基于RFID和ZigBee的实验设备定位系统研究

近年来随着社会经济的快速发展，国家加大对高校的资金投入，各高校都在不停的新建实验室，采购最新的实验设备，从而跟上国家发展的步伐，促进当地经济和社会的快速发展.实验室管理作为高校运转的一个重要环节，如果实验环境不能走在社会和经济发展的前面，将不能促进社会的进步，迟滞学校的发展.

基于上述的问题，提出以无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）和ZigBee自组网技术，建立一个实验设备定位系统，定位系统具有以下功能：通过RFID电子标签可以实时监视设备的工作状况、查询设备的属性及设备所在的位置，同时可以快速统计设备信息.

以1GJ为例：天然气供热系统运行成本价格为33.49元/m2，折合87.7元/GJ；煤粉炉供热系统运行成本价格为30.6元/m2，折合80.2元/GJ。

1 无线自组局域网

实验设备定位系统就是将RFID技术和ZigBee技术相结合，利用RFID无源标签与读/写器的价格低廉、体积小、寿命长、方便易用等特点；利用ZigBee无线传感器功耗低、成本低、组网简单、接入方便等特点形成无线自组局域网，实现对实验设备精准定位、准确和高效管理.有助于提高实验室管理水平，利于实验活动的开展，提高资产的利用率，减少资产的遗失，节约人力成本和减少资源浪费［1］.

2 实验设备定位系统总体设计

实验设备定位系统是通过RFID技术和ZigBee技术相结合的方式，通过无线自组网局域网，搭建的一个定位系统，通过此定位系统可以方便快捷的定位实验设备的位置，防止实验设备丢失，易于对实验设备的管理和统计（如图1）.

  

图1 定位系统整体结构

随着通信技术的进步，无线局域网组网方式多种多样.ZigBee技术是一种网络通信标准，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议.具有低功耗、低成本、安全可靠、接入方便、组网简单等特点.

从定位系统硬件结构图中可以看到电子标签、读写器和无线通信模块.（1）电子标签由射频芯片、耦合元件及无线收发天线组成，其RFID读/写器发出射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送和接收产品信息和位置信息.（2）RFID读/写模块由读/写单元、电子收发器、外围阻抗匹配电路和电源组成.其中读/写单元由主读/写单元和从读/写单元组成，两个单元结构相似，不同点在于主读/写单元负责和ZigBee无线通信模块进行通信服务，从读/写单元负责和电子标签进行数据通信和数据传输，主从读/写单元之间通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）进行数据交换.（3）ZigBee无线通信模块由ZigBee射频收发芯片组成，其把RFID读/写器传输过来的数据信号，转换为ZigBee数据信号在自组网中进行传输［3，4］.

本文的研究对象确定为TF boys这一偶像团体的粉丝群体。TF boys是目前首屈一指国内偶像团体，他们在团体的高热度和广泛的关注度以及粉丝的强大力量方面有着其他组合不可比拟的优势，且其粉丝群体内部的属性构成完善，因此，TF boys的粉丝社群无疑本研究最合适的研究对象。

随着科技的发展定位技术越趋成熟，室内定位技术也有许多种.如：超声波技术、红外线技术、超宽带技术和射频识别技术.而射频识别技术常用频段包括：低频、高频、超高频、微波（如表1）.

（2）每个实验室都是一个独立单元，在每个独立单元墙角配置1个或多个RFID读写器，用于读取无源RFID标签发来的信息；

由于实验室大小和功能的不同，而读/写器作为标签的读写设备和协调节点而存在，则需要根据实验室的具体情况设置RFID读/写器的数量.一般在实验室墙角设置1个或多个读/写器，某个读/写器要靠近门的位置，利于和走廊的全功能设备（FFD）互联，组成无线局域网.

（4）FFD设备具有自组网的功能，由某个协调器发起组网，组成一个无线ZigBee网络，此网络可以将RFID标签发出RFID读/写器读出的设备信息和位置信息发送给实验设备定位系统平台，用于对设备的统计和管理.

3 RFID定位模块设计

RFID是一种智能非接触自动射频识别技术，可以通过无线电讯号识别特定目标被赋予的属性信息和位置信息，同时可以向特定目标写入一定大小的数据，而无需与特定目标建立物理或者光学接触.

在此根据使用条件和使用环境，选择射频识别中的超高频技术进行室内定位.RFID定位是测距定位技术，通过已知坐标的RFID读/写器与待测定标签之间的距离来计算目标的位置.测量读/写器与标签之间的距离，一般用接收信号强度值（Received Signal Strength Indicator，RSSI），到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）和到达角度测距（Angle-of-Arrival，AOA）等方式进行测定.

3.1 RFID定位模块节点设计

实验设备作为终端节点标识目标对象，其由不同的材质和外形组成，对标签的通信速率、通信方式和通信环境有一定的要求，所以选择具有超高频抗金属的UT8957标签，其工作频率在920～925MHz；具有的特殊设计，使得标签具有远距离读取和写入的能力；具有工作温度范围宽泛等特点.UT8957标签只有3mm厚度，可以贴在实验设备的内部，这样可以防止外力和人为的恶意破坏［3］.一个实验室可能有多个实验设备的存在，所以需要为每一个设备添加UT8957标签.

在电力系统运行过程中，保持电能供需平衡是保证系统运行稳定性的关键。在常规电网运行中，电网功率平衡压力主要受到2个因素的影响，其一为发电机组的有功调节能力，而另一方面则指的是发电元件故障、输电元件故障等。上述2个因素不仅会对电力系统频率稳定性、电压稳定性产生较大影响，同时，对于系统调频和调峰的要求也比较高。

（3）在实验室走廊和楼道布置多个交叉的全功能设备（Full Function Device，FFD），用于接收和转发RFID标签发出RFID读/写器读出的设备信息和位置信息；

3.2 RFID定位系统硬件设计

定位系统硬件的主要由三个部分组成：超高频抗金属电子标签、RFID读写器和ZigBee无线通信模块组成（如图2）.

  

图2 硬件结构图

（1）为每个实验设备配置一个无源RFID标签，每个标签都能记录设备的：入库时间，入库地点，价值，所属部门和保管人等信息；

3.3 RFID定位设计

大学生虽然在年龄上达到成人阶段，但其心理上仍处于不断完善与发展的阶段。大学生需要结合自身实际情况，强化自控能力，在开学期间，根据学习的实际情况，结合个人专业知识特点制订一个长期的学习计划，来明确目标、约束课堂行为；同时，大学生可以制订短期的具体学习方案，不断激励自己学习，提高集中注意力，排除外界干扰。

 

表1 RFID不同频段信号对比

 

在文化翻译中最常使用的归化与异化策略，就是以译者所选择的文化立场为基本点来加以区分的。选择《红楼梦》的杨宪益、戴乃迭译本与霍克斯（Davis Hawkes）译本，正是基于两位译者在翻译目的、翻译策略和文化背景上都有较为鲜明的不同之处。杨宪益作为中国译者，受外文出版局委托，以传播传统文化为己任，而霍克斯作为汉学家，以传递中国经典文学作品中的美感为翻译目的，因此其翻译决策过程也应是颇具对比效果的不同博弈过程。限于篇幅限制，本文仅从博弈论视角对《红楼梦》第二十五回的两个译本进行分析，浅析文化翻译中的归化与异化。

在众多算法中根据环境特点选择接收信号强度值（RSSI）方法来计算距离，其具有信号强度采集简单、精确度高、误差率低和计算简单，测量终端节点能得到比较准确的精度.而在接收信号强度值（RSSI）方法中又分为平均值取值法、中值取值法和投票取值法3种.对于这3种取值方法，通过表2可以发现中值取值法精确度高、误差率低、计算复杂度一般，所以选择中值取值法为设备进行定位操作.

东中国海潮波模型模拟结果见图3，分析可知：太平洋潮波以前进波形式穿越琉球群岛，进入中国东海，其等振幅线与同潮时线斜交。从台湾海峡北上的潮波在黄海附近与太平洋西进的潮波叠加，并受山东半岛凹进岸线的阻挡反射，形成复杂的旋转潮波系统，该潮波系统旋转方向为左旋，并衍射至长江入海口三角洲。本工程海域也在衍射范围内，受两个潮波系统辐合作用，形成辐射状潮汐流场，潮流、泥沙特征十分复杂。

 

表2 RSSI取值比较

 

RSSI计算公式：RSSI=-（10nlg（d）+A），公式中n是无线信号传输指数，d是标签与读/写器之间的距离，A是标签与读/写器之间1米的取值.

4 ZigBee无线自组网模块设计

整个系统由两块组成即定位系统和无线数据传输系统，定位系统主要由无源RFID标签、RFID读/写器和ZigBee通信模块组成；无线数据传输系统由ZigBee通信设备组成［2］.定位系统各部分配置如下：

广播、电视、网络平台变为一种媒体的三种服务模式，将三者的人力、物力资源重新整合，打破原有编制，为节目的制作缩小成本。“融”字是融媒体思维的核心字眼，它意在打破各种媒介之间的边界，使节目制作呈现出全新的制作过程和表现方式。不仅转变了资源匮乏的困境，还使节目出现了分化，节目内容朝向更加专业化、分众化发展，这是在“融”的背景下走出的新的节目制作思维。

4.1 自组网硬件模块设计

在实验设备定位系统中，走廊和楼道的路由节点是由CC2530芯片、时钟与电源模块、串口模块、无线设备等组成.路由节点中的CC2530芯片是TI公司针对IEEE802.15.4标准开发的，其内部由CC2530通信模块，增强型8051CPU、128KB Flash ROM和8KB RAM构成；时钟与电源模块主要解决电源长时间低功耗供电；串口模块主要用于通信设备调试；无线设备主要用于收发数据，数据包过滤和地址识别［5］.协调节点能够将读/写器的信息通过路由节点，采用多跳方式，发送给实验设备定位系统.

4.2 自组网的组建

在整个建筑物中，自组网的路由节点布设位置，需要根据具体的建筑物结构进行设置.一般走廊每隔10到15米设置一个路由节点，在走廊两边交叉设置；在楼梯间一般设置2到3个路由节点.这样交叉设置，相互之间可以备份，网络采用交叉方式进行通讯，线路可以复用，有利于无线自组网的组网.

为保证数据传输的连续性和稳定性，路由节点在布置时，相邻节点信号要相互覆盖，这样就形成了相互备份的关系，也能减少信号之间的干扰，保证数据的多跳传输.从而保证了局域网的稳定，提高了数据传输质量和传输速率［6］.

  

图3 自组网

从图中可以看出数据是以链路形式进行传输，但某一个协调节点出现故障，可实时切换到相邻的路由节点进行数据传输，同时，把故障节点数据发送到定位系统数据处理平台，方便管理人员及时处理故障（如图3）.

5 实验设备定位系统平台

通过定位系统和ZigBee无线自组网采集的数据信息可以直接录入到平台数据库，供定位系统和数据查询系统使用.实验设备定位系统平台采用Lab VIEW软件设计，利用软件中自带的工具包SQL Toolkit对数据库进行访问.Lab VIEW SQL Toolkit能与大部分数据库引擎相连，也与SQL数据库兼容.定位系统平台可以实时监测到设备的位置信息和设备属性信息，方便对设备和资产的管理，防止设备被盗.

6 结语

基于RFID技术和ZigBee技术的实验设备定位系统，是RFID射频模块和ZigBee无线网的有机组合.它能够实现远程、实时对实验设备进行管理和监控，有效的降低人工成本，减少设备被盗现象的发生，提高了管理效率.

参考文献：

［1］罗娟，曾凡仔，李仁发，等.无线传感器网络原理与OMNeT++实现［M］.湖南大学出版社，2011.

［2］周俊，张少欣.基于ZigBee中技术的定位系统研究与实现［J］.通信技术，2011，44（04）：161-169.

［3］杨玲，徐曼.基于ZigBee技术的无线射频识别系统硬件设计［J］.哈尔滨工业大学学报，2012，17（3）：65-68.

［4］李瑞，赵晓军，袁颖，等.基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系统的研究［J］.微型计算机与应用，2015（19）：60-63.

［5］张峰.Zigbee技术在远程计算机电源控制系统中的应用［J］.数字技术与应用，2014（9）：87.

［6］姜涛，王学文.基于ZigBee和APP技术的智能公交系统及优化设计［J］.自动化仪表，2015，36（12）：31-35.