基于RFID的自動控制實訓基地設備管理系統(tǒng)

鄔如梁，莫振棟

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院，廣西 柳州 545616）

1 RFID技術(shù)概述

RFID技術(shù)主要就是通過無線射頻的方式在非接觸的情況下，完成閱讀器和射頻卡之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸，從而達到交互實際和識別目標的目的。RFID讀寫器在實際應用時，讀寫器先通過發(fā)射天線發(fā)送相應頻率的射頻信號，然后在射頻卡進入到發(fā)射天線工作區(qū)域時，兩者之間產(chǎn)生感應電流后，射頻卡即可獲得能量被激活，此時射頻卡將自身編碼等數(shù)據(jù)信息通過內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去。讀寫器在接收到射頻卡發(fā)送的載波信號后，經(jīng)過天線調(diào)節(jié)器傳送至讀寫器，并完成對信息化的解碼。雖然不同的非接觸式傳輸方法在實際應用時存在著一定的差異，但是所有閱讀器不管是在設計構(gòu)造還是功能原理方面都采用了相似的設計形式，也就是說，任何一種類型的閱讀器，都可以轉(zhuǎn)化為高頻接口和控制單元兩個基本的單元模塊。在這其中高頻接口中的發(fā)送器和接收器，主要就是通過闡述高頻發(fā)射功率的方式為射頻卡的激活和啟動提供能量，然后通過調(diào)制法神信號的方式，將數(shù)據(jù)傳輸送至射頻卡，接收器則負責接收和調(diào)制來自于射頻卡的高頻信號?？刂茊卧谶\行過程中，就是利用系統(tǒng)軟件進行相互之間的通信，執(zhí)行應用系統(tǒng)軟件發(fā)送的指令，針對需要進行特殊處理的數(shù)據(jù)信息，必須對射頻卡和閱讀器數(shù)據(jù)進行加密和解密處理的方式，對射頻卡和閱讀器的身份進行準確無誤的驗證。

2 基于RFID的自動控制實訓基地設備管理系統(tǒng)設計

2.1 用戶管理模塊

自動控制實訓基地設備管理系統(tǒng)中的用戶管理模塊主要包括了管理人員用戶以及普通用戶等權(quán)限用戶。在這其中管理員用戶因為擁有最高權(quán)限，所以其不僅可以授權(quán)管理普通用戶，而且還可以通過對實訓室設備的管理，遠程控制實訓室設備，通過設置用戶策略的方式提高實訓室的智能安防水平。而普通用戶則具有注冊以及向管理員提出申請授權(quán)的權(quán)限，在實際操作的過程中可以根據(jù)實際情況修改自身信息，查看機房實訓環(huán)境狀態(tài)，然后通過授權(quán)方式完成身份的認證和識別。

2.2 設備管理模塊

自動控制實訓室在管理實訓設備時，主要是利用超高頻RFID（UHFRFID）技術(shù)，讀取和識別當前設備的信息。RFID技術(shù)因為自身具有識別速度快、讀取范圍廣泛且可同時讀取多個標簽設備等功能，所以被廣泛的應用于多個讀寫器組網(wǎng)后的數(shù)據(jù)讀取和識別中。一是RFID讀寫器。讀寫器是超高頻RFID系統(tǒng)最核心的功能之一，一般情況下讀寫器都是由控制模塊、數(shù)字基帶電路、視頻前端和電源模塊等組成的。在這其中控制模塊主要是以ARM嵌入式主控微處理器、存儲器和外部通信接口等為主構(gòu)成，讀寫器視頻前端主要發(fā)揮著與電子標簽之間的通信識別作用。由于超高頻電子標簽屬于無源信號，因此電子標簽必須接受讀寫器視頻前端發(fā)出的超高頻載波才能完成標簽的啟動流程，待電子標簽成果啟動后再與接收讀寫器之間進行數(shù)據(jù)的通信，在這一過程中，讀寫器不僅要具備發(fā)送數(shù)據(jù)和放大數(shù)據(jù)的調(diào)制功能，而且還應準確的接收電子標簽發(fā)送的信號，才能保證數(shù)據(jù)讀寫和傳輸?shù)臏蚀_無誤。數(shù)字基帶電路作為控制射頻前端電路工作以及分析控制模塊指令的主要元器件，其主要是在完成與上位機通信的基礎上，接收和執(zhí)行上位機發(fā)送的指令，然后根據(jù)指令要求控制基帶電路與視頻前端運行，運用防碰撞算法與超高頻RFID完成對電子標簽數(shù)據(jù)的準備識別和讀取。另外，讀寫器天線作為RFID讀寫器最重要的外接設備，讀寫器天線是否正常運行直接影響著RFID讀寫器覆蓋的范圍。讀寫器天線主要的功能就是接收和發(fā)送視頻載波。一般情況下，常見的讀寫器天線配置方式主要有以下幾種：首先，收發(fā)分離式。這種讀寫器天線實際就是利用兩根天線，分別進行讀寫器視頻前端的視頻發(fā)射和接收，通過將視頻信號接收和發(fā)送分開處理的方式，有效的降低了視頻信號之間的干擾，但是這種處理法方式在硬件成本方面的投入相對較高。其次，收發(fā)合一式。所謂收發(fā)合一式就是利用一個天線同時進行視頻信號的接收和發(fā)送，由于這種天線在實際應用時涉及到了射頻信號發(fā)送和接收的分離技術(shù)，所以工作人員在使用這種天線時，應該根據(jù)信號的強弱程度區(qū)分發(fā)射和接收信號，如果信號較強時則為發(fā)射信號，反之如果信號較弱的話就是接收信號。二是電子標簽。電子標簽主要是由射頻模擬前端、數(shù)字基帶處理器、存儲器以及天線等構(gòu)成的。在這其中射頻模擬前端主要發(fā)揮著整流穩(wěn)壓以及為其他射頻載波模塊提供電源的作用。分頻射頻載波器在運行過程中，將時鐘信號發(fā)送至數(shù)字基帶處理器和存儲器，最后將數(shù)據(jù)調(diào)制完成后由天線發(fā)出。數(shù)字基帶處理器主要是通過編碼數(shù)字基帶信號的方式，控制標簽存儲器數(shù)據(jù)讀寫的準確性。存儲器主要是由標簽生產(chǎn)廠家信息TID存儲器、存儲產(chǎn)品電子碼EPC存儲器以及用戶應用于存儲數(shù)據(jù)的用戶存儲區(qū)和保留存儲區(qū)等幾部分構(gòu)成。目前我國高校的自動控制實訓基地中相關設備的管理、定位以及出入都是通過超高頻RFID電子標簽實現(xiàn)的。三是上位機系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)是確保硬件功能順利實現(xiàn)不可或缺的軟件系統(tǒng)，對于高校自動控制實訓基地設備管理系統(tǒng)來說，上位機系統(tǒng)不僅要具備對實訓設備的精準定位和設備出入檢測功能，而且還應根據(jù)實訓室內(nèi)的實際情況，合理的劃分實訓室區(qū)域，然后通過在每個區(qū)域內(nèi)安裝超高頻RFID讀寫器天線的方式，對各個區(qū)域?qū)嵱栐O備進行實時的檢測。

2.3 環(huán)境監(jiān)測模塊

在進行實訓室環(huán)境監(jiān)測時，該系統(tǒng)主要是通過在實訓室內(nèi)部安裝溫濕度傳感器、光照傳感器以及ZigBee模塊等方式，采集實訓室的溫濕度和光照信息數(shù)據(jù)。然后由環(huán)境監(jiān)測模塊分析溫濕度傳感器和光照傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，并以此為基礎準確的判斷實訓室內(nèi)部的光照和溫濕度變化情況。傳感器模塊在實際應用前必須先進行上電初始化，并自動加入到ZigBee網(wǎng)絡中，然后進入自動監(jiān)聽狀態(tài)，按照每隔十分鐘控制器發(fā)送一次數(shù)據(jù)的信息，由傳感器模塊采集實訓室內(nèi)部的環(huán)境信息，最后再由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關按照要求將相關數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫進行分析，從而達到實時查看實訓室環(huán)境信息的目的。

2.4 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是借助網(wǎng)絡攝像頭遠程監(jiān)控采集實訓室內(nèi)部的畫面，然后再通過web服務器，完成對實訓室的遠程視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)主要是由以下相關設備構(gòu)成的。一是視頻采集設備。視頻采集設備指的就是網(wǎng)絡攝像頭，其主要是由攝像機、電動鏡頭、電動云臺、SD存儲卡等模塊組成的。視頻采集設備在實際應用時，不僅發(fā)揮著采集和傳輸實訓室內(nèi)部視頻和音頻數(shù)據(jù)的作用，而且還要接收用戶發(fā)出的控制指令。二是視頻監(jiān)控終端。自動實訓基地實訓設備管理系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控終端主要是由PC機和移動智能終端等相關設備構(gòu)成。其在實際運行過程中，視頻服務器負責接收攝像頭采集到的音視頻數(shù)據(jù)，然后再利用嵌入式系統(tǒng)完成對音視頻數(shù)據(jù)的解碼和壓縮，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。這種以HTML5客戶端瀏覽器中的Video元素接收播放音視頻的系統(tǒng)，不但有效降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的網(wǎng)絡延遲問題，而且最大限度的減輕了Web服務器的運行負擔，促進了自動控制實訓基地設備管理系統(tǒng)運行效率的大幅度提升。

3 結(jié)束語

總之，高校自動控制實訓基地設備管理系統(tǒng)建設過程中采用的RFID與ZigBee相結(jié)合的方式，不僅增強了師生之間的互動交流，而且合理運用RFID技術(shù)采集和傳輸數(shù)據(jù)，促進了實訓基地設備管理和運行效率的有效提升，為高校培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才提供了強有力的技術(shù)支持。