實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理論文范文

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1UHF讀寫器硬件電路設(shè)計(jì)

UHF讀寫器是實(shí)驗(yàn)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／IEC18000－6C，如圖2所示。

1.1MCU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(shí)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／IEC18000－6C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(yàn)等模塊，與SST89E516RD2配合，只需簡單的輔助電路即可實(shí)現(xiàn)UHFRFID通信［7］。

1.2射頻前端電路設(shè)計(jì)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(jì)采用了AS3992內(nèi)置VCO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，內(nèi)置VCO可以滿足設(shè)計(jì)需求，性價(jià)比較高。

1.3IAP電路設(shè)計(jì)與普通RFID讀寫器不同，系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了IAP下載電路，使讀寫器能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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Block0塊中，單片機(jī)復(fù)位后升級程序完成，如圖4所示。

2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(shí)、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SQLSEVER2008數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計(jì)和物理模型設(shè)計(jì)。

2.1UHF讀寫器軟件設(shè)計(jì)由于ISO／IEC18000－6C協(xié)議采用的是時(shí)隙隨機(jī)ALOHA算法，根據(jù)“算法幀時(shí)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(shí)，決定隨機(jī)幀時(shí)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(jì)值確定Q值。比如，ISO／IEC18000－6C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(jì)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(shí)隙較多的問題。對本設(shè)計(jì)應(yīng)用對象—高校工科實(shí)驗(yàn)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(shí)間和硬件開銷后，設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器，初始值為實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)數(shù)器歸零后標(biāo)簽識別立即結(jié)束，避免空時(shí)隙和標(biāo)簽餓死。

2.2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／IEC18000－6C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(jì)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。

2.3Q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。由以上公式可知，Q值若取ceilf（log2（N）），可使幀時(shí)隙逼近標(biāo)簽數(shù)N，標(biāo)簽識別時(shí)間較短，ceilf（）為向上取整函數(shù)［12］。在綜合考慮MCU運(yùn)算時(shí)間、硬件開銷及算法效率后，本文根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)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。

3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(shí)隙算法（adaptivedynamicframeslottedaloha，ADFSA）和本算法進(jìn)行仿真，通過分析標(biāo)簽識別所需總時(shí)隙數(shù)比較算法性能，見圖8。在單純考慮總時(shí)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(shí)，算法收斂速度較慢，所需時(shí)隙較多，標(biāo)簽數(shù)量少于100時(shí)，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(jì)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(shí)，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(shí)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(jì)（以e－Pcollide估計(jì)法為例）所需運(yùn)算過程等。因此，綜合考慮算法總時(shí)隙、運(yùn)算時(shí)間、硬件開銷等因素，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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)。

4結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果可知，基于RFID的實(shí)驗(yàn)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(shí)管理，較好解決了高校工科實(shí)驗(yàn)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(shí)隙多、存在標(biāo)簽餓死的不足。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，符合ISO／IEC18000－6C協(xié)議，可有效提高高校工科實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的自動化水平。

作者：郭鵬張海燕劉振永李永偉單位：石家莊學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院郵政通信管理系河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院