实验设备管理论文范文

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1UHF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／IEC18000－6C，如图2所示。

1.1MCU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／IEC18000－6C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UHFRFID通信［7］。

1.2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。

1.3IAP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Block0块中，单片机复位后升级程序完成，如图4所示。

2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SQLSEVER2008数据库，进行了数据库逻辑模型设计和物理模型设计。

2.1UHF读写器软件设计由于ISO／IEC18000－6C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／IEC18000－6C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。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。

2.2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／IEC18000－6C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。

2.3Q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。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。

3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（adaptivedynamicframeslottedaloha，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。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。

4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／IEC18000－6C协议，可有效提高高校工科实验室设备管理的自动化水平。

作者：郭鹏张海燕刘振永李永伟单位：石家庄学院物理与电气信息工程学院石家庄邮电职业技术学院邮政通信管理系河北科技大学电气工程学院