無(wú)源RFID技術(shù)在通信機(jī)房機(jī)柜設(shè)備識(shí)別中的應(yīng)用

1 引言

通信機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、服務(wù)器機(jī)柜、綜合布線機(jī)柜等。其中網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜存放交換機(jī)、路由器、防火墻等用來(lái)承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備； 服務(wù)器機(jī)柜用來(lái)存放服務(wù)器、存儲(chǔ)器等設(shè)備； 綜合布線機(jī)柜用來(lái)存放水平線纜管理單元和垂直線纜管理單元主要用來(lái)架設(shè)理線架等設(shè)備。由于各機(jī)柜內(nèi)通信設(shè)備型號(hào)不同，設(shè)備量是根據(jù)擴(kuò)容的要求不斷的處于動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，機(jī)房維護(hù)人員在運(yùn)管和設(shè)備維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)通信設(shè)備更換、移位安裝靠人工識(shí)別，造成對(duì)設(shè)備變更定位不準(zhǔn)，通信設(shè)備編號(hào)需手工記錄，造成編號(hào)出錯(cuò)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響通信機(jī)房運(yùn)維的工作效率。針對(duì)通信機(jī)房機(jī)柜內(nèi)的這些不同設(shè)備在運(yùn)管與維護(hù)過(guò)程中存在的管理問(wèn)題，提出了基于無(wú)源RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）[1]實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別的通信機(jī)房機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：非接觸式識(shí)別，可在50 mm內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別各種類型設(shè)備；安裝方便靈活，不改變機(jī)房機(jī)柜內(nèi)物理結(jié)構(gòu)，采用尼龍貼式固定，上下左右調(diào)節(jié)靈活；不生產(chǎn)電磁干擾，采用125 kHz頻率的RFID標(biāo)簽識(shí)別，以太網(wǎng)線傳輸，不影響機(jī)房設(shè)備正常工作；智能采集識(shí)別，只需將每個(gè)設(shè)備上的無(wú)源RFID標(biāo)簽對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)機(jī)柜上的讀頭即可時(shí)實(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備所在機(jī)柜的位置、型號(hào)、編號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)房設(shè)備的智能化管理；性價(jià)比高，每個(gè)設(shè)備識(shí)別點(diǎn)僅需要加入低成本的無(wú)源RFID標(biāo)簽，即可實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房設(shè)備的智能化管理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)柜內(nèi)無(wú)源RFID標(biāo)簽及讀頭天線

無(wú)源RFID標(biāo)簽由漆包線繞成螺旋式天線和RFID芯片組成，采用直徑為20 mm、厚度為1 mm的塑封方式實(shí)現(xiàn)，其一側(cè)粘有尼龍貼，安裝在有尼龍貼的機(jī)柜設(shè)備上的專用支架上。讀頭天線的大小和安裝方法與無(wú)源RFID標(biāo)簽相同，不同的是讀頭天線是安裝在每個(gè)設(shè)備裝在機(jī)柜后部的與無(wú)源RFID標(biāo)簽的對(duì)應(yīng)處，并引出兩條導(dǎo)線，導(dǎo)線長(zhǎng)度根據(jù)讀頭天線安裝位置不同，可分為4 m、3 m、2 m、1 m的線長(zhǎng)，同樣，讀頭也是安裝在有尼龍貼的機(jī)柜上。當(dāng)貼有無(wú)源RFID標(biāo)簽的設(shè)備抽出后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別出抽出設(shè)備所在機(jī)柜的位置；當(dāng)同樣的設(shè)備沒有裝入對(duì)應(yīng)機(jī)柜位置時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示出安裝位置錯(cuò)誤，并提示出正確安裝位置。無(wú)源RFID標(biāo)簽及讀頭天線結(jié)構(gòu)安裝示意圖如圖1所示。

圖1 無(wú)源RFID標(biāo)簽及讀頭天線結(jié)構(gòu)安裝示意圖

2.2 單個(gè)機(jī)柜內(nèi)機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)

單個(gè)機(jī)柜內(nèi)機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)如圖2所示。由n個(gè)讀頭天線，接線端子，匹配電路，發(fā)射電路，接收電路，模擬開關(guān)，MCU，IO擴(kuò)展電路，LED驅(qū)動(dòng)電路，LED燈，開關(guān)電源，1U機(jī)箱組成。

圖2 單個(gè)機(jī)柜內(nèi)機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)

讀頭天線的基本任務(wù)是與無(wú)源RFID標(biāo)簽建立通信并傳輸數(shù)據(jù)，主要具備發(fā)送和接收功能；接線端子用于將各讀頭天線的接線與系統(tǒng)連接；匹配電路由調(diào)諧電容組成，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)木€圈和電容，使得讀頭天線的諧振頻率為125 kHz；發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生載波并通過(guò)天線發(fā)送出去，為標(biāo)簽提供能量，發(fā)射電路的電壓和電流為，發(fā)射功率小于1 W；接收電路用于接收并解調(diào)來(lái)標(biāo)簽的射頻信號(hào)；模擬開關(guān)用于對(duì)n個(gè)讀頭天線進(jìn)行輪詢工作；MCU是系統(tǒng)的核心，用于控制n個(gè)讀頭天線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、每個(gè)讀頭天線的工作狀態(tài)指示、上位機(jī)的指令接收及數(shù)據(jù)的上傳等；IO擴(kuò)展電路用于對(duì)MCUIO進(jìn)行擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)對(duì)n個(gè)LED燈的控制；LED驅(qū)動(dòng)電路由三極管組成，一個(gè)IO控制一路三極管驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED燈；開關(guān)電源用于提供系統(tǒng)的+5V整機(jī)供電；1U機(jī)箱用于將上述電路裝入。

該識(shí)別系統(tǒng)在數(shù)據(jù)識(shí)別正確率大于等于80%時(shí)能達(dá)到的最大距離為1.6 cm，每個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)平均識(shí)別時(shí)間小于1秒。在判斷識(shí)別標(biāo)簽有無(wú)的測(cè)試中，正確率達(dá)到80%的最遠(yuǎn)距離為9.5 cm，平均響應(yīng)時(shí)間小于0.5秒。

3 機(jī)柜內(nèi)無(wú)源RFID標(biāo)簽及讀頭

機(jī)房機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)的硬件部分主要由兩個(gè)組成部分：讀頭和無(wú)源RFID標(biāo)簽。

讀頭的基本任務(wù)是與無(wú)源RFID標(biāo)簽建立通信并傳輸數(shù)據(jù)，主要具備發(fā)送和接收功能；無(wú)源RFID標(biāo)簽負(fù)責(zé)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，是該識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，由MCU（微控制單元）、耦合線圈，整流濾波電路，自耦變壓器構(gòu)成。標(biāo)簽及讀頭電路組成方框圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽及讀頭電路組成

通信機(jī)房機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)的重點(diǎn)是考慮系統(tǒng)的工作頻率，除此之外需要正確選擇無(wú)源RFID標(biāo)簽的供電方式，另外信號(hào)的調(diào)制方式和數(shù)據(jù)的編碼方式也影響著系統(tǒng)性能。在系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中著重從這三個(gè)方面考慮。一是工作頻率的選擇：識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率即讀頭發(fā)射無(wú)線信號(hào)所使用的頻率。本識(shí)別系統(tǒng)采用的是一個(gè)短距離、低通訊量、低成本的系統(tǒng)，選擇采用低頻（125 kHz）的工作頻率；二是無(wú)源RFID標(biāo)簽供電方法的選擇：系統(tǒng)中無(wú)源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)采用的是無(wú)源工作模式，工作所需的能量全部通過(guò)耦合線圈獲得。無(wú)源RFID標(biāo)簽使用方便，成本低，具有更好的應(yīng)用前景；三是數(shù)據(jù)調(diào)制、編碼方式的選擇：系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方式采用曼切斯特編碼的方式，無(wú)源RFID標(biāo)簽將自己的ID數(shù)據(jù)以曼切斯特編碼的格式傳出，讀頭通過(guò)軟件進(jìn)行解碼。曼切斯特編碼可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率比較低。

3.1 天線（耦合線圈）

天線是以電磁波形式把前端射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)換。根據(jù)天線在系統(tǒng)中的不同功能和作用，系統(tǒng)中的天線可分為標(biāo)簽天線（tag antenna）和讀頭天線（reader antenna）。讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量Φ，而磁通量用于向標(biāo)簽提供電源并在讀頭和標(biāo)簽之間傳送信息。對(duì)讀頭天線設(shè)計(jì)的基本要求是：使天線線圈的電流I最大，以產(chǎn)生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；要有足夠的帶寬，以無(wú)失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。

3.2 讀頭

讀頭由三部分構(gòu)成：發(fā)射電路、接收電路和MCU。發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生載波并通過(guò)天線發(fā)送出去，以為標(biāo)簽提供能量。發(fā)射電路采用125 kHz載波頻率，系統(tǒng)中通過(guò)一個(gè)4 MHz的石英振蕩器連接分頻器74HC4060，經(jīng)過(guò)32分頻產(chǎn)生125 kHz左右的載波頻率。并通過(guò)推挽的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，接收端電路通過(guò)檢波，整流，比較放大后取得曼切斯特編碼原始數(shù)據(jù)DATA；接收電路接收并解調(diào)標(biāo)簽的射頻信號(hào)，并經(jīng)過(guò)三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，首先通過(guò)一個(gè)二極管濾去負(fù)半周的信號(hào)，然后通過(guò)一個(gè)RC濾波器濾去125 kHz載波信號(hào)，然后通過(guò)一個(gè)電容串聯(lián)的方式濾去直流信號(hào)，從而得到的僅僅是標(biāo)簽編碼信號(hào)，最后再通過(guò)放大器進(jìn)行放大，并送到比較器的同相輸入端，經(jīng)過(guò)分壓濾波從比較器的輸出端得到標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)，該信號(hào)是一串穩(wěn)定的曼徹斯特碼，由MCU進(jìn)行曼切斯特解碼；MCU采用ATMEI公司的ATmega 8單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[1]，系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)控制發(fā)射電路、接收電路獲得通信機(jī)柜內(nèi)的某個(gè)設(shè)備的ID數(shù)據(jù)后，通過(guò)RS232串口轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)口后，再通過(guò)集線器將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備ID數(shù)據(jù)比對(duì)，識(shí)別并顯示出相應(yīng)設(shè)備在通信機(jī)柜中的位置信息，為通信機(jī)柜設(shè)備運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供管理依據(jù)。

3.3 無(wú)源RFID標(biāo)簽

無(wú)源RFID標(biāo)簽主要由自耦變壓器、全橋整流器、電容、MCU構(gòu)成。在讀頭交變場(chǎng)的作用下，在標(biāo)簽線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，利用自耦變壓器將該電壓升高到4倍左右。然后利用全橋整流，通過(guò)兩個(gè)10μF電容進(jìn)行濾波。為保證電壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)采用一個(gè)穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，以保證MCU穩(wěn)定工作，MCU將數(shù)據(jù)編碼成曼徹斯特編碼，采用負(fù)載調(diào)制的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，需要為每個(gè)標(biāo)簽分配一個(gè)唯一的ID標(biāo)簽，ID表示長(zhǎng)度可以根據(jù)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備數(shù)量和類型定義，采用64位ID標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)在標(biāo)簽軟件中設(shè)定。每個(gè)讀頭每隔100 ms向外發(fā)射一段電磁波進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)對(duì)應(yīng)標(biāo)簽處于讀頭感應(yīng)范圍內(nèi)，讀頭將收到標(biāo)簽發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并讀取標(biāo)簽完整的ID數(shù)據(jù)。讀頭工作流程如圖4所示。當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流足夠驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽工作時(shí)，標(biāo)簽便連續(xù)發(fā)送自己的ID數(shù)據(jù)。

圖4 讀頭工作流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)源RFID標(biāo)簽具有體積小、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非接觸識(shí)別、設(shè)備識(shí)別、設(shè)備定位及長(zhǎng)期的設(shè)備跟蹤與管理[3]。使用時(shí)只需將無(wú)源RFID標(biāo)簽和讀頭通過(guò)尼龍貼分別固定在各個(gè)設(shè)備上和各個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)機(jī)柜支架位置上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接組成通信機(jī)房機(jī)柜設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)，提升機(jī)房設(shè)備的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理效能。