基于RFID的自动控制实训基地设备管理系统

邬如梁，莫振栋

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

1 RFID技术概述

RFID技术主要就是通过无线射频的方式在非接触的情况下，完成阅读器和射频卡之间数据的双向传输，从而达到交互实际和识别目标的目的。RFID读写器在实际应用时，读写器先通过发射天线发送相应频率的射频信号，然后在射频卡进入到发射天线工作区域时，两者之间产生感应电流后，射频卡即可获得能量被激活，此时射频卡将自身编码等数据信息通过内置发送天线发送出去。读写器在接收到射频卡发送的载波信号后，经过天线调节器传送至读写器，并完成对信息化的解码。虽然不同的非接触式传输方法在实际应用时存在着一定的差异，但是所有阅读器不管是在设计构造还是功能原理方面都采用了相似的设计形式，也就是说，任何一种类型的阅读器，都可以转化为高频接口和控制单元两个基本的单元模块。在这其中高频接口中的发送器和接收器，主要就是通过阐述高频发射功率的方式为射频卡的激活和启动提供能量，然后通过调制法神信号的方式，将数据传输送至射频卡，接收器则负责接收和调制来自于射频卡的高频信号。控制单元在运行过程中，就是利用系统软件进行相互之间的通信，执行应用系统软件发送的指令，针对需要进行特殊处理的数据信息，必须对射频卡和阅读器数据进行加密和解密处理的方式，对射频卡和阅读器的身份进行准确无误的验证。

2 基于RFID的自动控制实训基地设备管理系统设计

2.1 用户管理模块

自动控制实训基地设备管理系统中的用户管理模块主要包括了管理人员用户以及普通用户等权限用户。在这其中管理员用户因为拥有最高权限，所以其不仅可以授权管理普通用户，而且还可以通过对实训室设备的管理，远程控制实训室设备，通过设置用户策略的方式提高实训室的智能安防水平。而普通用户则具有注册以及向管理员提出申请授权的权限，在实际操作的过程中可以根据实际情况修改自身信息，查看机房实训环境状态，然后通过授权方式完成身份的认证和识别。

2.2 设备管理模块

自动控制实训室在管理实训设备时，主要是利用超高频RFID（UHFRFID）技术，读取和识别当前设备的信息。RFID技术因为自身具有识别速度快、读取范围广泛且可同时读取多个标签设备等功能，所以被广泛的应用于多个读写器组网后的数据读取和识别中。一是RFID读写器。读写器是超高频RFID系统最核心的功能之一，一般情况下读写器都是由控制模块、数字基带电路、视频前端和电源模块等组成的。在这其中控制模块主要是以ARM嵌入式主控微处理器、存储器和外部通信接口等为主构成，读写器视频前端主要发挥着与电子标签之间的通信识别作用。由于超高频电子标签属于无源信号，因此电子标签必须接受读写器视频前端发出的超高频载波才能完成标签的启动流程，待电子标签成果启动后再与接收读写器之间进行数据的通信，在这一过程中，读写器不仅要具备发送数据和放大数据的调制功能，而且还应准确的接收电子标签发送的信号，才能保证数据读写和传输的准确无误。数字基带电路作为控制射频前端电路工作以及分析控制模块指令的主要元器件，其主要是在完成与上位机通信的基础上，接收和执行上位机发送的指令，然后根据指令要求控制基带电路与视频前端运行，运用防碰撞算法与超高频RFID完成对电子标签数据的准备识别和读取。另外，读写器天线作为RFID读写器最重要的外接设备，读写器天线是否正常运行直接影响着RFID读写器覆盖的范围。读写器天线主要的功能就是接收和发送视频载波。一般情况下，常见的读写器天线配置方式主要有以下几种：首先，收发分离式。这种读写器天线实际就是利用两根天线，分别进行读写器视频前端的视频发射和接收，通过将视频信号接收和发送分开处理的方式，有效的降低了视频信号之间的干扰，但是这种处理法方式在硬件成本方面的投入相对较高。其次，收发合一式。所谓收发合一式就是利用一个天线同时进行视频信号的接收和发送，由于这种天线在实际应用时涉及到了射频信号发送和接收的分离技术，所以工作人员在使用这种天线时，应该根据信号的强弱程度区分发射和接收信号，如果信号较强时则为发射信号，反之如果信号较弱的话就是接收信号。二是电子标签。电子标签主要是由射频模拟前端、数字基带处理器、存储器以及天线等构成的。在这其中射频模拟前端主要发挥着整流稳压以及为其他射频载波模块提供电源的作用。分频射频载波器在运行过程中，将时钟信号发送至数字基带处理器和存储器，最后将数据调制完成后由天线发出。数字基带处理器主要是通过编码数字基带信号的方式，控制标签存储器数据读写的准确性。存储器主要是由标签生产厂家信息TID存储器、存储产品电子码EPC存储器以及用户应用于存储数据的用户存储区和保留存储区等几部分构成。目前我国高校的自动控制实训基地中相关设备的管理、定位以及出入都是通过超高频RFID电子标签实现的。三是上位机系统。上位机系统是确保硬件功能顺利实现不可或缺的软件系统，对于高校自动控制实训基地设备管理系统来说，上位机系统不仅要具备对实训设备的精准定位和设备出入检测功能，而且还应根据实训室内的实际情况，合理的划分实训室区域，然后通过在每个区域内安装超高频RFID读写器天线的方式，对各个区域实训设备进行实时的检测。

2.3 环境监测模块

在进行实训室环境监测时，该系统主要是通过在实训室内部安装温湿度传感器、光照传感器以及ZigBee模块等方式，采集实训室的温湿度和光照信息数据。然后由环境监测模块分析温湿度传感器和光照传感器采集到的数据信息，并以此为基础准确的判断实训室内部的光照和温湿度变化情况。传感器模块在实际应用前必须先进行上电初始化，并自动加入到ZigBee网络中，然后进入自动监听状态，按照每隔十分钟控制器发送一次数据的信息，由传感器模块采集实训室内部的环境信息，最后再由物联网网关按照要求将相关数据上传至数据库进行分析，从而达到实时查看实训室环境信息的目的。

2.4 视频监控模块

视频监控系统主要是借助网络摄像头远程监控采集实训室内部的画面，然后再通过web服务器，完成对实训室的远程视频监控。该系统主要是由以下相关设备构成的。一是视频采集设备。视频采集设备指的就是网络摄像头，其主要是由摄像机、电动镜头、电动云台、SD存储卡等模块组成的。视频采集设备在实际应用时，不仅发挥着采集和传输实训室内部视频和音频数据的作用，而且还要接收用户发出的控制指令。二是视频监控终端。自动实训基地实训设备管理系统中的视频监控终端主要是由PC机和移动智能终端等相关设备构成。其在实际运行过程中，视频服务器负责接收摄像头采集到的音视频数据，然后再利用嵌入式系统完成对音视频数据的解码和压缩，并发送至数据处理中心。这种以HTML5客户端浏览器中的Video元素接收播放音视频的系统，不但有效降低了数据传输过程中出现的网络延迟问题，而且最大限度的减轻了Web服务器的运行负担，促进了自动控制实训基地设备管理系统运行效率的大幅度提升。

3 结束语

总之，高校自动控制实训基地设备管理系统建设过程中采用的RFID与ZigBee相结合的方式，不仅增强了师生之间的互动交流，而且合理运用RFID技术采集和传输数据，促进了实训基地设备管理和运行效率的有效提升，为高校培养高素质技能型人才提供了强有力的技术支持。