實驗設備管理論文范文

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1UHF讀寫器硬件電路設計

UHF讀寫器是實驗設備管理系統的核心部件，主要負責電子標簽讀寫、通信協議處理、射頻模塊控制、上位機通信等工作［4－6］，由MCU、射頻模塊、顯示模塊、存儲模塊、串行通信、電源模塊等構成，協議標準符合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SST89E516RD2，主要負責標簽讀寫控制、防碰撞算法調整及上位機通信。SST89E516RD2作為一款基于8051內核的單片機，最大特點是具有IAP功能，內置1KRAM和64K＋8KFLASH存儲器，片內資源豐富，5V電壓時工作頻率為0～40MHz。射頻芯片選擇AS3992，主要負責RFID通信協議棧實現、射頻信號接收與發送。AS3992內置ISO／IEC18000－6C協議引擎，工作頻率840～960MHz，接收靈敏度－86dBm，調制方式為ASK或PR－ASK，內部集成功率放大器（PA）、壓控振蕩器（VCO）、鎖相環（PLL）調制解調器、CRC校驗等模塊，與SST89E516RD2配合，只需簡單的輔助電路即可實現UHFRFID通信［7］。

1.2射頻前端電路設計射頻前端電路如圖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控制下負責射頻信號收發、ISO／IEC協議編碼解碼、信號調制解調等工作。發射通路中，MCU選擇通信速率較高的并行口向AS3992發送命令及數據，AS3992輸出0dBm差分信號，經LC網絡阻抗匹配后，利用巴倫將雙端差分信號轉換成單端信號，經外置PA功率放大及低通濾波器濾除雜波后，輸入定向耦合器，最終由天線發送出去。接收通路中，天線接收的電子標簽反饋信號經定向耦合器輸入巴倫，將單端信號轉換為雙端差分信號后再輸入AS3992進行信號處理。由于外置VCO成本昂貴，設計采用了AS3992內置VCO。實驗結果顯示，內置VCO可以滿足設計需求，性價比較高。

1.3IAP電路設計與普通RFID讀寫器不同，系統專門設計了IAP下載電路，使讀寫器能夠根據實驗室設備數量調整防碰撞算法關鍵參數，從而有效提高標簽識別效率，并為后期軟件維護提供便捷通道。根據SST89E516RD2使用特點，讀寫器通過串口收到上位機升級指令后，將單片機升級標志置位，擦除片外FLASH對應存儲塊，并將上位機發送的包含實驗設備數量的升級程序存入片外Flash。最后單片機將片外Flash存儲塊中的升級文件讀出并寫入到單片機ROM的Block0塊中，單片機復位后升級程序完成，如圖4所示。

2系統軟件架構

系統軟件架構如圖5所示。為實現系統硬件與上位機設備管理應用軟件的無縫鏈接，通過RFID中間件技術實現設備管理軟件與讀寫器之間的數據交換，保證數據實時、準確。中間件將原始底層事件封裝并提供上位機管理應用程序接口，以備管理系統使用，實現了硬件與應用軟件的融合［8］。后臺數據庫利用ASP．NET技術和SQLSEVER2008數據庫，進行了數據庫邏輯模型設計和物理模型設計。

2.1UHF讀寫器軟件設計由于ISO／IEC18000－6C協議采用的是時隙隨機ALOHA算法，根據“算法幀時隙等于標簽數量則識別效率最高”的理論，當存在標簽碰撞問題時，決定隨機幀時隙的Q值的選擇成為影響算法效率的關鍵。一般算法均采用某一方法先對標簽數量進行預估，然后根據估計值確定Q值。比如，ISO／IEC18000－6C協議中推薦了Q參數調節法（以下簡稱“Q算法”）。文獻［11］對5種不同的標簽估計方法進行了算法分析和仿真。雖然算法效率均有所提升，但是仍存在標簽餓死和空時隙較多的問題。對本設計應用對象—高校工科實驗室而言，由于設備一般少于200臺且數量不會頻繁變化，待識標簽數目固定，因此，在綜合考慮算法所需的運算時間和硬件開銷后，設計對Q算法進行了部分改進，首先在MCU內部設一標簽計數器，初始值為實驗室內設備數N。讀寫器根據N利用查表的方式確定Q的初值，使幀時隙盡量逼近N，然后開始標簽識別。讀寫器每識別一個標簽，N值減一，隨著待識別標簽數的變化，Q值也相應變化，計數器歸零后標簽識別立即結束，避免空時隙和標簽餓死。

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，則載入系統更新，查表并修改Q值；若無，則Q值保持不變并等待上位機指令。標簽管理過程中涉及的ISO／IEC18000－6C協議由AS3992內置協議棧實現。MCU內設置標簽計數器，標簽管理過程中，Q值由Query命令發送給標簽，隨標簽數量變化而變化。讀寫器主程序流程如圖6所示。

2.3Q值調整受篇幅所限，Q算法具體工作流程不再贅述，下面重點討論Q值調整方法。由以上公式可知，Q值若取ceilf（log2（N）），可使幀時隙逼近標簽數N，標簽識別時間較短，ceilf（）為向上取整函數［12］。在綜合考慮MCU運算時間、硬件開銷及算法效率后，本文根據大量實驗數據，確定了標簽數量與Q值的對應調整關系，如圖7所示。

3算法仿真

假設有N個標簽，N≤200，利用Matlab對Q算法、自適應動態幀時隙算法（adaptivedynamicframeslottedaloha，ADFSA）和本算法進行仿真，通過分析標簽識別所需總時隙數比較算法性能，見圖8。在單純考慮總時隙的情況下，通過對以上3種算法工作原理及仿真結果分析可知，Q算法根據標簽碰撞情況調節Q和C值，在標簽數量少于20時，算法收斂速度較慢，所需時隙較多，標簽數量少于100時，算法性能與ADFSA及本算法性能接近，隨著標簽的增多，算法性能逐漸降低。ADFSA通過標簽估計對標簽進行分組并調整幀長，算法性能與本算法接近，當標簽大于150時，效果略優于本算法。但是由于軟件環境所限，仿真過程是以時隙為單位的，未考慮MCU執行相應算法所需的具體運算過程，如ADFSA標簽估計（以e－Pcollide估計法為例）所需運算過程等。因此，綜合考慮算法總時隙、運算時間、硬件開銷等因素，結合實驗室設備管理實際可知，本算法效果最佳，具有識別快、運算少、硬件開銷小、無標簽餓死等優點。

4結論

根據實驗及仿真結果可知，基于RFID的實驗設備管理系統可實現對設備盤點、入庫、出庫、調撥、運維等情況的實時管理，較好解決了高校工科實驗室管理中存在的問題。IAP和Q值防碰撞算法的創新性結合改善了常見概率型算法運算復雜、空時隙多、存在標簽餓死的不足。經實驗檢驗，系統設計合理，運行可靠，符合ISO／IEC18000－6C協議，可有效提高高校工科實驗室設備管理的自動化水平。

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