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一種基于RFID的設(shè)備定位可視化方法
發(fā)布日期：2016-11-15 來源：《上海設(shè)備管理》
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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)場科研人員活躍的思維方式和科研活動(dòng)變得無序和難于控制。人們�？嘤谡也坏阶约合胍墓ぞ�，這給工作進(jìn)度帶來很大的阻撓。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)。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，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)。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。
一、RFID 數(shù)據(jù)采集過程
1、RFID工作原理
RFID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，讀寫器完成對標(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。
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)信息通過內(nèi)置天線發(fā)射出去，閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)送來的信號(hào)是一組載波信號(hào)，對信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，得到所需要的數(shù)據(jù)信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸把收到的信息傳至RFID 中間件，RFID 中間件對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、過濾之后再存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中，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。
2、RFID數(shù)據(jù)采集
應(yīng)用RFID 技術(shù)的過程中，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)對象移動(dòng)過程中產(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)是對現(xiàn)場設(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)場為單位獲取設(shè)備的流轉(zhuǎn)信息。
RFID天線通過射頻線纜與RFID讀寫器進(jìn)行連接，RFID 讀寫器與路由器進(jìn)行信息交互，路由器再將信息傳送給中心數(shù)據(jù)庫，定義：
（1）識(shí)別率。識(shí)別率是評價(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= C/N
式中：N表示標(biāo)簽出現(xiàn)在讀寫器工作區(qū)域的次數(shù)；C表示標(biāo)簽被讀寫器識(shí)別的次數(shù)。
（2）中間件。統(tǒng)一管理系統(tǒng)中的所有讀寫器（固定式或手持式讀寫器），包括讀寫器的配置、數(shù)據(jù)采集和過濾、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等內(nèi)容。中間件大大簡化了應(yīng)用層的開發(fā)，降低了系統(tǒng)的耦合性。
二、RFID 數(shù)據(jù)可視化過程
Card 信息可視化模型將信息可視化的過程分為3 個(gè)階段：數(shù)據(jù)預(yù)處理、繪制、顯示和交互。RFID數(shù)據(jù)可視化過程可分為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，讀寫器采集到的原始標(biāo)簽數(shù)量十分龐大，需要過濾冗余數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余的原因有三個(gè)：同一臺(tái)讀寫器對標(biāo)簽數(shù)據(jù)的重復(fù)讀取、業(yè)務(wù)相同的兩臺(tái)讀寫器對同一標(biāo)簽的數(shù)據(jù)不斷讀取、業(yè)務(wù)不同的兩組讀寫器因?yàn)槠∈录䦟?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。
1、 RFID冗余數(shù)據(jù)過濾
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)讀寫器的情況，故房間和讀寫器設(shè)置不同的字段；read⁃Time表示標(biāo)簽被讀取的時(shí)間。
在RFID系統(tǒng)中，讀寫器會(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)對系統(tǒng)造成巨大的負(fù)擔(dān)。通過邏輯映射引擎將所有讀寫器讀到原始的RFID 數(shù)據(jù)映射到各個(gè)邏輯讀寫器后，便可以在邏輯讀寫器的基礎(chǔ)上分別對屬于各個(gè)邏輯讀寫器的原始標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余過濾操作。
讀寫器讀取到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)哈希表中，這里提出了一種新的數(shù)據(jù)過濾算法，過濾步驟如下：
（1）將業(yè)務(wù)一致的讀寫器做成相同的標(biāo)識(shí)。考慮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器從業(yè)務(wù)的角度來說功能一致，標(biāo)識(shí)成同一地點(diǎn)：
（2） 過濾掉隊(duì)列中開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間差小于4 s的數(shù)據(jù)。主要針對安裝較近的情況。
（3）對隊(duì)列中最后一個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)對應(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)，并獲取開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。
（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。
（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。
（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)庫中一個(gè)表為50條記錄。
2、設(shè)備流轉(zhuǎn)信息模型建立
系統(tǒng)需要對設(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。定位可以通過天線來實(shí)現(xiàn)，這種方式成本較低。具體實(shí)施情況是將天線通過萬用接頭安裝于每個(gè)房間門口側(cè)壁，天線和讀寫器是相連的。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)可以通過位置的變化信息來判斷，，其原理如圖1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)射的無線電信號(hào)，被讀寫器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A房間。
3、圖形繪制
設(shè)備在試驗(yàn)室移動(dòng)過程中會(huì)經(jīng)過很多裝有閱讀器的監(jiān)測點(diǎn)，這些監(jiān)測點(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)來描述。
設(shè)備移動(dòng)過程中，經(jīng)過不同的位置節(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)對象，包含了位置屬性和時(shí)間屬性，而不僅僅是簡單路徑數(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)：
＜（roomID1，readTime1)，（roomID2，readTime2)，（roomID3，readTime3)，…＞
這些點(diǎn)經(jīng)過繪制之后，得出如圖2所示的圖形，圖中的圈代表設(shè)備初始位置，數(shù)字代表設(shè)備行走的路徑順序。
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。
（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3所示。
三、結(jié)語
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)對數(shù)據(jù)的瀏覽，改變了過去盲目尋找設(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、Radviz方法、散點(diǎn)圖矩陣法、Andrews曲線法；基于圖標(biāo)的可視化方式包括星繪法和Chernoff面法。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題。
作者：1、廖星星、金鋼 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 2、陳孝光 上海聯(lián)物信息科技有限公司
