一種準(zhǔn)確盤點(diǎn)大量有源RFID標(biāo)簽的方法

摘 要：在讀寫器盤點(diǎn)符合GB/T 28925標(biāo)準(zhǔn)的有源RFID標(biāo)簽過程中，標(biāo)簽使用8位隨機(jī)數(shù)RN8作為一次盤點(diǎn)循環(huán)中的唯一標(biāo)識。然而，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較多時(shí)，產(chǎn)生相同RN8的概率顯著增加，不利于讀寫器實(shí)現(xiàn)大量標(biāo)簽的準(zhǔn)確盤點(diǎn)。針對該問題，提出了一種能夠準(zhǔn)確盤點(diǎn)大量有源RFID標(biāo)簽的方法，該方法通過讓標(biāo)簽在盤點(diǎn)過程中廣播自身RN8和在盤點(diǎn)結(jié)束后廣播自身收集時(shí)隙號Nr，保證盤點(diǎn)過程中RN8和Nr的唯一性，實(shí)現(xiàn)讀寫器對標(biāo)簽的單一化處理和準(zhǔn)確盤點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與改進(jìn)前的盤點(diǎn)方法相比，該方法可以將盤點(diǎn)準(zhǔn)確率提升至99.9%。

關(guān)鍵詞：射頻識別；物聯(lián)網(wǎng)；有源標(biāo)簽；標(biāo)簽盤點(diǎn)；防碰撞算法；盤點(diǎn)準(zhǔn)確率

中圖分類號：TP39；TN015 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）是一種無線通信技術(shù)，其核心構(gòu)成包括讀寫器和標(biāo)簽兩部分。標(biāo)簽一般被安裝在物品上，存儲物品標(biāo)識等關(guān)鍵信息。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作區(qū)域時(shí)，其能夠接收讀寫器的命令，將物品標(biāo)識等信息返回給讀寫器，完成對物品的識別。與其他自動(dòng)識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有遠(yuǎn)距離物品識別、運(yùn)動(dòng)物品識別、多個(gè)物品同時(shí)識別等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[1]。

RFID標(biāo)簽可按照供電方式分為無源標(biāo)簽（passive tags）和有源標(biāo)簽（active tags）。無源標(biāo)簽是通常意義上的RFID標(biāo)簽，一般工作在800/900 MHz頻段，無需內(nèi)置電池，依靠讀寫器發(fā)射的電磁波獲取能量，其識別距離通常在幾厘米至數(shù)十米之間，主要應(yīng)用于物流、零售、生產(chǎn)制造、圖書檔案管理等領(lǐng)域[1]。有源標(biāo)簽由電池供電，一般工作在2.4 GHz的頻段，識讀距離可以達(dá)到100 m，常用于集裝箱管理和航運(yùn)管理場合[2-5]。

讀寫器在與單個(gè)標(biāo)簽通信前，需要通過防碰撞算法來快速準(zhǔn)確盤點(diǎn)作用范圍內(nèi)的標(biāo)簽，獲得標(biāo)簽的ID。防碰撞算法作為RFID系統(tǒng)的核心，一直是研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]通過激光全息技術(shù)對標(biāo)簽防碰撞算法進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]提出了一種結(jié)合LSTM網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙ALOHA標(biāo)簽防碰撞算法；文獻(xiàn)[8]結(jié)合TDMA和CDMA技術(shù)對標(biāo)簽的時(shí)隙ALOHA防碰撞算法進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[9]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的標(biāo)簽防碰撞算法；文獻(xiàn)[10]針對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對標(biāo)簽的ALOHA防碰撞算法進(jìn)行了改進(jìn)。這些算法都沒有涉及在讀寫器工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽盤點(diǎn)準(zhǔn)確率問題。

由于有源標(biāo)簽的識讀距離較遠(yuǎn)，大多數(shù)應(yīng)用中，有源標(biāo)簽分布稀疏，一個(gè)讀寫器工作區(qū)域的有源標(biāo)簽數(shù)目較少。因此，GB/T 28925等標(biāo)準(zhǔn)（以下稱“標(biāo)準(zhǔn)”）規(guī)定[11]，讀寫器在盤點(diǎn)有源標(biāo)簽過程中，使用8位隨機(jī)數(shù)RN8作為標(biāo)簽在一次盤點(diǎn)循環(huán)中的唯一標(biāo)識。但由于RN8的取值范圍為0～255，所以隨著讀寫器工作范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)目的增多，標(biāo)簽產(chǎn)生相同RN8的概率會越來越大。這導(dǎo)致讀寫器無法對標(biāo)簽進(jìn)行有效的單一化處理，盤點(diǎn)準(zhǔn)確率較低。雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)隙防碰撞算法通過增大時(shí)隙的方式可以降低標(biāo)簽在同一時(shí)隙內(nèi)回復(fù)相同RN8的概率，但會導(dǎo)致盤點(diǎn)時(shí)間成倍增加，且通過概率分析，增大時(shí)隙的方法仍無法徹底避免讀寫器在同一時(shí)隙收到多個(gè)標(biāo)簽返回相同RN8的情況。

針對上述問題，本文提出了一種準(zhǔn)確盤點(diǎn)大量有源RFID標(biāo)簽的方法。在盤點(diǎn)過程中，每個(gè)標(biāo)簽都會接收其他標(biāo)簽的RN8并與自己的RN8進(jìn)行對比和修正，保證每個(gè)標(biāo)簽的RN8不同于其他標(biāo)簽。在讀寫器收集標(biāo)簽信息完成后，標(biāo)簽廣播自身的收集時(shí)隙號Nr，保證每個(gè)標(biāo)簽收集時(shí)隙號Nr的唯一性，實(shí)現(xiàn)讀寫器對標(biāo)簽的單一化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可以將盤點(diǎn)準(zhǔn)確率有效提升至99.9%。

1 盤點(diǎn)過程分析

1.1 盤點(diǎn)過程設(shè)計(jì)

在有源標(biāo)簽盤點(diǎn)過程中，標(biāo)簽的狀態(tài)主要包括休眠、偵聽、就緒、工作和滅活等，如圖1所示。其中，工作狀態(tài)主要分為仲裁、收集、會話和安全會話等4個(gè)子狀態(tài)，讀寫器對標(biāo)簽的盤點(diǎn)發(fā)生在仲裁子狀態(tài)。在仲裁子狀態(tài)，讀寫器通過時(shí)隙防碰撞算法來盤點(diǎn)標(biāo)簽，將多個(gè)未知標(biāo)識的標(biāo)簽隔離成單個(gè)的已知標(biāo)識的標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的單一化。

標(biāo)簽的防碰撞算法采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，標(biāo)簽的防碰撞狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。其中，會話狀態(tài)包含標(biāo)準(zhǔn)中定義的各種訪問狀態(tài)。如果標(biāo)簽在某個(gè)狀態(tài)接收到狀態(tài)圖中沒有標(biāo)明的其他命令，或者條件不滿足，則標(biāo)簽保持狀態(tài)不變，并且不做任何響應(yīng)。

圖2中的各個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移含義見表1，圖2中的標(biāo)簽狀態(tài)說明如下：

（1）初始狀態(tài)：標(biāo)簽處于圖1中的就緒狀態(tài)，該狀態(tài)下標(biāo)簽的接入隨機(jī)數(shù)RN8、虛擬時(shí)隙號Nvs和收集時(shí)隙號Nr等均為空。

（2）預(yù)備狀態(tài)：在該狀態(tài)下，標(biāo)簽內(nèi)部的隨機(jī)數(shù)Qr為0，且生成了一個(gè)虛擬時(shí)隙號Nvs。

（3）碰撞狀態(tài)：在該狀態(tài)下，標(biāo)簽內(nèi)部的隨機(jī)數(shù)Qr為0，內(nèi)部計(jì)數(shù)器非0。

（4）應(yīng)答狀態(tài)：在該狀態(tài)下，標(biāo)簽內(nèi)部的隨機(jī)數(shù)Qr為0，內(nèi)部計(jì)數(shù)器為0，表示響應(yīng)過一次RN8。

（5）收集狀態(tài)：該狀態(tài)表示標(biāo)簽已完成接入，準(zhǔn)備收集，即讀寫器已成功接收標(biāo)簽RN8。該狀態(tài)下的標(biāo)簽內(nèi)部保存一個(gè)接入隨機(jī)數(shù)RN8和一個(gè)讀寫器分配的收集時(shí)隙號Nr。

（6）確認(rèn)狀態(tài)：該狀態(tài)表示標(biāo)簽已發(fā)送自身TID。

（7）會話狀態(tài)：該狀態(tài)的標(biāo)簽已盤點(diǎn)成功，即讀寫器已成功接收該標(biāo)簽TID。

1.2 盤點(diǎn)問題分析

讀寫器在盤點(diǎn)有源標(biāo)簽的過程中，使用8位隨機(jī)數(shù)RN8作為標(biāo)簽在一次盤點(diǎn)循環(huán)中的唯一標(biāo)識。由于RN8的取值范圍是0～255，隨著讀寫器盤點(diǎn)有源標(biāo)簽數(shù)目的增多，標(biāo)簽產(chǎn)生相同RN8的概率會越來越大。這將導(dǎo)致讀寫器無法對標(biāo)簽進(jìn)行有效的單一化處理，盤點(diǎn)準(zhǔn)確率降低。以盤點(diǎn)100個(gè)有源標(biāo)簽為例，標(biāo)簽產(chǎn)生相同RN8的概率如下：

綜上所述，單純調(diào)節(jié)Q和N值的大小無法徹底避免多個(gè)標(biāo)簽在同一時(shí)隙返回相同RN8的情況。若出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽在同一時(shí)隙響應(yīng)相同接入隨機(jī)數(shù)RN8的情況，讀寫器會將這些標(biāo)簽視為同一個(gè)標(biāo)簽，導(dǎo)致盤點(diǎn)準(zhǔn)確率低下。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，大約在標(biāo)簽數(shù)量超過30個(gè)時(shí)，無論如何調(diào)整時(shí)隙N值和防碰撞Q值，讀寫器都難以將所有標(biāo)簽盤點(diǎn)齊全。

2 盤點(diǎn)方法改進(jìn)

2.1 改進(jìn)措施

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多個(gè)標(biāo)簽在同一時(shí)隙返回相同RN8會導(dǎo)致讀寫器將這些標(biāo)簽視為同一個(gè)標(biāo)簽，即讀寫器為這些標(biāo)簽分配相同的收集時(shí)隙號Nr。因此針對上述問題，本文提出一種準(zhǔn)確盤點(diǎn)大量有源RFID標(biāo)簽的方法，通過在標(biāo)簽之間進(jìn)行消息廣播，并在盤點(diǎn)過程中對每個(gè)標(biāo)簽實(shí)時(shí)接收其他標(biāo)簽響應(yīng)的接入隨機(jī)數(shù)RN8進(jìn)行對比，確保每個(gè)標(biāo)簽的接入隨機(jī)數(shù)RN8不同于其他標(biāo)簽；同時(shí)在讀寫器收集標(biāo)簽信息完成后，通過廣播自身的收集時(shí)隙號Nr，保證每個(gè)標(biāo)簽收集時(shí)隙號Nr的唯一性，真正做到標(biāo)簽的單一化處理。

具體方法為在圖2中的“T12”狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中，當(dāng)收到AccessSuccess命令且RN8匹配時(shí)，增加“再次發(fā)送RN8”的標(biāo)簽動(dòng)作；在“T17”狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中，當(dāng)收到CollectSuccess命令時(shí)，增加“發(fā)送Nr”的標(biāo)簽動(dòng)作。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)盤點(diǎn)流程如圖3所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用100個(gè)有源標(biāo)簽進(jìn)行盤點(diǎn)測試，讀寫器和標(biāo)簽均采用TI公司出品的CC2538作為射頻核心控制器，搭配CC2592功率放大器，標(biāo)簽工作信道頻率為2 405 MHz，單個(gè)標(biāo)簽樣品如圖4所示。100個(gè)標(biāo)簽上下左右間隔約20 cm，并平鋪粘貼在泡沫背板上，如圖5所示。為避免環(huán)境中的其他同頻信號（藍(lán)牙、WiFi等）的干擾，將標(biāo)簽放在信號屏蔽室中進(jìn)行盤點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖6所示。進(jìn)行15次對比盤點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，初始Q值取1，N值取8，每次用改進(jìn)前和改進(jìn)后的方法分別盤點(diǎn)，分別記錄盤點(diǎn)齊100個(gè)標(biāo)簽的時(shí)間。

設(shè)置盤點(diǎn)超時(shí)時(shí)間為120 s，若超過120 s仍然盤點(diǎn)不齊100個(gè)標(biāo)簽，則只記錄盤點(diǎn)到的標(biāo)簽個(gè)數(shù)，盤點(diǎn)結(jié)果見表2。

分別計(jì)算方法改進(jìn)前后的盤點(diǎn)準(zhǔn)確率（即每次盤點(diǎn)結(jié)束時(shí)已盤點(diǎn)的標(biāo)簽占標(biāo)簽總數(shù)量的百分比）可知，在盤點(diǎn)過程中，使用改進(jìn)前的方法始終無法盤點(diǎn)齊全100個(gè)標(biāo)簽，而使用改進(jìn)后的方法每次都可以盤點(diǎn)齊全100個(gè)標(biāo)簽。其中，盤點(diǎn)用時(shí)最長75 s，最短54 s，平均盤點(diǎn)齊100個(gè)標(biāo)簽用時(shí)約1 min。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，改進(jìn)后的方法可有效提高一次性盤點(diǎn)大量有源RFID標(biāo)簽的準(zhǔn)確率，在盤點(diǎn)100個(gè)標(biāo)簽的情況下盤點(diǎn)準(zhǔn)確率有效提升至約99.9%。

3 結(jié) 語

針對讀寫器工作范圍內(nèi)有源RFID標(biāo)簽數(shù)目較多時(shí)，讀寫器難以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽的準(zhǔn)確盤點(diǎn)問題，本文提出了一種改進(jìn)的有源標(biāo)簽盤點(diǎn)方法。該方法通過標(biāo)簽之間廣播、對比以及修正臨時(shí)標(biāo)識RN8和收集時(shí)隙號Nr，實(shí)現(xiàn)讀寫器對標(biāo)簽的單一化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能有效提高讀寫器對有源RFID標(biāo)簽的盤點(diǎn)準(zhǔn)確率，適用于有源RFID標(biāo)簽密集的場景。

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