基于RFID的实验设备管理系统设计

郭 鹏，张海燕，刘振永，李永伟

（1．石家庄学院物理与电气信息工程学院，河北石家庄 050035；2．石家庄邮电职业技术学院邮政通信管理系，河北石家庄 050021；3．河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018）

基于RFID的实验设备管理系统设计

郭 鹏1，张海燕2，刘振永1，李永伟3

（1．石家庄学院物理与电气信息工程学院，河北石家庄 050035；2．石家庄邮电职业技术学院邮政通信管理系，河北石家庄 050021；3．河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018）

针对实验设备管理需求，结合RFID发展趋势，设计了一种基于RFID的新型实验设备管理系统，简要描述了系统整体设计方案和超高频RFID读写器设计，详细阐述了如何将在应用编程（IAP）和Q算法结合对ISO 18000－6C防碰撞算法进行改进。实验结果证明，系统可根据实验设备数量实时调整防碰撞算法，提高识别效率，设计可靠，具有一定实际应用价值。

RFID；IAP；防碰撞算法；实验设备管理

随着国内高校硬件设施不断完善，高校实验室设备日益增多，种类多、数量大且价值不菲。目前，各高校实验设备管理系统大多是基于条形码技术的，如UPC、Code 128等，虽然能够对设备增减、变动等情况进行管理，但仍存在一些问题，如信息量不足、易损坏、无法实时掌握设备运维及管理情况等。为解决这些问题，本文将射频识别技术（radio frequency identification，RFID）与实验设备管理相结合，设计了一种基于超高频（ultra high frequency，UHF）RFID的新型实验设备管理系统。通过实验设备上的电子标签，利用RFID非接触自动识别特点，准确掌握实验设备使用及运维情况，对设备数据库实现实时更新［1－3］。系统最大特点是可根据实验室设备数量，利用IAP实时调整防碰撞算法，缩短标签识别时间，提高识别效率。

1 系统总体设计

基于RFID的实验设备管理系统包括电子标签、UHF读写器、上位机管理系统3部分，如图1所示。

图1 系统框图

电子标签具有唯一产品电子码（electronic prod－uct code，EPC），包括设备编号、名称、型号、使用日期等管理信息，作为数据载体粘贴在实验设备上。当设备进入实验室时，读写器对设备上的电子标签进行盘存，经能量及数据传输、通信协议处理，读取标签信息并将其通过串行口发送给上位机管理系统。上位机管理系统通过相关应用程序实现具体管理工作，如设备盘点、入库、出库、调拨、运维等。当设备在未授权情况下离开实验室时，系统报警。

2 UHF读写器硬件电路设计

UHF读写器是实验设备管理系统的核心部件，主要负责电子标签读写、通信协议处理、射频模块控制、上位机通信等工作［4－6］，由MCU、射频模块、显示模块、存储模块、串行通信、电源模块等构成，协议标准符合ISO／IEC 18000－6C，如图2所示。

图2 读写器硬件结构图

2．1 MCU及射频芯片选择

读写器MCU选择了具有IAP功能的单片机SST89E516RD2，主要负责标签读写控制、防碰撞算法调整及上位机通信。SST89E516RD2作为一款基于8051内核的单片机，最大特点是具有IAP功能，内置1KRAM和64K＋8KFLASH存储器，片内资源丰富，5V电压时工作频率为0～40MHz。

射频芯片选择AS3992，主要负责RFID通信协议栈实现、射频信号接收与发送。AS3992内置ISO／IEC 18000－6C协议引擎，工作频率840～960MHz，接收灵敏度－86dBm，调制方式为ASK或PR－ASK，内部集成功率放大器（PA）、压控振荡器（VCO）、锁相环（PLL）调制解调器、CRC 校验等模块，与SST89E516RD2配合，只需简单的辅助电路即可实现UHF RFID通信［7］。

2．2 射频前端电路设计

射频前端电路如图3所示，由AS3992及其辅助电路、巴伦、外置PA、低通滤波器、定向耦合器等部分组成，主要作用是在MCU控制下负责射频信号收发、ISO／IEC协议编码解码、信号调制解调等工作。发射通路中，MCU选择通信速率较高的并行口向AS3992发送命令及数据，AS3992输出0dBm差分信号，经LC网络阻抗匹配后，利用巴伦将双端差分信号转换成单端信号，经外置PA功率放大及低通滤波器滤除杂波后，输入定向耦合器，最终由天线发送出去。接收通路中，天线接收的电子标签反馈信号经定向耦合器输入巴伦，将单端信号转换为双端差分信号后再输入AS3992进行信号处理。由于外置VCO成本昂贵，设计采用了AS3992内置VCO。实验结果显示，内置VCO可以满足设计需求，性价比较高。

图3 射频前端电路结构图

2．3 IAP电路设计

与普通RFID读写器不同，系统专门设计了IAP下载电路，使读写器能够根据实验室设备数量调整防碰撞算法关键参数，从而有效提高标签识别效率，并为后期软件维护提供便捷通道。根据SST89E516RD2使用特点，读写器通过串口收到上位机升级指令后，将单片机升级标志置位，擦除片外FLASH对应存储块，并将上位机发送的包含实验设备数量的升级程序存入片外Flash。最后单片机将片外Flash存储块中的升级文件读出并写入到单片机ROM的Block 0块中，单片机复位后升级程序完成，如图4所示。

图4 IAP电路框图

3 系统软件架构

系统软件架构如图5所示。为实现系统硬件与上位机设备管理应用软件的无缝链接，通过RFID中间件技术实现设备管理软件与读写器之间的数据交换，保证数据实时、准确。中间件将原始底层事件封装并提供上位机管理应用程序接口，以备管理系统使用，实现了硬件与应用软件的融合［8］。后台数据库利用ASP．NET技术和SQL SEVER 2008数据库，进行了数据库逻辑模型设计和物理模型设计。

3．1 UHF读写器软件设计

图5 软件结构图

由于ISO／IEC 18000－6C协议采用的是时隙随机ALOHA算法，根据“算法帧时隙等于标签数量则识别效率最高”的理论，当存在标签碰撞问题时，决定随机帧时隙的Q值的选择成为影响算法效率的关键。一般算法均采用某一方法先对标签数量进行预估，然后根据估计值确定Q值。比如，ISO／IEC 18000－6C协议中推荐了Q参数调节法（以下简称“Q算法”）。文献［11］对5种不同的标签估计方法进行了算法分析和仿真。虽然算法效率均有所提升，但是仍存在标签饿死和空时隙较多的问题［9－11］。

对本设计应用对象—高校工科实验室而言，由于设备一般少于200台且数量不会频繁变化，待识标签数目固定，因此，在综合考虑算法所需的运算时间和硬件开销后，设计对Q算法进行了部分改进，首先在MCU内部设一标签计数器，初始值为实验室内设备数N。读写器根据N利用查表的方式确定Q的初值，使帧时隙尽量逼近N，然后开始标签识别。读写器每识别一个标签，N值减一，随着待识别标签数的变化，Q值也相应变化，计数器归零后标签识别立即结束，避免空时隙和标签饿死。

3．2 读写器主程序

读写器上电初始化后，首先检测有无IAP下载指令，若有，则载入系统更新，查表并修改Q值；若无，则Q值保持不变并等待上位机指令。标签管理过程中涉及的ISO／IEC 18000－6C协议由AS3992内置协议栈实现。MCU内设置标签计数器，标签管理过程中，Q值由Query命令发送给标签，随标签数量变化而变化。读写器主程序流程如图6所示。

3．3 Q值调整

受篇幅所限，Q算法具体工作流程不再赘述，下面重点讨论Q值调整方法。

假设有N个标签待识别，初始时隙为M，则某一标签在第一个时隙即被识别的概率为：

若N很大，则：

图6 读写器主程序流程图

因为M＝2Q，则：

由以上公式可知，Q值若取ceilf（log2（N）），可使帧时隙逼近标签数N，标签识别时间较短，ceilf（）为向上取整函数［12］。在综合考虑MCU运算时间、硬件开销及算法效率后，本文根据大量实验数据，确定了标签数量与Q值的对应调整关系，如图7所示。

图7 Q值查表

4 算法仿真

假设有N个标签，N≤200，利用Matlab对Q算法、自适应动态帧时隙算法（adaptive dynamic frame slotted aloha，ADFSA）和本算法进行仿真，通过分析标签识别所需总时隙数比较算法性能，见图8。

图8 算法性能仿真

在单纯考虑总时隙的情况下，通过对以上3种算法工作原理及仿真结果分析可知，Q算法根据标签碰撞情况调节Q和C值，在标签数量少于20时，算法收敛速度较慢，所需时隙较多，标签数量少于100时，算法性能与ADFSA及本算法性能接近，随着标签的增多，算法性能逐渐降低。ADFSA通过标签估计对标签进行分组并调整帧长，算法性能与本算法接近，当标签大于150时，效果略优于本算法。但是由于软件环境所限，仿真过程是以时隙为单位的，未考虑MCU执行相应算法所需的具体运算过程，如ADFSA标签估计（以e－Pcollide估计法为例）所需运算过程等。因此，综合考虑算法总时隙、运算时间、硬件开销等因素，结合实验室设备管理实际可知，本算法效果最佳，具有识别快、运算少、硬件开销小、无标签饿死等优点。

5 结论

根据实验及仿真结果可知，基于RFID的实验设备管理系统可实现对设备盘点、入库、出库、调拨、运维等情况的实时管理，较好解决了高校工科实验室管理中存在的问题。IAP和Q值防碰撞算法的创新性结合改善了常见概率型算法运算复杂、空时隙多、存在标签饿死的不足。经实验检验，系统设计合理，运行可靠，符合ISO／IEC 18000－6C协议，可有效提高高校工科实验室设备管理的自动化水平。

（References）

［1］王保云．物联网技术研究综述［J］．电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1－7．

［2］程小辉，康燕萍．基于STM32的RFID手持式阅读器的研究与设计［J］．电子技术应用，2012，39（8）：130－133．

［3］贾松浩，杨彩，刘军，等．RFID在图书馆管理系统中的应用［J］．自动化仪表，2012，33（6）：43－45．

［4］吴小龙，张红雨．基于ISO18000－6C协议标准的RFID阅读器设计［J］．电子技术应用，2012，38（9）：32－34．

［5］Shi Weiwei，Choy Chiusing．Very－Low－Voltage and Cross－Submicron－Technology Passive Tag’s Logic Design［J］．电子学报：英文版，2013，22（4）：661－665．

［6］汪定伟．Ip WH．RFID技术与应用中的建模与优化的研究综述［J］．控制工程，2013，20（1）：9－12．

［7］孙毅刚，邓勇，李强．基于AS3992的UHF RFID阅读器设计和研究［J］．制造业自动化，2013，35（10）：138－142．

［8］徐云．一种RFID中间件设计与实现［J］．信息安全与技术，2013，4（8）：72－74．

［9］张学军，马军飞，陈彦君．增强型Q参数混合碰撞算法［J］．计算机技术与发展，2013，23（8）：47－51．

［10］徐劼，林菁，李绍香．一种高效低成本的RFID系统防碰撞改进算法［J］．计算机应用与软件，2013，30（7）：124－126．

［11］王中祥，谈熙，刘丹，等．中国频率规范下RFID防碰撞算法性能分析［J］．复旦学报：自然科学版，2008，47（6）：697－701．

［12］刘庆华．基于EPCGen2协议的超高频RFID技术研究［D］．合肥：安徽大学，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

河北省自然科学基金项目（F2014208145）；石家庄学院科研团队资助项目（XJTD004）

郭鹏（1981—），男，河北永年，硕士，讲师，主要研究方向为嵌入式系统及RFID．

E－mail：guopeng993＠163．com