正交試驗(yàn)方法在RFID系統(tǒng)混合模式接口即插即用評價中的應(yīng)用

梁小明 吳斯棟 劉敬光 洪曉斌

（1.廣州市標(biāo)準(zhǔn)化研究院 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

1 引言

傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)核心內(nèi)容之一，近年來呈現(xiàn)出傳感器與 RFID技術(shù)互補(bǔ)融合的趨勢。隨著 IEEE 1451.4智能傳感器混合模式接口標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，越來越多的研究人員投入到集成傳感器RFID混合模式接口研究中[1]。然而，不同的設(shè)計方案、制作工藝與接口算法導(dǎo)致了不同品牌和型號的RFID系統(tǒng)中傳感設(shè)備混合模式接口性能出現(xiàn)顯著的差異，產(chǎn)品之間的比較缺乏一個統(tǒng)一的基準(zhǔn)平臺，給同類產(chǎn)品性能表現(xiàn)進(jìn)行有效公正的橫向相互比較以及系統(tǒng)集成應(yīng)用帶來了困難[2]。其中，即插即用作為混合接口模式統(tǒng)一的標(biāo)稱功能，提高了傳感設(shè)備識別效率、縮小識別時間，為保障接口正常通訊奠定了基礎(chǔ)。因此，測試集成傳感器RFID系統(tǒng)混合模式接口性能的關(guān)鍵是測試智能傳感器標(biāo)稱即插即用的有效性。在實(shí)際應(yīng)用中，對于智能傳感器混合模式接口即插即用有效性影響的因素有很多，且主要體現(xiàn)在算法部分。研究人員和設(shè)備生產(chǎn)商采用不同的即插即用算法組合可能在接口有效性能上體現(xiàn)出顯著的差異。如何快速、有效地確定這些因素對接口有效性的影響關(guān)系及權(quán)重，將有助于研究提高混合模式接口有效性能[3]。本文針對智能傳感器混合模式接口中即插即用算法部分，通過設(shè)計正交試驗(yàn)，有效地引入了與標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1451.4接口算法并行的算法，研究它們對接口有效性的貢獻(xiàn)率，有效的縮短了試驗(yàn)次數(shù)。

2 RFID系統(tǒng)混合模式接口即插即用性能關(guān)健環(huán)節(jié)分析

本文基于前期研究工作的基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)據(jù)處理簡化、能量供應(yīng)持久、接口技術(shù)簡單的集成傳感器RFID系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成傳感器RFID裝置

該系統(tǒng)分為 RFID閱讀器模塊和集成傳感器RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)模塊兩層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對底層現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及處理。集成傳感器 RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)采用IEEE1451.4智能傳感器混合模式接口技術(shù)；采用IEEE 802.15.4的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（集成傳感器RFID標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)模塊）集成了無源RFID標(biāo)簽和傳感器，分別負(fù)責(zé)采集物品信息和環(huán)境參量。RFID閱讀器模塊包括微處理器、RFID閱讀器、天線、電源以及其它接口；其實(shí)現(xiàn)對RFID標(biāo)簽的能量輸送和通信，其它接口可以實(shí)現(xiàn)與后端監(jiān)控平臺之間的通信。

智能傳感器混合模式接口即插即用功能就是實(shí)現(xiàn)對接入傳感器的探測、識別以及解析的過程[4]。研究該接口的有效性就是研究接口算法與后端平臺解析算法的正確性、快速性和實(shí)時性。智能傳感器接入步驟可分為以下幾部分：識別智能傳感器存儲器獨(dú)特注冊號（Unique Register Number，URN）、識讀傳感器電子數(shù)據(jù)表格（Transducer Electronic DataSheet，TEDS）以及利用傳感器模板解析TEDS。本文不僅研究IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)算法的效率，也研究其它并行算法在智能傳感器混合接口即插即用應(yīng)用中的可行性與效率，致力于尋求一套更準(zhǔn)確、快速的即插即用組合算法。

基于上述需求分析可知，在智能傳感器混合模式接口即插即用評價中應(yīng)注意如下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：⑴ 智能傳感器接入時的探測發(fā)現(xiàn)，即識別URN過程中，當(dāng)前混合模式接口總線上掛接傳感器的數(shù)量以及所采用的識別 URN算法都會影響接入傳感器的探測效果，評價時必須合理規(guī)范當(dāng)前總線掛接設(shè)備的數(shù)量。目前常規(guī)的1-Wire器件URN識別算法主要有二叉樹搜索算法以及高級變量搜索算法；⑵ 采用1-Wire總線技術(shù)通過混合模式接口傳輸TEDS數(shù)字信號，在不改變總線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，合理安排傳輸數(shù)據(jù)的打包及檢錯，有助于縮短傳輸時間。目前常用的校驗(yàn)算法主要有CRC、PC、SC、LRC、S-XORC等，其中按檢驗(yàn)本質(zhì)區(qū)分通常選用CRC、PC、SC三種；⑶ 在上位機(jī)平臺上，采用不同的模板語言編寫統(tǒng)一格式的TEDS解析模板，對于解譯接收回來的TEDS數(shù)字信息有不同的效果，應(yīng)選擇一種高效的模板描述語言。IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)中使用的是TDL和XML語言，另外也可選用基于XML的其它語言。選擇模板解析語言的水平時可以從標(biāo)準(zhǔn)語言、XML語言以及基于XML的語言三方面入手。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計和試驗(yàn)方法

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)智能傳感器混合模式接口即插即用中可行的數(shù)字信號處理技術(shù)，本試驗(yàn)選用二叉樹搜索算法和高級變量搜索算法為識別URN算法；選用CRC校驗(yàn)法、校驗(yàn)和法、奇偶校驗(yàn)法為識讀TEDS過程中的數(shù)據(jù)傳輸算法；模板描述語言采用 TDL、XML和XHTML。評價指標(biāo)選用即插即用識讀速度，其測量值為識讀時間。智能傳感器接入時的現(xiàn)場前提是總線上已經(jīng)掛接有兩個混合模式傳感器。根據(jù)本試驗(yàn)的算法要求，采用擬水平正交設(shè)計方法，分別用A、B、C表示搜索URN算法、錯誤檢驗(yàn)算法和模板語言三個主要因素，每個因素有三項(xiàng)水平，選用試驗(yàn)次數(shù)少的正交表L9(34)即可滿足要求。填入各水平因素后，正交試驗(yàn)因素表如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用仿真方法進(jìn)行。下位機(jī)電路采用Proteus仿真，串口傳輸采用Configure Virtual Serial Port Driver虛擬串口；上位機(jī)解析軟件采用 Visual Studio 2008。下位機(jī)仿真電路中采用DS2430作為智能傳感器 TEDS存儲器；NCAP端微處理器采用PIC18F452，NCAP采集回來的TEDS數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。仿真電路如圖2 所示。

圖2 電路仿真圖

試驗(yàn)時，首先依次將前兩個DS2430的接入開關(guān)閉合，確保閉合后兩個指示燈亮，表明微處理器已經(jīng)正確識讀這兩個DS2430；接入第三個待測DS2430，記下第三個DS2430開關(guān)閉合到第三個狀態(tài)指標(biāo)燈變亮的時間間隔，作為識別URN和識讀TEDS的總時間；上位機(jī)通過虛擬串口讀取回 TEDS數(shù)據(jù)，采用Visual Studio 2008生成模板解析TEDS，記錄模板解析時間；識別URN和識讀TEDS總時間與模板解析時間之和，作為即插即用識讀時間，其長短反映了即插即用識讀速度的快慢。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用上述試驗(yàn)方法對L9(34)中的不同算法組合進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到表2的正交試驗(yàn)結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中極差Rj大小可知，因素效應(yīng)關(guān)系為：搜索URN算法對識讀速度影響最大，錯誤檢驗(yàn)算法次之，模板描述語言影響最小。由表2可知，使識讀速度達(dá)到最大，即識讀時間達(dá)到最小的因素組合為：高級變量搜索算法、校驗(yàn)和錯誤檢驗(yàn)算法、TDL模板描述語言。

5 結(jié)束語

RFID系統(tǒng)混合模式接口即插即用算法組合是一個多水平多因素的復(fù)雜問題，合理的算法組合對提高接口即插即用性能至關(guān)重要。在保持理想準(zhǔn)確率的情況下，采用正交試驗(yàn)方法可以從目前復(fù)雜的混合模式接口即插即用算法組合中快速地選擇最優(yōu)組合，相對于常規(guī)的二叉樹搜索算法、CRC校驗(yàn)算法組合，識讀速度有效提高30%左右，而相對于IEEE 1451.4智能傳感器混合模式接口標(biāo)準(zhǔn)中采用的CRC校驗(yàn)算法能使識讀速度提高約0.2%。

在其它各種實(shí)用的總線接口性能評價中，影響接口有效性能的因素各不相同，采用本方法推廣到更多因素水平的權(quán)重確定方面，可減少工作量、提高工作效率、減少研究成本。

[1]Ramos H M,Ramos P M,Paces P. Development of a IEEE 1451 Standard Compliant Smart Transducer Network with Time Synchronization Protocol[C].2007.

[2]Bissi L,Placide P,Scorzoni A,et al.Environmental monitoring system compliant with the IEEE 1451 standard and featuring a simplified transducer interface[J].Sensors and Actuators A:Physical,2007,137(1):175-184.

[3]羅正生.1-Wire在微處理器中的搜索算法的研究[J].制造業(yè)自動化,2010,32(7):117-119.

[4]韓志軍.基于 IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)接口的數(shù)字傳感器設(shè)計[D].中北大學(xué),2009.