鄔如梁，莫振棟

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

1 RFID技術(shù)概述

RFID技術(shù)主要就是通過無線射頻的方式在非接觸的情況下，完成閱讀器和射頻卡之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸，從而達(dá)到交互實(shí)際和識(shí)別目標(biāo)的目的。RFID讀寫器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，讀寫器先通過發(fā)射天線發(fā)送相應(yīng)頻率的射頻信號(hào)，然后在射頻卡進(jìn)入到發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，兩者之間產(chǎn)生感應(yīng)電流后，射頻卡即可獲得能量被激活，此時(shí)射頻卡將自身編碼等數(shù)據(jù)信息通過內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去。讀寫器在接收到射頻卡發(fā)送的載波信號(hào)后，經(jīng)過天線調(diào)節(jié)器傳送至讀寫器，并完成對(duì)信息化的解碼。雖然不同的非接觸式傳輸方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著一定的差異，但是所有閱讀器不管是在設(shè)計(jì)構(gòu)造還是功能原理方面都采用了相似的設(shè)計(jì)形式，也就是說，任何一種類型的閱讀器，都可以轉(zhuǎn)化為高頻接口和控制單元兩個(gè)基本的單元模塊。在這其中高頻接口中的發(fā)送器和接收器，主要就是通過闡述高頻發(fā)射功率的方式為射頻卡的激活和啟動(dòng)提供能量，然后通過調(diào)制法神信號(hào)的方式，將數(shù)據(jù)傳輸送至射頻卡，接收器則負(fù)責(zé)接收和調(diào)制來自于射頻卡的高頻信號(hào)?？刂茊卧谶\(yùn)行過程中，就是利用系統(tǒng)軟件進(jìn)行相互之間的通信，執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)送的指令，針對(duì)需要進(jìn)行特殊處理的數(shù)據(jù)信息，必須對(duì)射頻卡和閱讀器數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密處理的方式，對(duì)射頻卡和閱讀器的身份進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的驗(yàn)證。

2 基于RFID的自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 用戶管理模塊

自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備管理系統(tǒng)中的用戶管理模塊主要包括了管理人員用戶以及普通用戶等權(quán)限用戶。在這其中管理員用戶因?yàn)閾碛凶罡邫?quán)限，所以其不僅可以授權(quán)管理普通用戶，而且還可以通過對(duì)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備的管理，遠(yuǎn)程控制實(shí)訓(xùn)室設(shè)備，通過設(shè)置用戶策略的方式提高實(shí)訓(xùn)室的智能安防水平。而普通用戶則具有注冊(cè)以及向管理員提出申請(qǐng)授權(quán)的權(quán)限，在實(shí)際操作的過程中可以根據(jù)實(shí)際情況修改自身信息，查看機(jī)房實(shí)訓(xùn)環(huán)境狀態(tài)，然后通過授權(quán)方式完成身份的認(rèn)證和識(shí)別。

2.2 設(shè)備管理模塊

自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)室在管理實(shí)訓(xùn)設(shè)備時(shí)，主要是利用超高頻RFID（UHFRFID）技術(shù)，讀取和識(shí)別當(dāng)前設(shè)備的信息。RFID技術(shù)因?yàn)樽陨砭哂凶R(shí)別速度快、讀取范圍廣泛且可同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽設(shè)備等功能，所以被廣泛的應(yīng)用于多個(gè)讀寫器組網(wǎng)后的數(shù)據(jù)讀取和識(shí)別中。一是RFID讀寫器。讀寫器是超高頻RFID系統(tǒng)最核心的功能之一，一般情況下讀寫器都是由控制模塊、數(shù)字基帶電路、視頻前端和電源模塊等組成的。在這其中控制模塊主要是以ARM嵌入式主控微處理器、存儲(chǔ)器和外部通信接口等為主構(gòu)成，讀寫器視頻前端主要發(fā)揮著與電子標(biāo)簽之間的通信識(shí)別作用。由于超高頻電子標(biāo)簽屬于無源信號(hào)，因此電子標(biāo)簽必須接受讀寫器視頻前端發(fā)出的超高頻載波才能完成標(biāo)簽的啟動(dòng)流程，待電子標(biāo)簽成果啟動(dòng)后再與接收讀寫器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，在這一過程中，讀寫器不僅要具備發(fā)送數(shù)據(jù)和放大數(shù)據(jù)的調(diào)制功能，而且還應(yīng)準(zhǔn)確的接收電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，才能保證數(shù)據(jù)讀寫和傳輸?shù)臏?zhǔn)確無誤。數(shù)字基帶電路作為控制射頻前端電路工作以及分析控制模塊指令的主要元器件，其主要是在完成與上位機(jī)通信的基礎(chǔ)上，接收和執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的指令，然后根據(jù)指令要求控制基帶電路與視頻前端運(yùn)行，運(yùn)用防碰撞算法與超高頻RFID完成對(duì)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備識(shí)別和讀取。另外，讀寫器天線作為RFID讀寫器最重要的外接設(shè)備，讀寫器天線是否正常運(yùn)行直接影響著RFID讀寫器覆蓋的范圍。讀寫器天線主要的功能就是接收和發(fā)送視頻載波。一般情況下，常見的讀寫器天線配置方式主要有以下幾種：首先，收發(fā)分離式。這種讀寫器天線實(shí)際就是利用兩根天線，分別進(jìn)行讀寫器視頻前端的視頻發(fā)射和接收，通過將視頻信號(hào)接收和發(fā)送分開處理的方式，有效的降低了視頻信號(hào)之間的干擾，但是這種處理法方式在硬件成本方面的投入相對(duì)較高。其次，收發(fā)合一式。所謂收發(fā)合一式就是利用一個(gè)天線同時(shí)進(jìn)行視頻信號(hào)的接收和發(fā)送，由于這種天線在實(shí)際應(yīng)用時(shí)涉及到了射頻信號(hào)發(fā)送和接收的分離技術(shù)，所以工作人員在使用這種天線時(shí)，應(yīng)該根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱程度區(qū)分發(fā)射和接收信號(hào)，如果信號(hào)較強(qiáng)時(shí)則為發(fā)射信號(hào)，反之如果信號(hào)較弱的話就是接收信號(hào)。二是電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽主要是由射頻模擬前端、數(shù)字基帶處理器、存儲(chǔ)器以及天線等構(gòu)成的。在這其中射頻模擬前端主要發(fā)揮著整流穩(wěn)壓以及為其他射頻載波模塊提供電源的作用。分頻射頻載波器在運(yùn)行過程中，將時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送至數(shù)字基帶處理器和存儲(chǔ)器，最后將數(shù)據(jù)調(diào)制完成后由天線發(fā)出。數(shù)字基帶處理器主要是通過編碼數(shù)字基帶信號(hào)的方式，控制標(biāo)簽存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀寫的準(zhǔn)確性。存儲(chǔ)器主要是由標(biāo)簽生產(chǎn)廠家信息TID存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)產(chǎn)品電子碼EPC存儲(chǔ)器以及用戶應(yīng)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的用戶存儲(chǔ)區(qū)和保留存儲(chǔ)區(qū)等幾部分構(gòu)成。目前我國(guó)高校的自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)基地中相關(guān)設(shè)備的管理、定位以及出入都是通過超高頻RFID電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)的。三是上位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)是確保硬件功能順利實(shí)現(xiàn)不可或缺的軟件系統(tǒng)，對(duì)于高校自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備管理系統(tǒng)來說，上位機(jī)系統(tǒng)不僅要具備對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的精準(zhǔn)定位和設(shè)備出入檢測(cè)功能，而且還應(yīng)根據(jù)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的實(shí)際情況，合理的劃分實(shí)訓(xùn)室區(qū)域，然后通過在每個(gè)區(qū)域內(nèi)安裝超高頻RFID讀寫器天線的方式，對(duì)各個(gè)區(qū)域?qū)嵱?xùn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，該系統(tǒng)主要是通過在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部安裝溫濕度傳感器、光照傳感器以及ZigBee模塊等方式，采集實(shí)訓(xùn)室的溫濕度和光照信息數(shù)據(jù)。然后由環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊分析溫濕度傳感器和光照傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，并以此為基礎(chǔ)準(zhǔn)確的判斷實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部的光照和溫濕度變化情況。傳感器模塊在實(shí)際應(yīng)用前必須先進(jìn)行上電初始化，并自動(dòng)加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，然后進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)聽狀態(tài)，按照每隔十分鐘控制器發(fā)送一次數(shù)據(jù)的信息，由傳感器模塊采集實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部的環(huán)境信息，最后再由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)按照要求將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，從而達(dá)到實(shí)時(shí)查看實(shí)訓(xùn)室環(huán)境信息的目的。

2.4 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是借助網(wǎng)絡(luò)攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控采集實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部的畫面，然后再通過web服務(wù)器，完成對(duì)實(shí)訓(xùn)室的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)主要是由以下相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的。一是視頻采集設(shè)備。視頻采集設(shè)備指的就是網(wǎng)絡(luò)攝像頭，其主要是由攝像機(jī)、電動(dòng)鏡頭、電動(dòng)云臺(tái)、SD存儲(chǔ)卡等模塊組成的。視頻采集設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不僅發(fā)揮著采集和傳輸實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部視頻和音頻數(shù)據(jù)的作用，而且還要接收用戶發(fā)出的控制指令。二是視頻監(jiān)控終端。自動(dòng)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控終端主要是由PC機(jī)和移動(dòng)智能終端等相關(guān)設(shè)備構(gòu)成。其在實(shí)際運(yùn)行過程中，視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)接收攝像頭采集到的音視頻數(shù)據(jù)，然后再利用嵌入式系統(tǒng)完成對(duì)音視頻數(shù)據(jù)的解碼和壓縮，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。這種以HTML5客戶端瀏覽器中的Video元素接收播放音視頻的系統(tǒng)，不但有效降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)延遲問題，而且最大限度的減輕了Web服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，促進(jìn)了自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備管理系統(tǒng)運(yùn)行效率的大幅度提升。

3 結(jié)束語

總之，高校自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備管理系統(tǒng)建設(shè)過程中采用的RFID與ZigBee相結(jié)合的方式，不僅增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)交流，而且合理運(yùn)用RFID技術(shù)采集和傳輸數(shù)據(jù)，促進(jìn)了實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備管理和運(yùn)行效率的有效提升，為高校培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。