基于RFID的實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計

郭 鵬，張海燕，劉振永，李永偉

（1．石家莊學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，河北石家莊 050035；2．石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院郵政通信管理系，河北石家莊 050021；3．河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

基于RFID的實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計

郭 鵬1，張海燕2，劉振永1，李永偉3

（1．石家莊學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，河北石家莊 050035；2．石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院郵政通信管理系，河北石家莊 050021；3．河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

針對實(shí)驗設(shè)備管理需求，結(jié)合RFID發(fā)展趨勢，設(shè)計了一種基于RFID的新型實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)，簡要描述了系統(tǒng)整體設(shè)計方案和超高頻RFID讀寫器設(shè)計，詳細(xì)闡述了如何將在應(yīng)用編程（IAP）和Q算法結(jié)合對ISO 18000－6C防碰撞算法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗結(jié)果證明，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗設(shè)備數(shù)量實(shí)時調(diào)整防碰撞算法，提高識別效率，設(shè)計可靠，具有一定實(shí)際應(yīng)用價值。

RFID；IAP；防碰撞算法；實(shí)驗設(shè)備管理

隨著國內(nèi)高校硬件設(shè)施不斷完善，高校實(shí)驗室設(shè)備日益增多，種類多、數(shù)量大且價值不菲。目前，各高校實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)大多是基于條形碼技術(shù)的，如UPC、Code 128等，雖然能夠?qū)υO(shè)備增減、變動等情況進(jìn)行管理，但仍存在一些問題，如信息量不足、易損壞、無法實(shí)時掌握設(shè)備運(yùn)維及管理情況等。為解決這些問題，本文將射頻識別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）與實(shí)驗設(shè)備管理相結(jié)合，設(shè)計了一種基于超高頻（ultra high frequency，UHF）RFID的新型實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)。通過實(shí)驗設(shè)備上的電子標(biāo)簽，利用RFID非接觸自動識別特點(diǎn)，準(zhǔn)確掌握實(shí)驗設(shè)備使用及運(yùn)維情況，對設(shè)備數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)實(shí)時更新［1－3］。系統(tǒng)最大特點(diǎn)是可根據(jù)實(shí)驗室設(shè)備數(shù)量，利用IAP實(shí)時調(diào)整防碰撞算法，縮短標(biāo)簽識別時間，提高識別效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于RFID的實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、UHF讀寫器、上位機(jī)管理系統(tǒng)3部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

電子標(biāo)簽具有唯一產(chǎn)品電子碼（electronic prod－uct code，EPC），包括設(shè)備編號、名稱、型號、使用日期等管理信息，作為數(shù)據(jù)載體粘貼在實(shí)驗設(shè)備上。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入實(shí)驗室時，讀寫器對設(shè)備上的電子標(biāo)簽進(jìn)行盤存，經(jīng)能量及數(shù)據(jù)傳輸、通信協(xié)議處理，讀取標(biāo)簽信息并將其通過串行口發(fā)送給上位機(jī)管理系統(tǒng)。上位機(jī)管理系統(tǒng)通過相關(guān)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)具體管理工作，如設(shè)備盤點(diǎn)、入庫、出庫、調(diào)撥、運(yùn)維等。當(dāng)設(shè)備在未授權(quán)情況下離開實(shí)驗室時，系統(tǒng)報警。

2 UHF讀寫器硬件電路設(shè)計

UHF讀寫器是實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)電子標(biāo)簽讀寫、通信協(xié)議處理、射頻模塊控制、上位機(jī)通信等工作［4－6］，由MCU、射頻模塊、顯示模塊、存儲模塊、串行通信、電源模塊等構(gòu)成，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)符合ISO／IEC 18000－6C，如圖2所示。

圖2 讀寫器硬件結(jié)構(gòu)圖

2．1 MCU及射頻芯片選擇

讀寫器MCU選擇了具有IAP功能的單片機(jī)SST89E516RD2，主要負(fù)責(zé)標(biāo)簽讀寫控制、防碰撞算法調(diào)整及上位機(jī)通信。SST89E516RD2作為一款基于8051內(nèi)核的單片機(jī)，最大特點(diǎn)是具有IAP功能，內(nèi)置1KRAM和64K＋8KFLASH存儲器，片內(nèi)資源豐富，5V電壓時工作頻率為0～40MHz。

射頻芯片選擇AS3992，主要負(fù)責(zé)RFID通信協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)、射頻信號接收與發(fā)送。AS3992內(nèi)置ISO／IEC 18000－6C協(xié)議引擎，工作頻率840～960MHz，接收靈敏度－86dBm，調(diào)制方式為ASK或PR－ASK，內(nèi)部集成功率放大器（PA）、壓控振蕩器（VCO）、鎖相環(huán)（PLL）調(diào)制解調(diào)器、CRC 校驗等模塊，與SST89E516RD2配合，只需簡單的輔助電路即可實(shí)現(xiàn)UHF RFID通信［7］。

2．2 射頻前端電路設(shè)計

射頻前端電路如圖3所示，由AS3992及其輔助電路、巴倫、外置PA、低通濾波器、定向耦合器等部分組成，主要作用是在MCU控制下負(fù)責(zé)射頻信號收發(fā)、ISO／IEC協(xié)議編碼解碼、信號調(diào)制解調(diào)等工作。發(fā)射通路中，MCU選擇通信速率較高的并行口向AS3992發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，AS3992輸出0dBm差分信號，經(jīng)LC網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配后，利用巴倫將雙端差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號，經(jīng)外置PA功率放大及低通濾波器濾除雜波后，輸入定向耦合器，最終由天線發(fā)送出去。接收通路中，天線接收的電子標(biāo)簽反饋信號經(jīng)定向耦合器輸入巴倫，將單端信號轉(zhuǎn)換為雙端差分信號后再輸入AS3992進(jìn)行信號處理。由于外置VCO成本昂貴，設(shè)計采用了AS3992內(nèi)置VCO。實(shí)驗結(jié)果顯示，內(nèi)置VCO可以滿足設(shè)計需求，性價比較高。

圖3 射頻前端電路結(jié)構(gòu)圖

2．3 IAP電路設(shè)計

與普通RFID讀寫器不同，系統(tǒng)專門設(shè)計了IAP下載電路，使讀寫器能夠根據(jù)實(shí)驗室設(shè)備數(shù)量調(diào)整防碰撞算法關(guān)鍵參數(shù)，從而有效提高標(biāo)簽識別效率，并為后期軟件維護(hù)提供便捷通道。根據(jù)SST89E516RD2使用特點(diǎn)，讀寫器通過串口收到上位機(jī)升級指令后，將單片機(jī)升級標(biāo)志置位，擦除片外FLASH對應(yīng)存儲塊，并將上位機(jī)發(fā)送的包含實(shí)驗設(shè)備數(shù)量的升級程序存入片外Flash。最后單片機(jī)將片外Flash存儲塊中的升級文件讀出并寫入到單片機(jī)ROM的Block 0塊中，單片機(jī)復(fù)位后升級程序完成，如圖4所示。

圖4 IAP電路框圖

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件與上位機(jī)設(shè)備管理應(yīng)用軟件的無縫鏈接，通過RFID中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理軟件與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)實(shí)時、準(zhǔn)確。中間件將原始底層事件封裝并提供上位機(jī)管理應(yīng)用程序接口，以備管理系統(tǒng)使用，實(shí)現(xiàn)了硬件與應(yīng)用軟件的融合［8］。后臺數(shù)據(jù)庫利用ASP．NET技術(shù)和SQL SEVER 2008數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計和物理模型設(shè)計。

3．1 UHF讀寫器軟件設(shè)計

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

由于ISO／IEC 18000－6C協(xié)議采用的是時隙隨機(jī)ALOHA算法，根據(jù)“算法幀時隙等于標(biāo)簽數(shù)量則識別效率最高”的理論，當(dāng)存在標(biāo)簽碰撞問題時，決定隨機(jī)幀時隙的Q值的選擇成為影響算法效率的關(guān)鍵。一般算法均采用某一方法先對標(biāo)簽數(shù)量進(jìn)行預(yù)估，然后根據(jù)估計值確定Q值。比如，ISO／IEC 18000－6C協(xié)議中推薦了Q參數(shù)調(diào)節(jié)法（以下簡稱“Q算法”）。文獻(xiàn)［11］對5種不同的標(biāo)簽估計方法進(jìn)行了算法分析和仿真。雖然算法效率均有所提升，但是仍存在標(biāo)簽餓死和空時隙較多的問題［9－11］。

對本設(shè)計應(yīng)用對象—高校工科實(shí)驗室而言，由于設(shè)備一般少于200臺且數(shù)量不會頻繁變化，待識標(biāo)簽數(shù)目固定，因此，在綜合考慮算法所需的運(yùn)算時間和硬件開銷后，設(shè)計對Q算法進(jìn)行了部分改進(jìn)，首先在MCU內(nèi)部設(shè)一標(biāo)簽計數(shù)器，初始值為實(shí)驗室內(nèi)設(shè)備數(shù)N。讀寫器根據(jù)N利用查表的方式確定Q的初值，使幀時隙盡量逼近N，然后開始標(biāo)簽識別。讀寫器每識別一個標(biāo)簽，N值減一，隨著待識別標(biāo)簽數(shù)的變化，Q值也相應(yīng)變化，計數(shù)器歸零后標(biāo)簽識別立即結(jié)束，避免空時隙和標(biāo)簽餓死。

3．2 讀寫器主程序

讀寫器上電初始化后，首先檢測有無IAP下載指令，若有，則載入系統(tǒng)更新，查表并修改Q值；若無，則Q值保持不變并等待上位機(jī)指令。標(biāo)簽管理過程中涉及的ISO／IEC 18000－6C協(xié)議由AS3992內(nèi)置協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。MCU內(nèi)設(shè)置標(biāo)簽計數(shù)器，標(biāo)簽管理過程中，Q值由Query命令發(fā)送給標(biāo)簽，隨標(biāo)簽數(shù)量變化而變化。讀寫器主程序流程如圖6所示。

3．3 Q值調(diào)整

受篇幅所限，Q算法具體工作流程不再贅述，下面重點(diǎn)討論Q值調(diào)整方法。

假設(shè)有N個標(biāo)簽待識別，初始時隙為M，則某一標(biāo)簽在第一個時隙即被識別的概率為：

若N很大，則：

圖6 讀寫器主程序流程圖

因為M＝2Q，則：

由以上公式可知，Q值若取ceilf（log2（N）），可使幀時隙逼近標(biāo)簽數(shù)N，標(biāo)簽識別時間較短，ceilf（）為向上取整函數(shù)［12］。在綜合考慮MCU運(yùn)算時間、硬件開銷及算法效率后，本文根據(jù)大量實(shí)驗數(shù)據(jù)，確定了標(biāo)簽數(shù)量與Q值的對應(yīng)調(diào)整關(guān)系，如圖7所示。

圖7 Q值查表

4 算法仿真

假設(shè)有N個標(biāo)簽，N≤200，利用Matlab對Q算法、自適應(yīng)動態(tài)幀時隙算法（adaptive dynamic frame slotted aloha，ADFSA）和本算法進(jìn)行仿真，通過分析標(biāo)簽識別所需總時隙數(shù)比較算法性能，見圖8。

圖8 算法性能仿真

在單純考慮總時隙的情況下，通過對以上3種算法工作原理及仿真結(jié)果分析可知，Q算法根據(jù)標(biāo)簽碰撞情況調(diào)節(jié)Q和C值，在標(biāo)簽數(shù)量少于20時，算法收斂速度較慢，所需時隙較多，標(biāo)簽數(shù)量少于100時，算法性能與ADFSA及本算法性能接近，隨著標(biāo)簽的增多，算法性能逐漸降低。ADFSA通過標(biāo)簽估計對標(biāo)簽進(jìn)行分組并調(diào)整幀長，算法性能與本算法接近，當(dāng)標(biāo)簽大于150時，效果略優(yōu)于本算法。但是由于軟件環(huán)境所限，仿真過程是以時隙為單位的，未考慮MCU執(zhí)行相應(yīng)算法所需的具體運(yùn)算過程，如ADFSA標(biāo)簽估計（以e－Pcollide估計法為例）所需運(yùn)算過程等。因此，綜合考慮算法總時隙、運(yùn)算時間、硬件開銷等因素，結(jié)合實(shí)驗室設(shè)備管理實(shí)際可知，本算法效果最佳，具有識別快、運(yùn)算少、硬件開銷小、無標(biāo)簽餓死等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗及仿真結(jié)果可知，基于RFID的實(shí)驗設(shè)備管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備盤點(diǎn)、入庫、出庫、調(diào)撥、運(yùn)維等情況的實(shí)時管理，較好解決了高校工科實(shí)驗室管理中存在的問題。IAP和Q值防碰撞算法的創(chuàng)新性結(jié)合改善了常見概率型算法運(yùn)算復(fù)雜、空時隙多、存在標(biāo)簽餓死的不足。經(jīng)實(shí)驗檢驗，系統(tǒng)設(shè)計合理，運(yùn)行可靠，符合ISO／IEC 18000－6C協(xié)議，可有效提高高校工科實(shí)驗室設(shè)備管理的自動化水平。

（References）

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［12］劉慶華．基于EPCGen2協(xié)議的超高頻RFID技術(shù)研究［D］．合肥：安徽大學(xué)，2007．

Design of experimental equipment management system based on RFID

Guo Peng1，Zhang Haiyan2，Liu Zhenyong1，Li Yongwei3
（1．College of Physics ＆Electrical and Information Engineering，Shijiazhuang University，Shijiazhuang 050035，China；2．Department of Postal Communication Management，Shijiazhuang Posts and Telecommunication Technical College，Shijiazhuang 050021，China；3．College of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China）

For the needs of experimental equipment management，combined with development of RFID，a new experimental equipment management system is designed based on RFID．System design and UHF RFID reader design are briefly described．The improvement to the anti－collision algorithm of ISO 18000－6Cprotocol based on In Application Program（IAP）and Q algorithm is described in detail．Experimental results prove that the system is able to make real－time adaptations of the anti－collision algorithm according to the number of experimental equipment thus raising the efficiency of the algorithm，and the design has reliability，stability and certain practical value．

RFID；IAP；anti－collision algorithm；experimental equipment management

TP368

A

1002－4956（2015）3－0255－04

2014－08－28

河北省自然科學(xué)基金項目（F2014208145）；石家莊學(xué)院科研團(tuán)隊資助項目（XJTD004）

郭鵬（1981—），男，河北永年，碩士，講師，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及RFID．

E－mail：guopeng993＠163．com