基于RFID的多标签防串读识别方法及多标签物料追溯系统

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，特别是一种基于RFID的多标签防串读识别方法及其应用该方法的多标签物料追溯系统。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification,简称RFID)是通过射频识别阅读器(reader)借由无线频段电磁波信号与射频识别标签(RFID tag)之间进行非接触的数据信息交互。

RFID标签根据供电方式可分为以下三种类型：

(1)有源RFID标签：

有源RFID标签内置电池供电，使其能够主动发射射频信号。标签内的发射器将电池提供的能量转化为电磁波，并以射频信号的形式发送出去。这个射频信号包含了标签的唯一身份识别码(ID)和其他需要传输的数据。读写器通过射频天线接收到有源RFID标签发射的信号，然后将信号转换成数字信号，并解码其中的信息。在数据传输过程中，有源RFID标签能够与读写器进行双向通信，读写器可以向标签发送指令，标签接收到指令后可以执行相应的操作并将结果传输回读写器。

(2)无源RFID标签：

无源RFID标签是一种被动设备，不需要电池供电。当无源RFID标签进入读写器的识别区域时，读写器会发出射频信号，标签上的天线会接收到这些信号并吸收其中的能量。吸收的能量被用来激活标签内的芯片，并将存储在芯片中的数据以射频信号的形式发送回读写器。读写器接收到这些信号后，会对其进行解码和处理，从而实现对标签信息的读取。

(3)半有源RFID标签：

半有源RFID标签结合了有源RFID标签和无源RFID标签的特点。它内置了电池，但电池主要用于维持标签内部电路或芯片的工作所需电压，而不是用于主动发射射频信号。当标签进入读写器的识别区域时，标签会利用读写器发出的射频信号进行激活，并发送存储在芯片中的数据。因此，半有源RFID标签既具有较长的读取距离和较快的数据传输速度，又能够在标签未激活时保持低功耗，延长使用寿命。

其中，对于无源RFID标签和半有源RFID标签，由于其在读取过程中需要读写器发出射频信号激活标签，并进行数据交换，当多个标签处于读写器的读取范围内时，它们可能同时被激活并尝试与读写器通信，导致信号相互干扰，产生串读现象。

并且，在RFID技术的实际应用中，因现场环境的复杂性和多样性，可能存在各种类型的信号反射和干扰。对于给定的待识别物体，读写器通过天线发送一定频率的射频信号，除收到待识别物体上RFID电子标签的反馈信号外，也会收到待识别物体外其它同类物体上RFID电子标签的反馈信号，导致上位机软件无法在相对狭小的设备空间区分，确定该标签的正确安装位置，实现完成物料绑定追溯。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种基于RFID的多标签防串读识别方法，旨在改善现有的多标签场景下容易产生信号串读的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于RFID的多标签防串读识别方法，其包括以下步骤：

读取各个RFID标签的标签信号数据，所述标签信号数据包括标签唯一识别码UID、物料EPC码、信号强度值RSSI、相位值Phase；

根据物料EPC码对所述标签信号数据进行分组，并计算每组标签信号数据的信号强度差值Δr和相位值差Δθ；

对每组的所述信号强度差值Δr和所述相位值差Δθ进行比较分析，并根据比较分析结果判定出正确标签。

优选的，所述读取各个标签的标签信号数据，进一步包括以下步骤：

配置读头的工作频段波长；

根据所述工作频段波长与所述RFID标签进行通信；

接收所述RFID标签返回的标签信号；

从所述标签信号中提取所述标签信号数据。

优选的，所述标签信号数据中，所述相位值Phase的计算和提取采用以下公式：

公式中各个符号代表的含义如下：

θ:代表相位值Phase；

d:代表所述读头的天线到所述RFID标签之间的相对距离；

μ:代表读取回路硬件的偏差常量，所述读取回路硬件包括所述读头和所述RFID标签；

λ:代表所述读头的工作频段波长。

优选的，所述根据物料EPC码对所述标签信号数据进行分组，进一步包括以下步骤：

控制所述读头持续开启预设时间段；

获取所述预设时间段内所有RFID标签的标签信号数据和读取次数；

滤除读取次数不符合要求以及物料EPC码不匹配的RFID标签的标签信号数据；

对于过滤后的标签信号数据，根据物料EPC码进行分组。

优选的，所述物料EPC码中包含物料信息，所述分组进一步包括以下步骤：

根据物料EPC码中的物料信息，对所述标签信号数据进行分组，将物料特性相同的物料EPC码对于的标签信号数据分为同一组；

计算分组中每2个标签信号数据对应的信号强度差值Δr和相位差值Δθ。

优选的，所述相位差值Δθ的计算公式为：

Δθ:代表相位差值；

d

μ

优选的，所述对每组的所述信号强度差值Δr和所述相位值差Δθ进行比较分析，进一步包括：

当读头误读到其他物料的标签信号数据时，取(Δr,Δd)值最小的标签为正确标签；

当信号强度差值Δr最小值和相位值差Δθ最小值不属于同一个RFID标签，则根据预定的权重系数计算V值，取V值最小的RFID标签为正确标签；

其中，V值的计算公式为：

V＝p1×Δr+p2×Δθ(p1，p2为权重系数)。

优选的，所述标签信号数据中，同一个物料上设置一个以上的RFID标签，即，同一个物料EPC码对应一个以上的信号强度值RSSI和相位值Phase；所述RFID标签在物料上的不同安装位置返回不同的信号强度值RSSI和不同的相位值Phase。

与所述基于RFID的多标签防串读识别方法相对应的，本发明提供一种多标签物料追溯系统，所述系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的防串读识别程序，所述防串读识别程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的基于RFID的多标签防串读识别方法的步骤。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于RFID的多标签防串读识别方法通过综合运用多种技术手段和信息源，有效解决了多标签环境下的信号串读问题，提高了识别的准确性和效率，具有广泛的应用前景和推广价值。

(2)本发明通过综合利用标签的唯一识别码UID、物料EPC码、信号强度值RSSI和相位值Phase等多种信息，显著提高了多标签环境下的识别准确性，特别是在密集标签或信号重叠的情况下，通过比较和分析不同标签之间的信号差异，能够更准确地识别出正确的标签，有效避免了信号串读的问题。

(3)本发明将RSSI和Phase与标签距离信息和角度信息进行绑定，实现了对标签空间位置的估计，不仅有助于在复杂环境中对标签进行精确的定位和追踪，还能够根据标签的位置信息进一步优化读取策略，提高读取效率。

(4)本发明根据物料EPC码对标签信号数据进行分组，使得相同或相似物料的标签能够被归类处理，不仅简化了数据处理流程，还提高了数据处理的速度和效率；同时，通过计算每组标签之间的信号差异，能够进一步筛选出可能的串读情况，从而更加精准地识别出正确的标签。

(5)本发明通过配置读头的工作频段波长，可以确保读头与RFID标签之间的通信频段匹配。不同的RFID系统可能采用不同的频段，而正确的频段配置是确保标签信号能够被准确读取的关键。因此，这一步骤确保了通信的可靠性和稳定性，为后续的信号读取和处理提供了坚实的基础。

(6)本发明通过综合考虑相对距离、硬件偏差和工作频段波长等因素来计算相位值，能够更加精确地反映RFID标签与读头之间的实际通信状况。相位值是衡量信号传输特性的重要参数，它对于准确识别标签和避免信号串读至关重要。因此，通过精确计算相位值，可以提高RFID系统的识别准确性和可靠性。

(7)本发明通过控制读头持续开启预设时间段，可以确保在该时间段内捕获到尽可能多的RFID标签信号数据，有助于增加数据收集的完整性和准确性；并且，通过统计读取次数，可以筛选出信号质量较差或不稳定的标签，为后续的数据处理提供更有价值的数据集；通过滤除读取次数不符合要求以及物料EPC码不匹配的RFID标签的标签信号数据，可以进一步净化数据集，排除可能的干扰和错误数据，不仅可以提高数据处理的效率和准确性，还可以避免因为错误数据导致的误判或漏判。

(8)本发明当读头误读到多个物料的标签信号时，通过比较信号强度值(RSSI)的大小，选择取值最小的标签作为正确标签，这是一个基于信号强度衰减原理的有效方法。在RFID系统中，信号强度通常随着距离的增大而衰减，因此距离读头较近的标签其信号强度值往往较小。通过选择信号强度最小的标签，能够较为准确地识别出距离读头最近的标签，即正确标签。

(9)本发明当信号强度差值最小值和相位值差最小值不属于同一个RFID标签时，采用预定的权重系数计算V值，并选择V值最小的RFID标签作为正确标签，这进一步提高了识别的准确性。这种方法综合考虑了信号强度和相位值两个因素，通过赋予它们不同的权重系数，可以灵活调整两者在识别过程中的影响程度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的读头天线与RFID标签的运动关系示意图；

图2为本发明的信号强度值RSSI随标签距离变化关系示意图；

图3为本发明的相位值Phase随标签距离变化关系示意图；

图4为本发明多标签物料追溯系统的架构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

本发明的一种基于RFID的多标签防串读识别方法，其包括以下步骤：

读取各个RFID标签的标签信号数据，所述标签信号数据包括标签唯一识别码UID、物料EPC码、信号强度值RSSI、相位值Phase；

根据物料EPC码对所述标签信号数据进行分组，并计算每组标签信号数据的信号强度差值Δr和相位值差Δθ；

对每组的所述信号强度差值Δr和所述相位值差Δθ进行比较分析，并根据比较分析结果判定出正确标签。

其中，物料EPC码是电子产品代码(Electronic Product Code)的缩写。它是一组用于识别物品的编码系统，每一个EPC码都是全球唯一的，为每一件单品提供唯一的标识号码。EPC码的编码结构通常包括头部、域名管理、对象分类以及序列号等部分，这些部分按照一定规则排列组合，以实现对物品的精确识别和追踪。

所述读头(读写器)是RFID系统中的核心设备之一，它负责发射射频信号并接收来自RFID标签的响应。读头通常包括射频模块、控制模块和天线等部分。射频模块负责产生和调制射频信号，控制模块则控制射频信号的发射和接收，并处理接收到的标签信息。天线则是读头发射和接收射频信号的关键部件。

所述RFID标签附着在需要被识别和追踪的物品上。标签内部嵌有芯片和天线，用于存储物品的相关信息并响应读头的射频信号。当标签进入读头的读写范围内时，它会接收到读头发射的射频信号，并通过自身天线将存储的信息发送回读头。

综上，读取回路硬件的工作流程主要包括：读头通过天线发射射频信号，形成一个电磁场；当RFID标签进入这个电磁场时，其天线接收到射频信号，并激活标签内部的芯片；芯片将存储的信息调制后通过天线发送回读头；读头接收到标签的响应信号后，通过射频模块进行解调，并将解调后的数据传送给控制模块进行处理；控制模块进一步处理这些数据，提取出标签的信息，并将其发送给上位机或其他系统进行处理和应用。

所述读取各个标签的标签信号数据，进一步包括以下步骤：

配置读头的工作频段波长；

根据所述工作频段波长与所述RFID标签进行通信；

接收所述RFID标签返回的标签信号；

从所述标签信号中提取所述标签信号数据。

RFID读头(或称为读写器)的工作频段和波长是其核心参数之一，它们决定了读头与标签之间的通信频率和通信距离。不同的RFID系统可能使用不同的频段，如低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)等。每个频段都有其特定的应用场景和优势。一旦读头配置完成并处于工作状态，它就可以开始与RFID标签进行通信。标签会响应读头的信号，并发送回包含其存储信息的射频信号。读头接收到这些信号后，会进行解码和处理，提取出标签中的数据，得到所述标签信号数据。

所述标签信号数据中，所述相位值Phase的计算和提取采用以下公式：

公式中各个符号代表的含义如下：

θ:代表相位值Phase；

d:代表所述读头的天线到所述RFID标签之间的相对距离；

μ:代表读取回路硬件的偏差常量，所述读取回路硬件包括所述读头和所述RFID标签；

λ:代表所述读头的工作频段波长。

根据物料EPC码进行分组，主要是根据EPC码中包含的产品信息，将具有相同或相似特性的产品归为一组。例如，可以按照产品类型、品牌、生产厂家等特征进行分组。

本实施例中，所述根据物料EPC码对所述标签信号数据进行分组，进一步包括以下步骤：

控制所述读头持续开启预设时间段；

获取所述预设时间段内所有RFID标签的标签信号数据和读取次数；

滤除读取次数不符合要求以及物料EPC码不匹配的RFID标签的标签信号数据；

对于过滤后的标签信号数据，根据物料EPC码进行分组。

所述物料EPC码中包含物料信息，所述分组进一步包括以下步骤：

根据物料EPC码中的物料信息，对所述标签信号数据进行分组，将物料特性相同的物料EPC码对于的标签信号数据分为同一组；

计算分组中每2个标签信号数据对应的信号强度差值Δr和相位差值Δθ，作为每组标签信号数据的信号强度差值Δr和相位值差Δθ。

所述相位差值Δθ的计算公式为：

Δθ:代表相位差值；

d

μ

所述对每组的所述信号强度差值Δr和所述相位值差Δθ进行比较分析，进一步包括：

当读头误读到其他物料的标签信号数据时，取(Δr,Δd)值最小的标签为正确标签；

当信号强度差值Δr最小值和相位值差Δθ最小值不属于同一个RFID标签，则根据预定的权重系数计算V值，取V值最小的RFID标签为正确标签；

其中，V值的计算公式为：

V＝p1×Δr+p2×Δθ(p1，p2为权重系数)。

所述标签信号数据中，同一个物料上设置一个以上的RFID标签，即，同一个物料EPC码对应一个以上的信号强度值RSSI和相位值Phase；所述RFID标签在物料上的不同安装位置返回不同的信号强度值RSSI和不同的相位值Phase。

本实施例中，所述物料为轴套筒。系统包含多套单天线RFID读头、多个轴套筒和多个RFID无源标签，RFID标签安装在每个轴套筒上，在一个相对狭小的设备空间里构建了一个复杂的多读头、多标签识别环境。读头读取标签信息的同时，返回读取信号强度值RSSI和相位值Phase，并与距离信息和标签角度信息进行绑定。其中：

距离信息(d

角度信息(V

如图1所示，RFID标签随着轴套筒旋转时,标签也绕自身的长轴旋转，其他条件保持相对一致，观察标签信号值的变化规律。如图2，转动过程中，可以观察到Rssi随着天线离标签的距离变化，产生周期波动变化。如图3，转动过程中，可以观察到相位值随着天线离标签的距离变化，产生周期波动变化。

本实施例中，一个轴卷筒粘贴8个标签芯片，左右两边各4个。其中，大卷筒贴在外端部，外表用铁氟龙覆盖；中小卷筒(例如工字形卷筒)贴在内侧。通过标签芯片粘贴数量增加，可减少信号感应死角。

并且，本实施例由原来只有代表卷筒身份标识的物料EPC码(如HDN02RD00001)，增加了标识标签身份的标签唯一识别码UID，从而在RFID获取到标签信号时既能够识别是属于哪个轴套筒(物料)的，也能区分出来是属于哪些标签芯片。

如图4所示，本发明还提供一种多标签物料追溯系统，所述系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的防串读识别程序，所述防串读识别程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的基于RFID的多标签防串读识别方法的步骤。

本实施例中，所述多标签物料追溯系统具体还包括：

一、外部模块

MES系统：制造执行系统，与生产物料追溯系统紧密集成，实现生产计划、物料管理、生产执行等功能的协同。

RFID读头：利用无线射频识别技术，对物料进行自动识别和数据采集，实现物料的快速、准确追踪。

PLC设备：可编程逻辑控制设备，负责控制生产设备的运行和工艺参数的调整，保证生产过程的稳定性和可追溯性。

员工卡读卡器：通过员工卡识别和管理生产人员，确保人员信息的准确性和可追溯性。

二、功能模块

软件模块和工具软件模块：提供系统运行的软件环境和工具支持，如工序监控、参数配置、系统设置等。

RFID功能模块、读头监控模块和PLC参数监控模块：这些模块与外部的RFID读头和PLC设备紧密配合，实现对物料和生产设备的实时监控和数据采集。

缓存模块：暂存处理过程中的数据，提高系统响应速度和数据处理能力。

RFID通用驱动和PLC通用驱动：这些模块提供数据读取、解析和驱动支持，确保系统能够准确、稳定地运行。

升级模块和升级包制作：支持系统的在线升级和更新，确保系统能够不断适应新的需求和标准。

三、界面模块

界面模块通过设置各种操作界面，例如工序监控页面、PLC参数配置页面、读头配置页面、升级管理、登录管理、轴系配置页面、MES配置页面、系统配置页面、日志页面以及其他界面等，为用户提供了一个全面、高效、易用的操作平台，使得用户能够轻松地对生产过程进行监控、配置和管理，提高了工作效率和系统的可维护性。

本发明的物料追溯系统通过上述各模块的协同工作，实现物料在生产过程中的精准追溯和管理。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

并且，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。