CN102073833B

CN102073833B - 超高频rfid读写器的标签侦测及负荷动态优化方法

Info

Publication number: CN102073833B
Application number: CN2009101991142A
Authority: CN
Inventors: 柳林林; 王斌; 陈家能; 仲海洋; 张倍; 刘宝昌; 张鸣岐; 张德卿
Original assignee: Shanghai Shijia Electroonic Science & Technology Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI SAGE INTELLIGENT SYSTEM Co.,Ltd.
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: CN102073833A

Abstract

本发明公开一种超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法，其包括以下步骤S1至S9：比如S1，初始化超高频RFID读写器及工作状态：天线号为M、连续读取天线辐射范围内标签为零的次数为N、无标签时读写器的休息时间为T1、有标签时读写器的休息时间为T2，且T1大于T2；设置各天线辐射范围内初始状态为无标签，当前扫描天线号m从一号天线开始扫描；S2，选择m号天线，判断m号天线辐射范围内是否有标签，如果是则进入步骤S5；如果否则进入步骤S3。本发明通过侦测天线辐射范围内是否有标签存在来动态优化读写器的负荷分配，从而提高各天线范围内的标签识别效率，动态地适应现场工作环境，降低部署读写器的技术难度。

Description

超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法

技术领域

本发明涉及一种超高频RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)读写器，特别是涉及一种超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法。

背景技术

射频识别技术是利用无线射频方式进行非接触式双向通信，以达到识别目标和交换数据的目的，实现对各种对象在不同状态下的自动识别和管理的一种技术；它具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理，因此在物流、制造、零售等领域都拥有巨大的市场。超高频RFID的工作频率在860MHz～960MHz之间，工作时，射频标签位于阅读器(或读写器)天线辐射场的远场区内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式，阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将无源标签唤醒，相应的射频识别***阅读距离一般大于1米，典型情况为4米～6米，最大可达10米以上；超高频作用范围广，传送数据速度快，但是它们比较耗能，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰，超高频标签已广泛用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费、供应链管理、资产管理等领域。超高频RFID读写器工作时必须给天线辐射范围内的无源标签充电才能与其进行通讯，因此，超高频RFID读写器的功耗一般都很高，而射频前端(尤其是功率放大电路)是整个读写器中功耗最大的部分，在本发明中我们将功率放大电路的工作时间占整个读写器工作时间的比例称之为“负荷”；负荷越大，读写器读卡时间越长，识别效率越高；反之，负荷越小，读写器读卡时间越短，识别效率越低。

超高频RFID技术是我国相关部门和专家最关注的RFID技术，目前有关超高频RFID读写器的研究主要集中在调制解调技术、多标签防碰撞技术、多读写器防冲撞技术等方面，而对于负荷动态优化方面的研究很少；从现在市面上的读写器产品来看，基本上是采用固定负荷的方式来分配读写器的读卡工作时间的，包括两种方式：第一种方式是读写器出厂时就固定了一个射频前端休息时间；第二种方式是用户在部署读写器时可以设置射频前端的休息时间(如10ms、30ms或其他时间，一般最小设置值为10ms)，从本质上讲用户一旦设置好时间后，读写器在运行过程中负荷还是固定的，其工作原理是：读写器依次扫描各个工作天线范围内的标签，然后休息一个固定的时间，再进行下一次循环扫描，一直到收到停止指令为止。

现有的读写器固定负荷工作方式有如下缺点：1、负荷分配不合理：由于在使用过程中，不管天线辐射范围内是否有标签，都采用固定负荷工作，导致无标签的天线读卡时间太长，浪费能量；如果负荷设置太小，识别标签的效果不好，如果负荷设置太大，长时间工作功率放大电路发热太大，读写器稳定性将下降；2、标签识别效率低：可能产生无标签的天线读卡时间过长而浪费时间，有标签的天线等待读卡时间过长，标签识别效率低；3、现场环境适应能力差：用户需要针对现场情况来部署合理的休息时间参数，对用户技术要求过高，而且当多天线部署时很难找到一个合理的参数，不能有效地适应各种现场工作环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法，其克服现有读写器固定负荷工作方式的不足，其是通过侦测天线辐射范围内是否有标签存在来动态优化读写器的负荷分配，从而提高各天线范围内的标签识别效率，动态地适应现场工作环境，降低部署读写器的技术难度。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法，其特征在于，超高频RFID读写器包括天线和功率放大电路，超高频RFID读写器依次扫描天线范围内的标签，该方法包括以下步骤：

S1，初始化超高频RFID读写器及工作状态：天线号为M、连续读取天线辐射范围内标签为零的次数为N、无标签时读写器的休息时间为T1、有标签读写器的休息时间为T2，且T1大于T2；设置各天线辐射范围内初始状态为无标签，当前扫描天线号为m且从一号天线开始扫描，M、N和m为正整数，T1和T2为正数且单位为毫秒；

S2，选择m号天线，判断m号天线辐射范围内是否有标签，如果是则进入步骤S5；如果否则进入步骤S3；

S3，m号天线辐射范围内标签侦测处理；

S4，根据步骤S3的结果再次判断m天线辐射范围内是否有标签；如果是则进入步骤S5，立即进行一次m天线辐射范围内标签识别处理，提高该天线辐射范围内标签的识别效率；如果否则进入步骤S8；

S5，m号天线辐射范围内标签识别处理，打开功率放大电路，延时发选择命令，延时发查询命令，要求完成m号天线多标签防碰撞处理，识别该天线辐射范围内的所有标签，识别结束后关闭功率放大电路；

S6，根据步骤S5的结果判断m号天线范围内读取标签数是否非零，如果是则m号天线状态为有标签，进入步骤S8，如果否则进入步骤S7；

S7，判断m号天线辐射范围内是否连续N次读取标签数为零，如果是则m号天线状态为无标签；如果否则m号天线状态为有标签；

S8，判断是否扫描到最后一号天线，如果否则选择下一号天线；如果是则判断是否从一号天线到m号天线状态均为无标签，如果是则休息的时间为T1，如果否则休息的时间为T2，然后选择一号天线扫描；

S9，判断是否是停止指令，如果是则结束；如果否则进入步骤S2开始再次循环，直到收到停止指令结束。

优选地，所述步骤S3的m号天线辐射范围内标签侦测处理具体包括以下步骤，S3.1，打开功率放大电路；S3.2，延时给标签充电一段时间后发选择命令，选择天线辐射范围内的所有标签；S3.3，要求延时再发查询指令，查询指令让所有标签的槽计数器值均为零；S3.4，由于所有标签的槽计数器值均为零，所以天线辐射范围内的所有标签都以一个十六位的随机数报文响应读写器查询指令；S3.5，读写器接收标签返回一个十六位的随机数应答报文，根据报文的前同步码和数据特征更新侦测标签状态，如果报文波形特征满足协议则该天线状态更新为有标签，否则为无标签；S3.6，关闭功率放大电路。

本发明的积极进步效果在于：1、负荷分配动态优化：天线范围内无标签时采用短时间的标签侦测处理流程，采用低负荷(长时间休息)状态工作；天线范围内有标签采用长时间复杂的标签识别处理流程，采用高负荷(短时间休息)状态工作；从而使得负荷分配动态合理，利于读写器的长期稳定工作；2、标签识别效率高：如果侦测到天线辐射范围内有标签则立即进行该天线辐射范围内的标签识别处理，快速读取出标签，只要读取到标签数为非零，下次读取时直接进行标签识别处理，如果没有标签则进行标签侦测处理；3、动态适应现场环境：用户不需要懂得相关的专业知识就能使用，读写器自己能动态地适应各种现场工作环境，降低了部署读写器的技术难度。

附图说明

图1为本发明超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法的流程图。

图2为本发明中的标签侦测处理的流程图。

图3为标签到读写器FM0编码的符号和序列的示意图。

图4为标签到读写器FM0前同步码的示意图。

图5为标签到读写器FM0发信结束符的示意图。

图6为标签到读写器RN16报文结构的波形示意图。

图7为四天线读写器各天线均没有标签时的示意图。

图8为图7实施情形时读写器时间分配示意图。

图9为四天线读写器天线1有标签时的示意图。

图10为图9实施情形时读写器时间分配示意图。

图11为四天线读写器天线1和天线3有标签时的示意图。

图12为图11实施情形时读写器时间分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图以ISO 18000-6C(一种超高频射频识别国际标准协议)协议结合四天线读写器为例具体描述本发明的实施方式，超高频RFID读写器包括基带处理和射频前端两大部分，射频前端一般包括射频发射电路、射频接收电路和天线，射频发射电路包括功率放大电路，天线包括天线切换电路和天线连接端口，超高频RFID读写器依次扫描天线范围内的标签，如图1所示，本发明超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法将图1中的相关参数示例化后实施如下步骤：

步骤一，初始化超高频RFID读写器及工作状态，如初始化超高频RFID读写器的常量：天线号M＝4、连续读取天线辐射范围内标签为零的次数N＝2(该参数和标签防碰撞处理效果相关，效率越低则设置越大)、无标签时读写器休息时间T1＝300ms、有标签读写器休息时间T2＝10ms，T1大于T2；设置各个天线辐射范围内初始状态为无标签(各个天线状态独立)，变量m(当前扫描天线号)＝1表示从一号天线开始扫描，其中M、N和m为正整数，T1和T2为正数且单位为毫秒(ms)。

步骤二，选择m号天线，判断该m号天线辐射范围内是否有标签，第一次扫描时该天线状态为无标签，以后扫描时状态由上一次扫描时的结果决定(如果上次侦测到标签且标签识别处理读取的标签数为非零，则状态为有标签，如果连续N次(即2次)没读取到标签则无标签)，如果是有标签则进入步骤五；如果没有标签，则进入步骤三。

步骤三，m号天线辐射范围内标签侦测处理，如图2所示，具体步骤如下：步骤3.1，打开功率放大电路；步骤3.2，延时给标签充电一段时间后发送选择(Select)命令，选择天线辐射范围内的所有标签；步骤3.3，根据ISO18000-6C协议要求延时再发送Query(Q＝0)指令(即查询指令)，Q＝0让所有标签的槽计数器(Slot counter)值均为零；步骤3.4，如图3、图4、图5和图6所示，天线辐射范围内的所有标签都以RN16(一个十六位的随机数)报文响应超高频RFID读写器的Query指令，单标签时将以图6所示波形对读写器进行应答，多标签时将以图6所示波形的叠加对读写器进行应答步骤(叠加后波形还是有一定规律，但是存在一些误差)；步骤3.5，读写器接收标签返回RN16应答报文，根据报文的前同步码和数据特征以更新侦测标签状态，如果报文数据按照协议要求被正确解析或者其前同步码被部分正确解析(如连续有4个前导零)，则该天线范围内有标签，否则为无标签；步骤3.6，关闭功率放大电路。该步骤只需要读写器发送Select和Query两条指令，所以处理时间短于标签识别处理时间。

步骤四，根据步骤三的结果再次判断m号天线辐射范围内是否有标签；如果是有标签则进入步骤五，立即进行一次m号天线辐射范围内的标签识别处理，提高该天线辐射范围内标签的识别效率；如果没有标签则进入步骤八。

步骤五，m号天线辐射范围内标签识别处理，打开功率放大电路，延时发送Select命令，延时发送Query命令，根据ISO 18000-6C协议要求完成m号天线多标签防碰撞处理，识别该天线辐射范围内的所有标签，识别结束后关闭功率放大电路。标签的防碰撞处理方法很多，比如时分多路法、频分多路法、空分多路法以及码分多路法，各种方法的识别效率差别很大，不一定能一次全部识别所有标签，但是都需要发送多次指令才能识别到标签数据，再考虑到处理流程的复杂性，所以该步骤的处理时间较标签侦测处理时间长很多。

步骤六，根据步骤五的结果判断m号天线范围内读取标签数是否非零，如果非零则m号天线状态为有标签，根据读取到的标签数进行进一步确认，然后进入步骤八；如果为零则进入步骤七。

步骤七，判断m号天线辐射范围内是否连续N次(即2次)读取标签数为零，如果是则m号天线状态为无标签；如果否则m号天线状态为有标签。

步骤八，判断是否扫描到最后一号天线(最后一号天线为天线4)，即判断m＝M？，如果否则选择下一号天线(m++)；如果是则再判断是否从天线1到4状态均为无标签，如果是则休息长时间300ms(T1)，如果否则休息短时间10ms(T2)，然后选择一号天线(m＝1，天线1)进行扫描。

步骤九，判断是否是停止指令，如果是则结束；如果否则进入步骤二开始再次循环，直到收到停止指令结束。

下面结合图7、图9和图11中典型的实施情形对本发明进行进一步说明；根据协议可以知道标签侦测处理时间t小于10ms，而标签识别处理时间一般远大于10ms(一般为百毫秒级别)，其时间是不固定的，但是对于某单次识别处理时间是一定的。由于天线切换很快，所以描述中忽略天线切换时射频前端关闭的时间。

如图7所示，读写器的四个天线辐射范围内均无标签存在，读写器在扫描完四个天线后每个天线的状态都为无标签，因此读写器的射频前端会休息300ms时间再进行下一次扫描循环；如图8所示，每个天线在侦测标签时耗时均为t毫秒，这种情形下读写器的负荷为4t/(4t+300)，由于t小于10ms，那么负荷将小于40/340≈11.76％。

如图9所示，读写器除天线1外其他天线辐射范围内均无标签存在，读写器在扫描天线1时侦测到标签后，立即对该天线进行一次标签识别处理，读取该天线范围内的标签，其他天线状态都为无标签，由于天线1状态为有标签，因此读写器的射频前端会休息10ms时间再进行下一次扫描；如图10所示，每个天线在侦测标签时耗时为t毫秒，如果天线1的标签识别时间为A毫秒，那么这种情形下读写器的负荷为(4t+A)/(4t+A+10)，假设A＝100ms、t＝10ms，那么负荷将为140/150≈93.33％；再次扫描时，如果标签还在天线辐射范围内，那么天线1内的标签将不需要进行标签侦测就能直接进行标签识别处理，那么这种情形下读写器的负荷为(3t+A)/(3t+A+10)，假设A＝100ms、t＝10ms，那么负荷将为130/140≈92.86％。

如图11所示，读写器除天线1和天线3外其他天线辐射范围内均无标签存在，读写器在扫描天线1时侦测到标签后，立即对该天线进行一次标签识别处理，读取该天线范围内的标签，读写器在扫描天线3时侦测到标签后，立即对该天线进行一次标签识别处理，读取该天线范围内的标签，其他天线状态都为无标签，由于天线1和天线3状态为有标签，因此读写器的射频前端会休息10ms时间再进行下一次扫描；如图12所示，每个天线在侦测标签时耗时为t毫秒，如果天线1的标签识别时间为A毫秒，天线3标签识别时间为B毫秒，那么这种情形下读写器的负荷为(4t+A+B)/(4t+A+B+10)，假设A＝100ms、B＝80ms、t＝10ms，那么负荷将为220/230≈95.65％；再次扫描时，如果标签还在天线辐射范围内，那么天线1和天线3内的标签将不需要进行标签侦测就能直接进行标签识别处理，那么这种情形下读写器的负荷为(2t+A+B)/(2t+A+B+10)，假设A＝100ms、B＝80ms、t＝10ms，那么负荷将为200/210≈95.24％。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法，其特征在于，超高频RFID读写器包括天线和功率放大电路，超高频RFID读写器依次扫描天线范围内的标签，该方法包括以下步骤:

S1，初始化超高频RFID读写器及工作状态:设置最后一号天线的天线号为M，设置连续读取天线辐射范围内标签为零的次数为N，设置无标签时读写器的休息时间为T1，设置有标签读写器的休息时间为T2，且T1大于T2;设置各天线辐射范围内初始状态为无标签，设置当前扫描天线号为m且从一号天线开始扫描，M、N和m为正整数，T1和T2为正数且单位为毫秒;

S2，选择m号天线，判断m号天线辐射范围内是否有标签，如果是则进入步骤S5;如果否则进入步骤S3;

S3，m号天线辐射范围内标签侦测处理;

S4，根据步骤S3的结果再次判断m天线辐射范围内是否有标签;如果是则进入步骤S5，立即进行一次m天线辐射范围内标签识别处理，提高该天线辐射范围内标签的识别效率;如果否则进入步骤S8;

S5，m号天线辐射范围内标签识别处理，打开功率放大电路，延时发选择命令，延时发查询命令，要求完成m号天线多标签防碰撞处理，识别该天线辐射范围内的所有标签，识别结束后关闭功率放大电路;

S6，根据步骤S5的结果判断m号天线范围内读取标签数是否非零，如果是则m号天线状态为有标签，进入步骤S8，如果否则进入步骤S7;

S7，判断m号天线辐射范围内是否连续N次读取标签数为零，如果是则m号天线状态为无标签;如果否则m号天线状态为有标签;

S8，判断是否扫描到最后一号天线，如果否则选择下一号天线;如果是则判断是否从一号天线到m号天线状态均为无标签，如果是则休息的时间为T1，如果否则休息的时间为T2，然后选择一号天线扫描;

S9，判断是否是停止指令，如果是则结束;如果否则进入步骤S2开始再次循环，直到收到停止指令结束。

2.如权利要求1所述的超高频RFID读写器的标签侦测及负荷动态优化方法，其特征在于，所述步骤S3的m号天线辐射范围内标签侦测处理具体包括以下步骤，S3.1，打开功率放大电路;S3.2，延时给标签充电一段时间后发选择命令，选择天线辐射范围内的所有标签;S3.3，要求延时再发查询指令，查询指令让所有标签的槽计数器值均为零;S3.4，由于所有标签的槽计数器值均为零，所以天线辐射范围内的所有标签都以一个十六位的随机数报文响应读写器查询指令;S3.5，读写器接收标签返回一个十六位的随机数应答报文，根据报文的前同步码和数据特征更新侦测标签状态，如果报文波形特征满足协议则该天线状态更新为有标签，否则为无标签;S3.6，关闭功率放大电路。