1 引言

通信機柜內(nèi)的設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)機柜、服務(wù)器機柜、綜合布線機柜等。其中網(wǎng)絡(luò)機柜存放交換機、路由器、防火墻等用來承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備； 服務(wù)器機柜用來存放服務(wù)器、存儲器等設(shè)備； 綜合布線機柜用來存放水平線纜管理單元和垂直線纜管理單元主要用來架設(shè)理線架等設(shè)備。由于各機柜內(nèi)通信設(shè)備型號不同，設(shè)備量是根據(jù)擴容的要求不斷的處于動態(tài)的變化過程，機房維護人員在運管和設(shè)備維護過程中出現(xiàn)通信設(shè)備更換、移位安裝靠人工識別，造成對設(shè)備變更定位不準(zhǔn)，通信設(shè)備編號需手工記錄，造成編號出錯等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響通信機房運維的工作效率。針對通信機房機柜內(nèi)的這些不同設(shè)備在運管與維護過程中存在的管理問題，提出了基于無源RFID（射頻識別技術(shù)）[1]實現(xiàn)智能識別的通信機房機柜設(shè)備識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點：非接觸式識別，可在50 mm內(nèi)準(zhǔn)確識別各種類型設(shè)備；安裝方便靈活，不改變機房機柜內(nèi)物理結(jié)構(gòu)，采用尼龍貼式固定，上下左右調(diào)節(jié)靈活；不生產(chǎn)電磁干擾，采用125 kHz頻率的RFID標(biāo)簽識別，以太網(wǎng)線傳輸，不影響機房設(shè)備正常工作；智能采集識別，只需將每個設(shè)備上的無源RFID標(biāo)簽對準(zhǔn)相應(yīng)機柜上的讀頭即可時實監(jiān)測設(shè)備所在機柜的位置、型號、編號，實現(xiàn)機機房設(shè)備的智能化管理；性價比高，每個設(shè)備識別點僅需要加入低成本的無源RFID標(biāo)簽，即可實現(xiàn)通信機房設(shè)備的智能化管理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機柜內(nèi)無源RFID標(biāo)簽及讀頭天線

無源RFID標(biāo)簽由漆包線繞成螺旋式天線和RFID芯片組成，采用直徑為20 mm、厚度為1 mm的塑封方式實現(xiàn)，其一側(cè)粘有尼龍貼，安裝在有尼龍貼的機柜設(shè)備上的專用支架上。讀頭天線的大小和安裝方法與無源RFID標(biāo)簽相同，不同的是讀頭天線是安裝在每個設(shè)備裝在機柜后部的與無源RFID標(biāo)簽的對應(yīng)處，并引出兩條導(dǎo)線，導(dǎo)線長度根據(jù)讀頭天線安裝位置不同，可分為4 m、3 m、2 m、1 m的線長，同樣，讀頭也是安裝在有尼龍貼的機柜上。當(dāng)貼有無源RFID標(biāo)簽的設(shè)備抽出后，系統(tǒng)會自動識別出抽出設(shè)備所在機柜的位置；當(dāng)同樣的設(shè)備沒有裝入對應(yīng)機柜位置時，系統(tǒng)會自動顯示出安裝位置錯誤，并提示出正確安裝位置。無源RFID標(biāo)簽及讀頭天線結(jié)構(gòu)安裝示意圖如圖1所示。

圖1 無源RFID標(biāo)簽及讀頭天線結(jié)構(gòu)安裝示意圖

2.2 單個機柜內(nèi)機柜設(shè)備識別系統(tǒng)

單個機柜內(nèi)機柜設(shè)備識別系統(tǒng)如圖2所示。由n個讀頭天線，接線端子，匹配電路，發(fā)射電路，接收電路，模擬開關(guān)，MCU，IO擴展電路，LED驅(qū)動電路，LED燈，開關(guān)電源，1U機箱組成。

圖2 單個機柜內(nèi)機柜設(shè)備識別系統(tǒng)

讀頭天線的基本任務(wù)是與無源RFID標(biāo)簽建立通信并傳輸數(shù)據(jù)，主要具備發(fā)送和接收功能；接線端子用于將各讀頭天線的接線與系統(tǒng)連接；匹配電路由調(diào)諧電容組成，可以通過選擇適當(dāng)?shù)木€圈和電容，使得讀頭天線的諧振頻率為125 kHz；發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生載波并通過天線發(fā)送出去，為標(biāo)簽提供能量，發(fā)射電路的電壓和電流為，發(fā)射功率小于1 W；接收電路用于接收并解調(diào)來標(biāo)簽的射頻信號；模擬開關(guān)用于對n個讀頭天線進行輪詢工作；MCU是系統(tǒng)的核心，用于控制n個讀頭天線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、每個讀頭天線的工作狀態(tài)指示、上位機的指令接收及數(shù)據(jù)的上傳等；IO擴展電路用于對MCUIO進行擴展，以實現(xiàn)對n個LED燈的控制；LED驅(qū)動電路由三極管組成，一個IO控制一路三極管驅(qū)動一個LED燈；開關(guān)電源用于提供系統(tǒng)的+5V整機供電；1U機箱用于將上述電路裝入。

該識別系統(tǒng)在數(shù)據(jù)識別正確率大于等于80%時能達到的最大距離為1.6 cm，每個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)平均識別時間小于1秒。在判斷識別標(biāo)簽有無的測試中，正確率達到80%的最遠(yuǎn)距離為9.5 cm，平均響應(yīng)時間小于0.5秒。

3 機柜內(nèi)無源RFID標(biāo)簽及讀頭

機房機柜設(shè)備識別系統(tǒng)的硬件部分主要由兩個組成部分：讀頭和無源RFID標(biāo)簽。

讀頭的基本任務(wù)是與無源RFID標(biāo)簽建立通信并傳輸數(shù)據(jù)，主要具備發(fā)送和接收功能；無源RFID標(biāo)簽負(fù)責(zé)存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，是該識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，由MCU（微控制單元）、耦合線圈，整流濾波電路，自耦變壓器構(gòu)成。標(biāo)簽及讀頭電路組成方框圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽及讀頭電路組成

通信機房機柜設(shè)備識別系統(tǒng)的重點是考慮系統(tǒng)的工作頻率，除此之外需要正確選擇無源RFID標(biāo)簽的供電方式，另外信號的調(diào)制方式和數(shù)據(jù)的編碼方式也影響著系統(tǒng)性能。在系統(tǒng)方案的設(shè)計中著重從這三個方面考慮。一是工作頻率的選擇：識別系統(tǒng)的工作頻率即讀頭發(fā)射無線信號所使用的頻率。本識別系統(tǒng)采用的是一個短距離、低通訊量、低成本的系統(tǒng)，選擇采用低頻（125 kHz）的工作頻率；二是無源RFID標(biāo)簽供電方法的選擇：系統(tǒng)中無源RFID標(biāo)簽設(shè)計采用的是無源工作模式，工作所需的能量全部通過耦合線圈獲得。無源RFID標(biāo)簽使用方便，成本低，具有更好的應(yīng)用前景；三是數(shù)據(jù)調(diào)制、編碼方式的選擇：系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方式采用曼切斯特編碼的方式，無源RFID標(biāo)簽將自己的ID數(shù)據(jù)以曼切斯特編碼的格式傳出，讀頭通過軟件進行解碼。曼切斯特編碼可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率比較低。

3.1 天線（耦合線圈）

天線是以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)換。根據(jù)天線在系統(tǒng)中的不同功能和作用，系統(tǒng)中的天線可分為標(biāo)簽天線（tag antenna）和讀頭天線（reader antenna）。讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量Φ，而磁通量用于向標(biāo)簽提供電源并在讀頭和標(biāo)簽之間傳送信息。對讀頭天線設(shè)計的基本要求是：使天線線圈的電流I最大，以產(chǎn)生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；要有足夠的帶寬，以無失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。

3.2 讀頭

讀頭由三部分構(gòu)成：發(fā)射電路、接收電路和MCU。發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生載波并通過天線發(fā)送出去，以為標(biāo)簽提供能量。發(fā)射電路采用125 kHz載波頻率，系統(tǒng)中通過一個4 MHz的石英振蕩器連接分頻器74HC4060，經(jīng)過32分頻產(chǎn)生125 kHz左右的載波頻率。并通過推挽的方式驅(qū)動發(fā)射線圈，接收端電路通過檢波，整流，比較放大后取得曼切斯特編碼原始數(shù)據(jù)DATA；接收電路接收并解調(diào)標(biāo)簽的射頻信號，并經(jīng)過三個階段實現(xiàn)信號的解調(diào)，首先通過一個二極管濾去負(fù)半周的信號，然后通過一個RC濾波器濾去125 kHz載波信號，然后通過一個電容串聯(lián)的方式濾去直流信號，從而得到的僅僅是標(biāo)簽編碼信號，最后再通過放大器進行放大，并送到比較器的同相輸入端，經(jīng)過分壓濾波從比較器的輸出端得到標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號，該信號是一串穩(wěn)定的曼徹斯特碼，由MCU進行曼切斯特解碼；MCU采用ATMEI公司的ATmega 8單片機實現(xiàn)[1]，系統(tǒng)工作時，單片機控制發(fā)射電路、接收電路獲得通信機柜內(nèi)的某個設(shè)備的ID數(shù)據(jù)后，通過RS232串口轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)口后，再通過集線器將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備ID數(shù)據(jù)比對，識別并顯示出相應(yīng)設(shè)備在通信機柜中的位置信息，為通信機柜設(shè)備運營和維護提供管理依據(jù)。

3.3 無源RFID標(biāo)簽

無源RFID標(biāo)簽主要由自耦變壓器、全橋整流器、電容、MCU構(gòu)成。在讀頭交變場的作用下，在標(biāo)簽線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，利用自耦變壓器將該電壓升高到4倍左右。然后利用全橋整流，通過兩個10μF電容進行濾波。為保證電壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)采用一個穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓，以保證MCU穩(wěn)定工作，MCU將數(shù)據(jù)編碼成曼徹斯特編碼，采用負(fù)載調(diào)制的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，需要為每個標(biāo)簽分配一個唯一的ID標(biāo)簽，ID表示長度可以根據(jù)機柜內(nèi)設(shè)備數(shù)量和類型定義，采用64位ID標(biāo)識，該標(biāo)識在標(biāo)簽軟件中設(shè)定。每個讀頭每隔100 ms向外發(fā)射一段電磁波進行檢測，當(dāng)對應(yīng)標(biāo)簽處于讀頭感應(yīng)范圍內(nèi)，讀頭將收到標(biāo)簽發(fā)來的數(shù)據(jù)，并讀取標(biāo)簽完整的ID數(shù)據(jù)。讀頭工作流程如圖4所示。當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流足夠驅(qū)動標(biāo)簽工作時，標(biāo)簽便連續(xù)發(fā)送自己的ID數(shù)據(jù)。

圖4 讀頭工作流程圖

5 結(jié)束語

無源RFID標(biāo)簽具有體積小、壽命長、可重復(fù)使用等特點，可支持快速讀寫、非接觸識別、設(shè)備識別、設(shè)備定位及長期的設(shè)備跟蹤與管理[3]。使用時只需將無源RFID標(biāo)簽和讀頭通過尼龍貼分別固定在各個設(shè)備上和各個設(shè)備對應(yīng)機柜支架位置上，通過網(wǎng)絡(luò)連接組成通信機房機柜設(shè)備識別系統(tǒng)，提升機房設(shè)備的運營、維護和管理效能。