高效的正确识别出多个标签，以提高系统的整体性能。
美国专利5521601公开了区别多个标签的功率有效技术。该专利提供了标签识别系统和方法，用于识别在阅读场内的标签。该专利中标签被划分成较小的分组并且在一段时间识别一个分组，于是通过使不在当前识别组中的标签断点来节省能量。各个标签用它们各自存储的参数和从阅读器接收的参数进行计算来把它们自己放入一个组中。这种接收需要许多的发射单元和复杂的定位单元。
国际标准化组织的ISO18000-6空中接口标准中公开了以下两种方法作为多标签识别的防碰撞方法二进制树搜索方法和动态分帧时隙Aloha方法。
其中二进制树搜索方法的防碰撞过程大致如下阅读场内所有标签接收到阅读器的询问信号后同时将序列号发送给阅读器，阅读器根据接收到的多个序列号来确定出标签在传输过程中发生碰撞的数据位，然后根据这些发生碰撞的数据位对序列号逐一进行置位来搜索阅读场内的标签。该方法需要标签在发送数据前进行严格的同步，而且由于阅读器与标签之间的数据交互比较频繁，因此通信过程中所需通的带宽比较大。
类似于上述这种二进制树搜索方法，我国授权公告号为CN 1165865C的专利公开了一种方法。该方法包括，从阅读器发送一个包括多个部分的询问信号，每个部分对应于标签序列号的一个预定位，并能够传送该位的给定值，其中在预定位列有该值的标签被配置来调制该信号，该调制用来识别标签的出现。除此以外，美国专利5515053公开了一种射频识别通信系统，其中阅读器发射包括整个数码通配符地编码信号。如果接收到多个信号，阅读器就发射另一个编码信号，但是在编码中减小了通配符。重复该过程直到只接收到一个信号。这两种方法都具有与二进制树搜索方法相同的不足之处。
ISO18000-6标准中的动态分帧时隙Aloha方法是将N个时隙组成一个时间帧，令所有标签将在每个时间帧内随机选择一个时隙发送序列号给阅读器。阅读器在成功接收一个标签的序列号后发送静默信号使该标签不再发送序列号。阅读器经过一个识别周期后，根据阅读场内为识别标签的个数重新确定一个时间帧内的时隙数，进行下一个识别周期的识别。由于这一方法是一种不确定性方法而且吞吐量比较低，当大量标签快速通过阅读场时，阅读器可能会漏掉某些标签未将它们识别出来，导致数据的不完整。所以本发明致力于研究一种方法，使其能够提高同时识别多个标签的防碰撞的性能。
发明内容
本发明涉及一种同时读取多个标签的防碰撞的系统和方法。根据本发明的各个方面，此射频识别系统包括一个或多个阅读器和若干个标签。
其中阅读器包括用以发射无线信号的一组天线，数据通信控制模块，与数据处理设备的接口以及供电电源。天线组用来发送并接收无线信号与标签进行通信；数据通信控制模块用来控制通信的流程，例如控制阅读器在何时发送同步帧和各种控制信号等；与数据处理设备的接口包括计算机串口(RS232)和网络接口(TCP/IP)，用来将接收的数据发送至数据处理设备。此外，每个标签包括一个存储器和无线通信装置。存储器里面储存了一个预先分配的包含固定数据位长度的序列号和标签的状态；无线通信装置主要包含天线和通信控制模块，用来接收和发送无线信号与阅读器交换数据。有些标签(主动标签)还包含电池用来供电，其他标签(被动标签)由无线通信装置中的天线供电。
为了解决现有技术中延迟大和吞吐量小的问题，本发明是通过以下技术方案实现的，其步骤为a)阅读器循环发送询问信号查看阅读场内是否有未识别的标签存在，该信号要求所有接收到询问信号的未识别标签应答；刚一进入阅读器的阅读范围(阅读场)的标签收到询问信号后向阅读器发送应答信号，并将标签的状态从关闭变为就绪；b)阅读器接收到标签发送来的应答信号后，发送时间帧的大小(一帧中包含的微时隙的个数)给所有标签，标签根据接收到的时间帧大小，各自从该范围内中选择一个随机数，并按照这个随机数排列各其所占用的微时隙的顺序，之后，所有标签等待阅读器发送同步帧；c)阅读器发送一个同步帧给所有标签，标签在接收到同步帧后在自己随机选择的微时隙上发送一个随机数给阅读器；d)阅读器依次查询在不同微时隙上读取数据的情况，在对应的时隙上，跳过空闲和发生碰撞的时隙，在能够正常传输数据的时隙上接收标签的序列号；e)阅读器在依次查询过所有的微时隙后，根据在不同微时隙和时隙上读取数据的情况，计算出下一个识别周期的时间帧的大小(这里，一个识别周期是指从步骤b)中的阅读器发送时间帧的大小给所有标签到本步骤中计算出新的时间帧的大小为止的识别过程)；f)识别过程进入下一个识别周期，重复步骤b)至步骤e)，直到阅读场内所有标签的序列号被读取。
上面步骤中提到的时隙上读取数据的情况一共有三种该时隙空闲，即没有标签在对应的微时隙中传输随机数；该时隙正常传输，即仅有一个标签在对应的微时隙中传输随机数；该时隙传输发生碰撞，即有多于一个的标签在对应的微时隙中传输随机数。阅读器可以通过不同微时隙上读取数据的情况判断出对应时隙上读取数据的情况。
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种利用微时隙提前预约对应发送时隙的方法。其中一个时间帧包含了若干微时隙和若干时隙，而微时隙和时隙是相对于同步帧通过不同的时间量各自的延迟。二者在时间上互不重合，在逻辑关系上是一一对应的。微时隙处于时间帧的前部，它用来传输一个随机数用于预约需要传输数据的时隙；时隙处于时间帧的后部，用来传输标签的序列号。由于传输用于预约的随机数所需时间较少，我们将这段时间称为微时隙。这种提前预约该方法包括以下内容标签在接收到阅读器发送来的同步帧后，并不是立即在所选的时隙上发送其预先分配的固定数据位长度的序列号，而是在选择的对应微时隙上发送一个随机数。一个时间帧中的微时隙和时隙的总数量是相等的，在一个识别周期内所选的微时隙和时隙总是一一对应的，即在同一个识别周期内，标签在第i个微时隙上发送随机数进行发送时隙的预约，如果预约成功，则将在对应的第i个时隙上发送自己的序列号给阅读器。在微时隙上发送的随机数用来区别不同的标签，阅读器通过接收微时隙上发送的随机数来检测后面对应的时隙上读取数据的情况a)如果阅读器在微时隙上发现空闲或碰撞，即在微时隙上没有接收到数据或接收到多个标签发送来的不同的随机数，那么阅读器将在后面对应的时隙上发送结束信号给所有标签，提前结束本时隙，令识别过程进入下一个时隙。
b)如果阅读器在微时隙上接收到未发生碰撞的数据，即在微时隙上仅接收到一个随机数，那么阅读器将在后面对应的时隙上接收标签发送来的序列号，并检验序列号的正确性和完整性。若检验无误，则发送一个静默信号给该标签，令其转入休眠状态，使其在以后的识别周期中不再发送信号，之后阅读器发送结束信号给所有标签；若经过检验阅读器发现接收到的序列号有误，则直接发送结束信号给所有标签，提前结束本时隙，令识别过程进入下一个时隙。标签在微时隙上发送的随机数的长度应远小于标签在时隙上发送的序列号的长度，这样通过微时隙预约对应的发送时隙便可减小系统延迟。
根据本发明的一个方面，提供了一种标签状态转换的方法，标签的存储器中有两个数据位用来记录其状态。标签在未进入阅读场时状态为关闭，状态值为00，即表示标签不能发送信号，无法和阅读器通信。在进入阅读场后，状态变为就绪，用01表示，这时标签等待接收阅读器控制信号并准备发送数据。当接收到一个同步帧后，标签转入发送状态，它将在所选择的时隙上发送序列号给阅读器，此时状态值为10。当阅读器通过校验接收的数据并能够确定接收成功后，在该时隙结束之前发送静默信号给相应标签，将其状态值置为11，使该标签转入休眠状态。由于处于休眠状态的标签已经被阅读器成功识别，无需再发送序列号给阅读器，因此，在下一个识别周期内即使标签仍处于阅读场内，也不会发送自己的序列号。在每个识别周期的初始阶段，标签都需要在接收到阅读器发来的同步帧后，先检查自己的状态值是否为10，只有处于发送状态的标签才能在所选的时隙上发送自己的序列号。
根据本发明的另一方面，提供了一种动态设定时间帧大小的方法。时间帧的大小是指一个识别周期内的微时隙或时隙的总数量。随着识别过程的进行，阅读场内未识别标签的个数逐渐减少，为了保证系统的识别性能阅读器要根据未识别标签的个数来动态设定时间帧大小。阅读器在第一个识别周期无法预测阅读场内未识别标签的个数，因此在第一个识别周期，阅读器发送一个预先设定的时间帧大小给所有标签。在第一个识别周期之后，阅读器通过微时隙和时隙上读取数据的情况来计算下一个识别周期的时间帧大小。以后的各个识别周期均根据上一个周期读取数据的情况来计算本周期内时间帧的大小。
图1为根据本发明一个实施例的同时读取多个标签的防碰撞系统组成框图；图2示出了同时识别多个标签的防碰撞方法的示范性操作的流程；图3为成功发送序列号的标签的状态转换图；图4示出根据本发明一个实施例的第一个识别周期中微时隙与时隙的组成以及它们之间的对应关系，图中微时隙方框里的数字表示接收到的随机数的个数，时隙方框中的si表示第i个时隙，图中的箭头表示了微时隙与时隙的逻辑对应关系，即传输数据的时隙由其箭头指向的微时隙预约。
具体实施例方式
如图1所示，无线射频识别系统1包含了阅读器2和8个标签31至38，其中阅读器2又包括一组天线20，数据通信控制模块21，与数据处理设备的接口22以及供电电源23；标签31至38又包括存储器30和无线通信装置31(天线310和通信控制模块311)，标签31至38还可能包含了电池(图中未示出)。
图1中所示的阅读器2的天线组20和标签31至38的天线310之间建立了无线射频的链路。这条链路间的距离可有标签的类型(主动式或被动式)以及阅读器2的发射功率等参数确定。为了说明本发明的可行性，这里所示标签与阅读器2之间的距离在1米以内。
图1中的标签31至38均被分配了一个唯一的序列号，每一个标签31至38都可以根据其唯一的序列号与标签31至38中的所有其它标签进行区别，这些序列号均是长度为4位的二进制数。标签31至38的序列号在分配好后储存在存储器30中，存储器30中还有两个数据位用来储存标签31至38的状态值。除了序列号和状态值以外存储器30中还存储了贴有该标签的物品的信息。
如图2所示，阅读器2经过初始化(401)后按照以下步骤来识别标签a)阅读器2循环发送询问信号(402)查看阅读场内是否有未识别标签，标签31至38在未进入阅读场时其存储器30中储存的标签状态值为00，表示其状态为关闭90(见图2)，在进入阅读场并接收到阅读器2发送的询问信号后标签31至38发送应答信号给阅读器2，标签31至38发送完应答信号后将存储器30中储存的标签状态值设置为01，使其状态变为就绪91；b)阅读器2接收到标签31至38发送的应答信号后，发送时间帧大小的初始值(403)8给所有标签，标签31至38根据接收到的时间帧大小各自从中随机地选择一个微时隙(各标签选择的微时隙见表1)，并等待阅读器2发送的同步帧；c)阅读器2发送一个同步帧(403)给标签31至38，标签31至38在接收到同步帧后将其存储器30中储存的标签状态值为10，表示其状态变为发送。状态改变后，标签31至38在自己所选的微时隙上发送一个随机数(404)，其中第k个微时隙是相对于同步帧的第k个延迟(各标签所发送的随机数请参见表1)；d)从表1中可以看出在第1、4、6和8微时隙上仅有一个标签发送随机数，它们分别是标签32、37、31和34，因此在这些微时隙上阅读器2仅收到一个随机数，除此以外，在第3微时隙上有两个标签33和36发送同一个随机数给阅读器2，因此在该微时隙上阅读器2也仅收到一个随机数01，所以阅读器2认为这五个微时隙的数据读取情况都是正常传输(405)，将预约在这五个微时隙对应的时隙上接收相应标签发送的序列号(406)。从表1中还可以看出在第2和5微时隙上没有标签发送数据，即该微时隙的数据读取情况为空闲(405)。而第7微时隙上有两个标签35和38发送不同的随机数11和10给阅读器2，因此在该微时隙上发生传输碰撞(405)，也就说明了阅读器2在对应的第7时隙上接收不到正确数据。所以当阅读器2在识别过程依次查询不同时隙对应微时隙的读取数据的情况，并发现以上两种时隙的时候，阅读器2会直接发送结束信号(409)给标签31至38，提前结束本时隙，令识别过程进入下一个时隙。其中该识别周期中的微时隙与时隙的组成以及它们之间的对应关系如图3所示。
表1第一个识别周期开始时各标签的参数列表举例
e)图3中示出阅读器2在第1、3、4、6和8时隙上接收各标签发送的序列号，并在接收后校验所接收序列号的正确性(407)。标签32、37、31和34发送的序列号经校验无误后，阅读器2发送静默信号(408)给标签32、37、31和34，接收到静默信号的标签32、37、31和34将其存储器30中储存的标签状态值设置为11，即令它们的状态转为休眠93(见图3)，此后阅读器2再发送结束信号(409)给标签31至38，结束本时隙的数据传输，令识别过程进入下一个时隙；而在第3时隙上接收的两个标签33和36发送的序列号经阅读器2校验发现错误，阅读器2会直接发送结束信号(409)给标签31至38，结束本时隙的数据传输，令识别过程进入下一个时隙。
表中XCH4为甲烷转化率，YC2为C2烃总收率，SC2为C2烃产物选择性，YC20为乙烷的收率，YC2＝为乙烯的收率，YC2≡为乙炔的收率，Ee为反应的能量效率研究结果表明电源功率和原料气流率大小对反应结果有明显影响，经综合优化比较反应的适宜条件为常压(101.3Kpa-105Kpa)，反应温度20℃-100℃，电源输入功率20W-80W.甲烷原料气流率20ml/min-100ml/min所得CH4单程转化率为50-60％，C2烃选择性为80％，C2烃收率为40-50％，反应的能量效率9.2％-20.5％。
k)该步骤识别过程类似于步骤f)，在结束第二个识别周期后，阅读器2发现成功识别了2个标签35和38，同时也发现了有一个微时隙上的数据传输发生了碰撞，并估计出下一个时间帧的大小(411)为2。
l)在第三个识别周期中，阅读器2发送时间帧大小(403)的估计值2给所有标签，标签33和36根据接收到的时间帧大小各自从中随机地选择一个微时隙，此时标签31、32、34、35、37和38都处于休眠状态，将不选择时隙和随机数(各标签所选择的微时隙请参见表3，表中x表示未选择发送时隙数，xx表示未选择随机数)，并等待阅读器2发送的同步帧；表3第三个识别周期开始时各标签的参数列表举例
m)该步骤识别过程类似于步骤c)、d)和e)，阅读器2通过微时隙上的预约(404)、时隙上的数据接收(406)和对数据的校验(407)，成功的接收了标签33和36序列号，并发送静默信号(408)给这两个标签，使它们的状态转变为休眠。
n)在结束第三个识别周期后，阅读器2发现又成功识别了2个标签33和36，而且并无碰撞发生。因此，将下一个时间帧的大小(411)设置为1。
o)在第四个识别周期中，阅读器2发送时间帧大小(403)的值1给所有标签，此时，所有标签31至38都处于休眠状态，没有标签在微时隙上发送随机数(404)。
p)阅读器2认为阅读场内没有未识别的标签，重新发送询问信号(402)查看阅读场内是否有未识别标签。
以上便是本发明一个实施例的完整的识别过程。此外，当标签31至38移动出阅读场后，其存储器30中储存的标签状态值将清零(00)，标签31至38将自动还原回关闭状态。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本笈明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
权利要求
1.一种同时读取多个标签的防碰撞的系统，该系统包含了一个或多个阅读器和多个标签，其中阅读器能够通过无线的方式读取标签内存储的数据，而且可以通过有线的方式将读取的数据传送至数据处理设备；并且所述标签被预先分配了一个序列号，而且标签能够通过无线的方式将序列号发送给阅读器。
2.如权利要求1所述的系统，其中的阅读器包括用以发射无线信号的一组天线，数据通信控制模块，与数据处理设备的接口以及供电电源。
3.如权利要求1所述的系统，其中的标签被分配了一个唯一的序列号用来与其他标签进行区别，而且该序列号是预先确定的并具有预先固定的位数；权利要求1中所述的标签包括用来储存序列号的存储器和通过无线的方式发送其序列号的装置。
4.一种同时读取多个标签的防碰撞的方法，其特征在于，包括以下步骤a)阅读器循环发送询问信号查看阅读场内是否有未识别标签存在，该信号要求所有接收到询问信号的未识别标签应答，应答后的标签进入就绪状态；b)阅读器接收到标签发送来的应答信号后，发送时间帧的大小(一帧中包含的微时隙的个数)给所有标签，标签根据接收到的时间帧大小各自随机地选择一个微时隙，并等待阅读器发送的同步帧；c)阅读器发送一个同步帧给所有标签，标签在接收到同步帧后在自己所选的微时隙上发送一个随机数给阅读器；d)阅读器根据在不同微时隙上读取数据的情况，依次在能够正常传输数据的时隙上接收标签的序列号；e)阅读器根据在不同微时隙和时隙上读取数据的情况，计算出下一个识别周期的时间帧的大小(这里，一个识别周期是指从步骤b)中的阅读器发送时间帧的大小给所有标签到本步骤中计算出新的时间帧的大小为止的识别过程)；f)识别过程进入下一个识别周期，重复步骤b)至步骤e)，直到所有标签的序列号被读取。
5.如权利要求5所述的方法，其特征在于，标签一共包含关闭、就绪、发送和休眠四个状态。其中关闭状态表示标签未进入阅读场不能发送信号，就绪状态表示标签已进入阅读场准备发送信号，发送状态表示标签在阅读场内正在发送信号，而休眠状态表示标签虽在阅读场内但不响应阅读器的信号。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中一个时间帧包含了若干微时隙和若干时隙，而微时隙和时隙是相对于同步帧通过不同的时间量各自的延迟。二者在时间上互不重合，在逻辑关系上是一一对应的。微时隙处于时间帧的前部，它用来传输一个随机数用于预约需要传输数据的时隙；时隙处于时间帧的后部，用来传输标签的序列号。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中的阅读器可以通过发送结束信号提前结束一个时隙，从而转换到下一个时隙。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中的阅读器通过不同微时隙上读取数据的情况可以判断出对应时隙上读取数据的情况。时隙上读取数据的情况一共有三种该时隙空闲，既没有标签在对应的微时隙中传输随机数；该时隙正常传输，既仅有一个标签在对应的微时隙中传输随机数；该时隙传输发生碰撞，既有多于一个的标签在对应的微时隙中传输随机数。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤，其中的阅读器依次查询不同时隙对应微时隙的读取数据的情况，直到发现能够正常传输数据的时隙时，在该时隙上读取标签的序列号，阅读器在读取数据后校验接收的标签序列号是否正确，如果验证了序列号接收无误，就发送静默信号给相应的标签，使其在以后的识别周期不再响应阅读器发送的信号，直到标签退出阅读场；如果验证了序列号接收有误，阅读器发送结束信号给所有标签，提前结束本时隙，令识别过程进入下一个时隙。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤，其中的阅读器依次查询不同时隙对应微时隙的读取数据的情况，当发现空闲的时隙或者传输发生碰撞的时隙时，阅读器直接发送结束信号给所有标签，提前结束本时隙，令识别过程进入下一个时隙。
全文摘要
本发明涉及一种同时读取多个标签的防碰撞的系统和方法。该系统(1)包括阅读器(2)和多个标签(3)，其中阅读器能够通过无线的方式读取多个标签内存储的序列号。本发明所涉及的防碰撞方法的技术方案为标签在每个时间帧内随机选择一个时隙进行序列号的传输，且每个时间帧内包含的时隙数量是动态分配的，除此以外，本发明的防碰撞方法通过在处于每个时间帧前部的微时隙上发送一个随机数来提前获得处于每个时间帧后部的时隙上的数据读取的情况，从而预约在正常传输数据的时隙上接收标签的序列号。
文档编号G06K7/00GK1845125SQ20061008083
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者韩景朝, 谢湘, 匡镜明 申请人:北京理工大学