廖星星 金鋼 陳孝光

摘 要： 科研單位的儀器設(shè)備具有價(jià)值高、使用頻率高、流動(dòng)性大等特點(diǎn)，設(shè)備在流轉(zhuǎn)過(guò)程中常因?yàn)榭蒲腥藛T活躍的思維變的難以控制，從而導(dǎo)致設(shè)備尋找困難。通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備流轉(zhuǎn)信息的采集并可視化是解決上述問(wèn)題的一種行之有效的方法。該文介紹RFID數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，并將數(shù)據(jù)可視化過(guò)程分為四個(gè)階段：數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型建立、繪制、顯示。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段提出一種RFID冗余數(shù)據(jù)過(guò)濾方法；模型建立階段建立了設(shè)備流轉(zhuǎn)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，該模型用以判別設(shè)備出入問(wèn)題；繪制階段提出對(duì)設(shè)備當(dāng)前位置信息標(biāo)識(shí)和歷史路徑軌跡的繪制方法；顯示階段則通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備在試驗(yàn)室的當(dāng)前位置。目前，該方法在某科研單位的設(shè)備管理系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： RFID； 設(shè)備定位； 可視化方法； RFID數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）06?0077?05

A RFID technology based visualization method of equipment location

LIAO Xingxing1， 2， JING Gang1， 2， CHEN Xiaoguang3

（1. Shanghai Institute of Technical Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China； 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China； 3. Shanghai Leanwo Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200080， China）

Abstract： The apparatus of scientific research institutions has the characteristics of high value， high use frequency， large mobility， etc. It is difficult to control the location of equipments in transfer process due to the active thinking of the researchers， so the equipment is difficult to find. Its an effective method to solve the above problems by means of RFID technology to collect and visualize the equipment transfer information. The collection process of RFID data is described. The data visualization process is divided into four stages of data preprocessing， modeling， drawing and display. A RFID redundant data filtering method is proposed in data preprocessing stage. The mathematical model of equipment transfer information is established in modeling stage to determine the coming in and going out issues of equipments. The drawing method of equipments current location information and historical path trace is proposed in drawing stage. The current location of the equipments in the laboratory is displayed in real time by means of computer graphics technology in display stage. Currently， the method is effectively used in the equipment management system of a research institute.

Keywords： RFID； equipment location； visualization method； RFID data acquisition

0 引 言

航天科研單位是研究與生產(chǎn)并存的科研組織，儀器設(shè)備存在著各種各樣的形式，且具有價(jià)值高、流動(dòng)性強(qiáng)、安全管理難等特點(diǎn)，專業(yè)的管理員為了跟蹤儀器設(shè)備的流向，在付出大量寶貴的時(shí)間和人力物力之后，又由于現(xiàn)場(chǎng)科研人員活躍的思維方式和科研活動(dòng)變得無(wú)序和難于控制。人們?？鄲勒也坏阶约合胍墓ぞ?，這給工作進(jìn)度帶來(lái)很大的阻撓[1]。RFID技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于非接觸式自動(dòng)識(shí)別，當(dāng)攜帶標(biāo)簽的設(shè)備進(jìn)入閱讀器的作用區(qū)域時(shí)，標(biāo)簽通過(guò)電磁感應(yīng)獲得能量被激活，激活之后的標(biāo)簽將自身的系列號(hào)信息發(fā)送給閱讀器，閱讀器最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸將信息發(fā)送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[2?3]。這些信息中包括閱讀器的標(biāo)識(shí)號(hào)，閱讀器通常是安裝在固定位置，因此設(shè)備被識(shí)別時(shí)的位置即為閱讀器的位置。數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）是通過(guò)使用圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像或圖形顯示出來(lái)，并提供交互行為的理論、方法和技術(shù)，實(shí)質(zhì)是借助圖形化手段使數(shù)據(jù)表達(dá)的內(nèi)容更容易被理解，并清晰有效地傳達(dá)數(shù)據(jù)和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)[4?5]。將RFID系統(tǒng)采集的位置數(shù)據(jù)可視化，可快速幫助科研人員確定設(shè)備所在位置，并選擇最優(yōu)路徑前往，大大節(jié)省設(shè)備尋找時(shí)間，提高了科研效率。

1 RFID數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1.1 RFID工作原理

RFID[6?7]系統(tǒng)的基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)主要由5部分組成，即：RFID標(biāo)簽、天線、讀寫(xiě)器、服務(wù)器和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。標(biāo)簽一般是由線圈、存儲(chǔ)器組成的低壓電路，讀寫(xiě)器完成對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的采集，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理見(jiàn)圖1。

在一個(gè)設(shè)備上安裝電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽里存儲(chǔ)了一組經(jīng)過(guò)特定編碼的序列號(hào)。當(dāng)攜帶電子標(biāo)簽的設(shè)備進(jìn)入閱讀器的作用區(qū)域時(shí)，連接閱讀器的天線發(fā)出的電磁波將會(huì)激活標(biāo)簽電路，被激活之后的電子標(biāo)簽將自身的系列號(hào)信息通過(guò)內(nèi)置天線發(fā)射出去，閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的信號(hào)是一組載波信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，得到所需要的數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸把收到的信息傳至RFID中間件，RFID中間件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、過(guò)濾之后再存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，存儲(chǔ)的信息包括標(biāo)簽序列號(hào)、讀取到標(biāo)簽系列號(hào)的讀寫(xiě)器編號(hào)及讀取時(shí)間，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可根據(jù)標(biāo)簽序列獲取設(shè)備屬性信息[8]。

1.2 RFID數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用RFID技術(shù)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的RFID數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)記錄了設(shè)備攜帶的EPC碼，讀取時(shí)間，所讀取的讀卡器的標(biāo)志號(hào)，這個(gè)讀卡器的標(biāo)志號(hào)可以看作讀取的位置。這一系列的讀取記錄就是目標(biāo)對(duì)象移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，他們構(gòu)成了物品的移動(dòng)路徑數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)目標(biāo)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的位置信息進(jìn)行采集，因此在試驗(yàn)室的出入口處布置相應(yīng)的RFID天線，以現(xiàn)場(chǎng)為單位獲取設(shè)備的流轉(zhuǎn)信息，如圖2所示。

RFID天線通過(guò)射頻線纜與RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行連接，RFID讀寫(xiě)器與路由器進(jìn)行信息交互，路由器再將信息傳送給中心數(shù)據(jù)庫(kù)，定義：

（1） 識(shí)別率。識(shí)別率是評(píng)價(jià)RFID系統(tǒng)非常重要的一個(gè)指標(biāo)，將直接影響應(yīng)用層數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，識(shí)別率定義如下：

[λ=CN]

式中：N表示標(biāo)簽出現(xiàn)在讀寫(xiě)器工作區(qū)域的次數(shù)；C表示標(biāo)簽被讀寫(xiě)器識(shí)別的次數(shù)。

（2） 中間件。統(tǒng)一管理系統(tǒng)中的所有讀寫(xiě)器（固定式或手持式讀寫(xiě)器），包括讀寫(xiě)器的配置、數(shù)據(jù)采集和過(guò)濾、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等內(nèi)容。中間件大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)，降低了系統(tǒng)的耦合性。

2 RFID數(shù)據(jù)可視化過(guò)程

Card信息可視化模型將信息可視化的過(guò)程分為3個(gè)階段[9]：數(shù)據(jù)預(yù)處理、繪制、顯示和交互。RFID數(shù)據(jù)可視化過(guò)程可分為4個(gè)階段：

（1） 數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理是將RFID采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，讀寫(xiě)器采集到的原始標(biāo)簽數(shù)量十分龐大，需要過(guò)濾冗余數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余的原因有三個(gè)：同一臺(tái)讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的重復(fù)讀取、業(yè)務(wù)相同的兩臺(tái)讀寫(xiě)器對(duì)同一標(biāo)簽的數(shù)據(jù)不斷讀取、業(yè)務(wù)不同的兩組讀寫(xiě)器因?yàn)槠∈录?dǎo)致標(biāo)簽數(shù)據(jù)被讀取。

（2） 模型建立。要實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視化定位，需要建立設(shè)備流轉(zhuǎn)信息模型。

（3） 繪制。繪制的功能是完成RFID數(shù)據(jù)到幾何圖象的轉(zhuǎn)換。

（4） 顯示和交互。即將繪制模塊生成的圖象數(shù)據(jù)，按照用戶指定的要求進(jìn)行輸出，方便用戶更直觀地查看設(shè)備所在位置信息，并進(jìn)行相關(guān)交互。

2.1 RFID冗余數(shù)據(jù)過(guò)濾

設(shè)置標(biāo)簽數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

Struct TagData{String tagID； String roomID；

String readerID； DatereadTime}

其中：tagID表示標(biāo)簽的序列號(hào)；roomID代表當(dāng)前標(biāo)簽被讀取的房間位置；readerID表示讀取到標(biāo)簽的讀寫(xiě)器的編號(hào)，考慮到房間比較大，一個(gè)房間可能存在安裝多個(gè)讀寫(xiě)器的情況，故房間和讀寫(xiě)器設(shè)置不同的字段；readTime表示標(biāo)簽被讀取的時(shí)間。

在RFID系統(tǒng)中，讀寫(xiě)器會(huì)周期性的向RFID中間件發(fā)送標(biāo)簽數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)量龐大，且含有大量的冗余數(shù)據(jù)，如果在發(fā)送至上層應(yīng)用程序之前不進(jìn)行濾掉操作，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成巨大的負(fù)擔(dān)。通過(guò)邏輯映射引擎將所有讀寫(xiě)器讀到原始的RFID數(shù)據(jù)映射到各個(gè)邏輯讀寫(xiě)器后，便可以在邏輯讀寫(xiě)器的基礎(chǔ)上分別對(duì)屬于各個(gè)邏輯讀寫(xiě)器的原始標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余過(guò)濾操作[10?12]。

讀寫(xiě)器讀取到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)哈希表中，假設(shè)存儲(chǔ)在哈希表中的一組標(biāo)簽數(shù)據(jù)表示為：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+11BTag2Tstarti+21BTag2Ti+2i+31BTag2Tendi+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

這里提出了一種新的數(shù)據(jù)過(guò)濾算法，過(guò)濾步驟如下：

（1） 將業(yè)務(wù)一致的讀寫(xiě)器做成相同的標(biāo)識(shí)?？紤]到一些房間空間較大，安裝了2組或多組天線，這些天線連接的讀寫(xiě)器從業(yè)務(wù)的角度來(lái)說(shuō)功能一致，標(biāo)識(shí)成同一地點(diǎn)：

[ifdata.roomID=roomID]

[data.readerID=readerID]

可以得出：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+11ATag2Tstarti+21ATag2Ti+2i+31ATag2Tendi+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

（2） 過(guò)濾掉隊(duì)列中開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間差小于4 s的數(shù)據(jù)。主要針對(duì)安裝較近的情況。

[ifTstart-Tend<4]

[forint ID=i+1；ID<=i+3；ID++]

[data.RemoveAtID]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

（3） 對(duì)隊(duì)列中最后一個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的地點(diǎn)進(jìn)行更新。

（4） 刪除隊(duì)列內(nèi)的中間數(shù)據(jù)，并獲取開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

[ifdataID.readerID=dataID-1. readerIDdataID.readerID=dataID+1.readerID]

[data.RemoveAtID]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1n3DTag4Tn]

（5） 處理隊(duì)列底部數(shù)據(jù)。這里分兩種情況，當(dāng)隊(duì)列底部讀寫(xiě)器讀取到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄為2次時(shí)，則刪除底部數(shù)據(jù)，否則不刪除。

[ifdata.ID≥2 dataID-1.readerID=dataID-2.readerID]

[data.RemoveAtID-1]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1]

（6） 刪除隊(duì)列的頂部數(shù)據(jù)，保留隊(duì)列的底部數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTimek1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1]

（7） 保留隊(duì)列底部的數(shù)據(jù)，其余都刪除。

（8） 維持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中一個(gè)表為50條記錄。

2.2 設(shè)備流轉(zhuǎn)信息模型建立

系統(tǒng)需要對(duì)設(shè)備當(dāng)前所在位置信息進(jìn)行采集，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)定位及歷史位置信息查詢。定位可以通過(guò)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方式成本較低。具體實(shí)施情況是將天線通過(guò)萬(wàn)用接頭安裝于每個(gè)房間門口側(cè)壁，天線和讀寫(xiě)器是相連的。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)RFID讀寫(xiě)器自動(dòng)獲取設(shè)備位置信息。設(shè)備移動(dòng)路徑狀態(tài)可以通過(guò)位置的變化信息來(lái)判斷，其原理如圖3所示。

用數(shù)學(xué)模型分析如下：標(biāo)簽第一次進(jìn)入A房間時(shí)，接收到A房間天線發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，被讀寫(xiě)器A讀取，位置信息標(biāo)記為A。進(jìn)入A房間之后，標(biāo)簽一直被讀取，位置信息一直被標(biāo)記為A，直至離開(kāi)A房間。這一過(guò)程可以用矩陣表示為：

[SA=tagIDroomIDreaderIDreadTimeTag1A1Tin????Tag1A1Tout]

同理可得，

[SB=tagIDroomIDreaderIDreadTimeTag1B2Tin????Tag1B2Tout]

如果存在：

[SC=tagIDroomIDreaderIDreadTime????Tag1A1ToutTag1B2Tin????]

即：

[→ ]

則可以斷定：標(biāo)簽從A房間離開(kāi)進(jìn)入B房間。

2.3 圖形繪制

設(shè)備在試驗(yàn)室移動(dòng)過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)很多裝有閱讀器的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常布置在各個(gè)房間的出入口，稱為位置節(jié)點(diǎn)，一系列位置節(jié)點(diǎn)就形成了該設(shè)備的移動(dòng)路徑。位置節(jié)點(diǎn)表示物品移動(dòng)中的不同階段，在任何階段，設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)可以用時(shí)間和位置節(jié)點(diǎn)兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述。

設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不同的位置節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不同的時(shí)間信息，包括在這個(gè)節(jié)點(diǎn)停留的時(shí)間，或者進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和離開(kāi)節(jié)點(diǎn)時(shí)間。所以某條路徑中的節(jié)點(diǎn)信息不僅包含位置信息還有時(shí)間信息。這時(shí)路徑的節(jié)點(diǎn)可以看作是節(jié)點(diǎn)對(duì)象，包含了位置屬性和時(shí)間屬性，而不僅僅是簡(jiǎn)單路徑數(shù)據(jù)中的位置標(biāo)識(shí)符。這樣的數(shù)據(jù)可以用以下形式表達(dá)：

[]

這些點(diǎn)經(jīng)過(guò)繪制之后，得出如圖4所示的圖形，圖中紅色的圈代表設(shè)備初始位置，數(shù)字代表設(shè)備行走的路徑順序。

2.4 界面顯示

本系統(tǒng)使用類似于“地圖”的方式圖形化描述路徑數(shù)據(jù)，首先繪制試驗(yàn)室平面圖，再繪制路徑數(shù)據(jù)庫(kù)中所有位置節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)“地圖”模型，然后根據(jù)路徑數(shù)據(jù)繪制位置節(jié)點(diǎn)之間帶方向的連接線，表示路徑中出現(xiàn)的位置轉(zhuǎn)移[13]。

（1） 當(dāng)前位置節(jié)點(diǎn)用三個(gè)半徑不同且動(dòng)態(tài)變化的圓表示，圓的上面文字標(biāo)識(shí)當(dāng)前設(shè)備所在位置信息。

（2） 兩位置節(jié)點(diǎn)之間的連接線表示存在路徑相繼經(jīng)過(guò)這兩個(gè)位置。設(shè)兩個(gè)位置A和B，如果存在A到B直接轉(zhuǎn)移的路徑，那么存在一條從A出發(fā)到B結(jié)束的帶箭頭的連接線；如果存在從B到A直接轉(zhuǎn)移的路徑，同理存在另一個(gè)方向的連接線；所以節(jié)點(diǎn)之間可能有兩條線相連，表示兩個(gè)方向。

以某科研單位試驗(yàn)室為例，手持粘貼RFID標(biāo)簽的上網(wǎng)U盤在安裝RFID設(shè)備的各房間行走，行走的路徑順序?yàn)椋嚎傉{(diào)間→裝調(diào)間→待裝間→門廳→三坐標(biāo)→二樓樓梯→門廳→總調(diào)間→二樓樓梯→待裝間→總調(diào)間→二樓樓梯→二樓電調(diào)室；系統(tǒng)得出如下位置記錄信息，行走路徑和系統(tǒng)顯示結(jié)果一致，最后出現(xiàn)地點(diǎn)為二樓電調(diào)室，如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于RFID設(shè)備信息可視化可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果，輔助科研人員以直觀交互的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的瀏覽，改變了過(guò)去盲目尋找設(shè)備的窘?jīng)r。信息可視化的數(shù)據(jù)有一維、二維，甚至多維，其可視化的方法包括基于幾何的可視化方式和基于圖標(biāo)的可視化方式，其中，基于幾何的可視化方式包括平行坐標(biāo)系法[14]、Radviz方法[15]、散點(diǎn)圖矩陣法[16]、Andrews曲線法[17]；基于圖標(biāo)的可視化方式包括星繪法和Chernoff面法[18]。目前RFID數(shù)據(jù)的可視化主要是根據(jù)其時(shí)間、地點(diǎn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單繪制，只能顯示攜帶RFID標(biāo)簽的大致位置，并不能顯示當(dāng)前設(shè)備的具體信息，如設(shè)備的模型，設(shè)備的狀態(tài)，這是項(xiàng)目后期將要解決的問(wèn)題。

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