一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法及系统与流程

1.本发明属于移动通信技术领域，更具体地，涉及一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法及系统。


背景技术：

2.射频识别是一种方便快捷的非接触式自动识别技术。随着物联网系统的兴起，射频识别系统(radio frequency identification，rfid)具有识别速度快、精度高、成本低等优点，已被广泛用于供应链管理、人员交通管理等领域。然而，由于用户规模激增，射频识别过程中多个有源标签在读写器的识别范围内并同时对其做出响应时，读写器将无法快速、正确地识别有源标签，这称为有源标签冲突，因此，rifd的抗冲突性能成为亟需解决的关键问题。
3.rfid技术传统的防碰撞算法主要分为不确定性的防碰撞算法和确定性的防碰撞算法。不确定性的防碰撞算法是基于aloha的算法，虽然流程较为简单，但是防碰撞性能较弱，随机性较强。确定性的防碰撞算法是基于树的算法，虽然抗冲突性能较好，但由于需要读写器与有源标签多次交互，识别时间较长，效率较低。频分复用方法简单，但是随着有源标签的增多，识别时间较长，效率较低。


技术实现要素：

4.为了解决现有防碰撞的有源射频识别方法识别时间长、效率低技术问题，本发明提供一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法及系统，根据有源射频识别系统的工作原理特性，射频模块在发送数据时速度很快，但从发射转换为接收或从接收转换为发射花费时间较多，将有源标签并行工作，相邻有源标签转换时间部分重合，能大幅缩短整个系统的识别时间，可以有效提升射频识别系统的抗冲突性能，具有良好的工程实用价值。
5.为了实现以上目的，本发明采用的一种技术方案如下：
6.第一方面，一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法，包含以下步骤：
7.步骤s0，读写器的发射模块在频率f1向未识别的有源标签依次发射激活信号，其中，激活信号的发射时长为t1，相邻激活信号之间的间隔时长为t2；
8.步骤s1，有源标签接收激活信号并判定自身是否在此时间段发送数据，如果判定为此时间段发送数据，则将有源标签由接收状态转换为发射状态，最后在频率为f2上将标签信息发送至读写器的接收模块，如果判定为非此时间段发送数据，则丢弃数据保持静默；其中，判定自身是否在此时间段发送数据的判定时间为t3，由接收状态转换为发射状态的转换时间为t4，发送标签信息的发射时长为t2；
9.步骤s2，读写器的接收模块接收到标签信息时给对应的有源标签发送确认信号，对应的有源标签接收到确认信号进行休眠处理，从而实现有源标签的识别；
10.步骤s3，根据接收模块获取已识别的有源标签，并将未识别的有源标签重复步骤s0、s1、s2进一步识别，直至所有有源标签均被识别。
11.进一步地，在所述步骤s1中标签信息根据轻量aes算法加密获得。
12.第二方面，本发明还提供一种支持并行防碰撞的有源射频识别系统，包括：包含读写器，有源标签及上位机，其特征在于，所述读写器及有源标签之间第一方面所述的一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法。
13.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
14.1、本发明所使用的有源标签并行工作，其转换时间部分相互重合，能大幅缩短射频识别系统的识别时间，在有源标签数目较多时，优越性更为显著；
15.2、本发明保证同一时刻仅有一个有源标签向读写器发送数据，减少有源标签碰撞的情况出现，有效提升射频识别系统抗冲突性能；
16.3、本发明所使用有源标签支持检验、轻量化加解密的数据处理过程，保证信息的安全性。
附图说明
17.图1为本发明一实施例中一种支持并行防碰撞的有源射频识别系统的架构图；
18.图2为本发明一实施例中一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法中读写器与有源标签交互的时序分析图；
19.图3为本发明一实施例中一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法中读写器与标签信息交互流程图；
20.图4为本发明一具体实施例轻量化aes算法流程图。
具体实施例
21.下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法，应用在一种支持并行防碰撞的有源射频识别系统，如图1所示，本发明的一种支持并行防碰撞的有源射频识别系统包含rfid读写器、n个有源标签以及控制终端(上位机)。
23.读写器含有2个射频模块，根据防碰撞算法需求，一个专门发送数据称为发送模块，另一个专门发送数据成为接收模块。射频模块采用2.4ghz无线收发芯片，采用了嵌入式基带协议引擎，拥有完全集成的频率合成器，数据传输率可达2mbps，具有超低功耗的特性。射频模块与mcu之间通过四线spi接口(serial peripheral interface，spi)完成全双工的数据通信，接口速率高达4mbps，在睡眠模式和待机模式下，速率可降低以减少电能损耗。
24.控制模块，用以存储数据，控制协调各模块之间的工作。控制模块主要包括存储器、mcu、电源管理模块以及晶体振荡器。
25.外设接口，用以读写器与控制终端进行数据传输。外设接口主要包括rs
‑
232串口、以太网口模块和4g模块。串口模块通过max232ese芯片将mcu产生的ttl电平转换成符合rs
‑
232c技术标准的电平，完成稳定的有线数据传输。以太网模块的tcp/ip协议栈集成于w5500芯片中，速率为10/100mbps的以太网层和物理层内嵌于其中，通过rx、tx、gnd以及vcc几个
接口直接与mcu相连。4g模块采用wh
‑
lte
‑
7s4 v2模块，需要插入相应的sim卡，将4g天线接到7s4 v2的ipex天线接口上，实现串口到网络的双向数据透明传输。
26.有源标签采用2.4ghz高速无线收发芯片，低功耗、轻量级的mcu可使发射间隙的电流由1.8ma降至0.1ma，节省了有源标签的能耗，延长了工作时间。无线收发单元工作在2.400ghz～2.485ghz通用ism(industrial scientific medical)频段，可以实现一对多组网和带ack的通信模式。
27.上位机通过qt creator应用程序开发平台设计，用于显示读写器收到有源标签的id号、次数、首末次时间等。读写器接收到信息后可以通过rs
‑
232串口、以太网口或者4g模块将信息传输到上位机的数据库，便于后续更为复杂的数据处理。
28.控制终端，用于显示读写器接收到的标签信息。该模块记录了有源标签的标识(identity，id)，接收到的次数，收到有源标签的初次时间以及末次时间，软件可用于抗冲突性能测试。同时，可将数据保存下来，上传到数据库，以供更为复杂的数据处理。
29.读写器和有源标签之间的具体通信过程如下：
30.步骤s0，读写器的发射模块在频率f1向未识别的有源标签依次发射激活信号，其中，激活信号的发射时长为t1，相邻激活信号之间的间隔时长为t2；
31.步骤s1，有源标签接收激活信号并判定自身是否在此时间段发送数据，如果判定为此时间段发送数据，则将有源标签由接收状态转换为发射状态，最后在频率为f2上将标签信息发送至读写器的接收模块，如果判定为非此时间段发送数据，则丢弃数据保持静默；其中，判定自身是否在此时间段发送数据的判定时间为t3，由接收状态转换为发射状态的转换时间为t4，发送标签信息的发射时长为t2；
32.步骤s2，读写器的接收模块接收到标签信息时给对应的有源标签发送确认信号，对应的有源标签接收到确认信号进行休眠处理，从而实现有源标签的识别；
33.步骤s3，根据接收模块获取已识别的有源标签，并将未识别的有源标签重复步骤s0、s1、s2进一步识别，直至所有有源标签均被识别。
34.如图2所示，设置1个读写器与n个有源标签进行通信，传输方式以普通收发模式，即确认字符(acknowledge character，ack)为例。现将读写器的发送模块称为a，接收模块称为b，各有源标签分别为c1、c2、c3、
…
、c
n
，设置1个读写器与n个有源标签进行通信，传输方式以普通收发模式，即无确认字符(acknowledge character，ack)为例。
35.步骤s1、读写器向有源标签发射激活数据激活有源标签：
36.步骤s101、a向有源标签c1发8字节激活数据，t1时间内第一次发射完成。
37.步骤s102、a休止t2后进行第二次发射，向有源标签c2发射激活数据，t1完成。其中，t2由有源标签c与读写器b模块交互所需时间决定。
38.步骤s103、重复上述步骤，a每隔t1 t2发一次数据，如有n个有源标签发n次，读写器发射共用时间为n
×
(t1 t2)。
39.步骤s2、有源标签接收激活数据，处理数据，向读写器发送标签信息：
40.步骤s201、有源标签c1收到读写器的激活信号后，在t3时间段内判定是否为此时间段发送数据，这边判定过程采用将接收到的激活信号进行crc校验，若为真则进行数据发送，若为假，保持沉默；这边已经假定按照1到n顺序进行发送；
41.步骤s202、有源标签c1由接收模式转换为发送模式，向读写器b模块发射，c1由接收
转为发射所需时间记为t4。也可将步骤s202与步骤s201合并，即有源标签收发模式的转换时间t4合并到有源标签处理相关算法时间t3中。
42.步骤s203、有源标签与读写器b模块通信交互时间为t2，有源标签完成发射后并收到b模块发送的ack信号后进入休眠状态。
43.步骤s3、读写器接收数据：
44.读写器a模块开始发射经过t1 t3 t4后，b模块开始接收标签信息数据，经过t2完成数据接收。
45.步骤s4、处理n个有源标签：
46.在有源标签c1处理数据的同时，读写器a模块向有源标签c2发射激活数据。经过t1 t3 t4后，有源标签c2向读写器b模块发射标签信息数据。c2发射数据比c1发射晚了t1 t2，此时b已将c1数据接收完成，可以接收处理c2数据。重复上述步骤，处理n个有源标签。(b是所有有源标签公用部件，假设从a第一次发射开始算，历经t1 t3 t4 t2后b空闲可接收下一数据。)
47.步骤s5、计算n个有源标签所需时间。
48.从a开始发射算，当n足够大时，n个有源标签共用时间：
[0049][0050]
公式(1)中，多个有源标签在并行处理数据，有源标签处理数据的时间对总通信时间影响甚微。其中ti(i＝1,2
…
4)具体时间根据独立有源标签而定，不受有源标签数目影响。并且当t3、t4越大时，采用并行防碰撞的有源射频识别系统相较于同类系统，其提高识别速率的效果更为显著。有源标签与读写器相距较远时通信所产生的传播时延考虑在t1、t2时间内。
[0051]
进一步地，在所述步骤s1中标签信息根据轻量aes算法加密获得，采用轻量化aes算法，主要包括验证及加解密过程，在保证运行效率的前提下，提高系统安全性，上述加解密过程可以在t3时间内完成。
[0052]
如图3所示，首先，读写器对所涉及到的模块进行初始化，主要包括射频模块，外接端口模块，mcu的各个引脚设置等。读写器的射频部分分为发送模块和接收模块。
[0053]
当读写器工作于发送模式时，读写器顺序遍历记录标签接收情况的表格，选取未收到信息的标签。随后，标签在普通模式下被激活，进入工作状态。
[0054]
接收模式下读写器需要设置为增强模式，即接收端成功接收后会回发ack信号，相对于发送模式工作流程较为复杂。当读写器成功接收数据后，会向有源标签回发ack信号静默标签，使有源标签不再激活。随后，读写器通过4g、网口、串口等外设接口完成数据的上传，对表格数据进行刷新，记录有源标签id唤醒的时间，将当前时间与唤醒时间相比较，使有源标签不会重复被唤醒，这样可以避免对标签的反复读取。
[0055]
有源标签的工作状态相对简单，首先完成初始化操作，状态设定为接收模式，等待读写器的激活信号并进行crc校验。若为真，则对标签自身的信息进行加解密等处理。随后
标签状态转换为发送模式，以增强模式向读写器的接收模块发送标签信息。当标签收到读写器的ack信号后，标签休眠；若未收到ack信号，则等待读写器再一次激活。
[0056]
设置一个读写器与有源标签进行通信，对100个有源标签进行了并行确定性算法测试。读写器设置接收和发射两个通道，有源标签设置一个通道，可在接收与发射之间相互转换。有源标签的发射功率为11dbm，读写器接收灵敏度
‑
87dbm，两者通信速率为1mbps，相隔2m。经测试，读写器激活所需时间t1＝2ms，读写器成功接收到有源标签信息所需时间t2＝2.2ms，处理验证t3＝1ms，有源标签由接收转为发射所需时间t4＝7ms。按照并行防碰撞算法的公式(1)，计算可得读写器识别100个有源标签所需时间的理论值为428ms。
[0057]
在上述测试环境下，对100个有源标签进行并行算法实际测试，记录系统总时延，即所有有源标签成功识别所需时间。随着有源标签数的增加，系统的平均时延近似于线性增加。进一步计算有源标签平均读取时间，可见随着有源标签数目的增加，平均读取时间逐渐减小，当有源标签数足够大时，平均读取时间趋向于5.2ms。
[0058]
在同等条件下，对并行防碰撞的有源识别系统与双通道随机频点的有源识别系统对比。双通道随机频点系统指读写器含有双通道进行接收，有源标签在两个频点中随机选取一个频点通道向读写器持续发送信息。比较两系统的平均总时延和有源标签平均读取时间，从测试结果可以看出在10个有源标签以内时，双通道随机频点系统的效果略好于并行防碰撞系统，因为并行算法在前期的准备激活花费了一定时间。在11到28个有源标签之间，两者效果相当。当有源标签数大于等于29个时，并行防碰撞系统的性能明显优于双通道随机频点系统，且随着有源标签数越多，并行防碰撞系统的优越性越明显。在测试100个有源标签时，并行防碰撞系统识别所有有源标签需540.07ms，而双通道随机频点系统需9270.14ms，前者的系统总时延仅为后者的5.83％。从测试结果可看出，并行防碰撞算法的系统平均时延理论值为实际测试值的79.25％。这是由于实际测试时通信存在20％的误码率，影响了系统的平均时延。在考虑误码率的情况下，并行防碰撞系统的实际效果与理论值基本一致。
[0059]
无源rfid技术有通用的加密算法，而大部分有源rfid系统未使用加密算法，且加密算法不统一。aes算法作为新一代的高级加密标准，在密码学领域得到了广泛的关注。aes算法的核心是软件执行效率高和算法存储空间小。对传统的aes算法进行轻量化改进，能更加适合rfid系统。aes算法包括加密、解密和密钥扩展三个模块。
[0060]
如图4所示，aes算法包括加密、解密和密钥扩展三个模块。作为aes算法的核心模块，传统的轮函数由四种不同的变换组成：字节替换sub、行位移sr、列混淆mc和轮密钥加adk。算法的前九轮迭代包含这四种转换，而最后一轮迭代只包含sr、sub和adk三种。aes加解密过程是在一个4
×
4的字节矩阵上运作，矩阵下标顺序如式(2)所示：
[0061][0062]
可在并行防碰撞系统的t3时间内加入轻量化aes加解密处理，提高信息安全性。由于在sub过程中，不需要考虑字节的位置，每个字节的替换是非线性的；在sr过程中，只需要完成移位，不需要改变字节的值；在mc过程中，逆列混合运算是线性的，可将算法流程进行
适当调序，调序后再进行轻量化处理。轻量化aes加解密算法相较于传统算法，主要通过查表的方式节省运行时间。设加密中第k轮的4
×
4输入矩阵为t
k
，经过轮密钥加后的输出为y
k
，密钥b
k
，k＝1，2，
…
，n。解密中第k轮的4
×
4输入矩阵数据为t
′
k
，经过轮密钥加后的输出为y
′
k
，k＝1，2，
…
，n。初始加密数据为t0，初始解密数据为t
′0，初始密钥为b0。加解密过程中使用的查找表r1‑
r6，其中r1＝02
·
t
k
，r2＝t
k
，r3＝02
·
t
′
k
，r4＝t
′
k
，r5＝08
·
t
′
k
，r6＝04
·
t
′
k
，轻量化aes算法流程如图4所示。
[0063]
加密轮函数最终过程变换为：
[0064][0065]
解密轮函数最终过程变换为：
[0066][0067]
采用的轻量aes算法在加密与解密过程中共使用了6张256字节的算法表(r1‑
r6)，复杂且耗时的字节替换和列混淆操作均可直接通过查表来实现。在算法存储空间占用较小的前提下，有效提升了aes算法的加解密效率。
[0068]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。