一種基于RFID的設備定位可視化方法

廖星星 金鋼 陳孝光

摘 要： 科研單位的儀器設備具有價值高、使用頻率高、流動性大等特點，設備在流轉過程中常因為科研人員活躍的思維變的難以控制，從而導致設備尋找困難。通過RFID技術實現對設備流轉信息的采集并可視化是解決上述問題的一種行之有效的方法。該文介紹RFID數據采集的過程，并將數據可視化過程分為四個階段：數據預處理、模型建立、繪制、顯示。數據預處理階段提出一種RFID冗余數據過濾方法；模型建立階段建立了設備流轉過程數學模型，該模型用以判別設備出入問題；繪制階段提出對設備當前位置信息標識和歷史路徑軌跡的繪制方法；顯示階段則通過計算機圖形技術實時顯示設備在試驗室的當前位置。目前，該方法在某科研單位的設備管理系統中得到有效應用。

關鍵詞： RFID； 設備定位； 可視化方法； RFID數據采集

中圖分類號： TN911?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0077?05

A RFID technology based visualization method of equipment location

LIAO Xingxing1， 2， JING Gang1， 2， CHEN Xiaoguang3

（1. Shanghai Institute of Technical Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China； 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China； 3. Shanghai Leanwo Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200080， China）

Abstract： The apparatus of scientific research institutions has the characteristics of high value， high use frequency， large mobility， etc. It is difficult to control the location of equipments in transfer process due to the active thinking of the researchers， so the equipment is difficult to find. Its an effective method to solve the above problems by means of RFID technology to collect and visualize the equipment transfer information. The collection process of RFID data is described. The data visualization process is divided into four stages of data preprocessing， modeling， drawing and display. A RFID redundant data filtering method is proposed in data preprocessing stage. The mathematical model of equipment transfer information is established in modeling stage to determine the coming in and going out issues of equipments. The drawing method of equipments current location information and historical path trace is proposed in drawing stage. The current location of the equipments in the laboratory is displayed in real time by means of computer graphics technology in display stage. Currently， the method is effectively used in the equipment management system of a research institute.

Keywords： RFID； equipment location； visualization method； RFID data acquisition

0 引 言

航天科研單位是研究與生產并存的科研組織，儀器設備存在著各種各樣的形式，且具有價值高、流動性強、安全管理難等特點，專業的管理員為了跟蹤儀器設備的流向，在付出大量寶貴的時間和人力物力之后，又由于現場科研人員活躍的思維方式和科研活動變得無序和難于控制。人們常苦惱找不到自己想要的工具，這給工作進度帶來很大的阻撓[1]。RFID技術最大的優點在于非接觸式自動識別，當攜帶標簽的設備進入閱讀器的作用區域時，標簽通過電磁感應獲得能量被激活，激活之后的標簽將自身的系列號信息發送給閱讀器，閱讀器最后通過網絡傳輸將信息發送至計算機數據處理系統[2?3]。這些信息中包括閱讀器的標識號，閱讀器通常是安裝在固定位置，因此設備被識別時的位置即為閱讀器的位置。數據可視化（Data Visualization）是通過使用圖像處理技術和計算機圖形學將數據轉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，實質是借助圖形化手段使數據表達的內容更容易被理解，并清晰有效地傳達數據和呈現數據[4?5]。將RFID系統采集的位置數據可視化，可快速幫助科研人員確定設備所在位置，并選擇最優路徑前往，大大節省設備尋找時間，提高了科研效率。

1 RFID數據采集過程

1.1 RFID工作原理

RFID[6?7]系統的基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。一個完整的RFID系統主要由5部分組成，即：RFID標簽、天線、讀寫器、服務器和計算機管理系統。標簽一般是由線圈、存儲器組成的低壓電路，讀寫器完成對標簽數據的采集，計算機管理系統主要完成數據存儲及處理見圖1。

在一個設備上安裝電子標簽，電子標簽里存儲了一組經過特定編碼的序列號。當攜帶電子標簽的設備進入閱讀器的作用區域時，連接閱讀器的天線發出的電磁波將會激活標簽電路，被激活之后的電子標簽將自身的系列號信息通過內置天線發射出去，閱讀器接收到標簽發送來的信號是一組載波信號，對信號進行解調和解碼，得到所需要的數據信息，然后通過網絡傳輸把收到的信息傳至RFID中間件，RFID中間件對數據進行清洗、過濾之后再存儲至數據庫中，存儲的信息包括標簽序列號、讀取到標簽系列號的讀寫器編號及讀取時間，計算機數據處理系統可根據標簽序列獲取設備屬性信息[8]。

1.2 RFID數據采集

應用RFID技術的過程中，會產生大量的RFID數據，這些數據記錄了設備攜帶的EPC碼，讀取時間，所讀取的讀卡器的標志號，這個讀卡器的標志號可以看作讀取的位置。這一系列的讀取記錄就是目標對象移動過程中產生的數據，他們構成了物品的移動路徑數據。

系統目標是對現場設備的位置信息進行采集，因此在試驗室的出入口處布置相應的RFID天線，以現場為單位獲取設備的流轉信息，如圖2所示。

RFID天線通過射頻線纜與RFID讀寫器進行連接，RFID讀寫器與路由器進行信息交互，路由器再將信息傳送給中心數據庫，定義：

（1） 識別率。識別率是評價RFID系統非常重要的一個指標，將直接影響應用層數據的準確性，識別率定義如下：

[λ=CN]

式中：N表示標簽出現在讀寫器工作區域的次數；C表示標簽被讀寫器識別的次數。

（2） 中間件。統一管理系統中的所有讀寫器（固定式或手持式讀寫器），包括讀寫器的配置、數據采集和過濾、數據存儲等內容。中間件大大簡化了應用層的開發，降低了系統的耦合性。

2 RFID數據可視化過程

Card信息可視化模型將信息可視化的過程分為3個階段[9]：數據預處理、繪制、顯示和交互。RFID數據可視化過程可分為4個階段：

（1） 數據預處理。數據預處理是將RFID采集的數據進行預處理，讀寫器采集到的原始標簽數量十分龐大，需要過濾冗余數據，產生數據冗余的原因有三個：同一臺讀寫器對標簽數據的重復讀取、業務相同的兩臺讀寫器對同一標簽的數據不斷讀取、業務不同的兩組讀寫器因為漂浮事件導致標簽數據被讀取。

（2） 模型建立。要實現設備可視化定位，需要建立設備流轉信息模型。

（3） 繪制。繪制的功能是完成RFID數據到幾何圖象的轉換。

（4） 顯示和交互。即將繪制模塊生成的圖象數據，按照用戶指定的要求進行輸出，方便用戶更直觀地查看設備所在位置信息，并進行相關交互。

2.1 RFID冗余數據過濾

設置標簽數據的基本數據結構為：

Struct TagData{String tagID； String roomID；

String readerID； DatereadTime}

其中：tagID表示標簽的序列號；roomID代表當前標簽被讀取的房間位置；readerID表示讀取到標簽的讀寫器的編號，考慮到房間比較大，一個房間可能存在安裝多個讀寫器的情況，故房間和讀寫器設置不同的字段；readTime表示標簽被讀取的時間。

在RFID系統中，讀寫器會周期性的向RFID中間件發送標簽數據，這些數據量龐大，且含有大量的冗余數據，如果在發送至上層應用程序之前不進行濾掉操作，會對系統造成巨大的負擔。通過邏輯映射引擎將所有讀寫器讀到原始的RFID數據映射到各個邏輯讀寫器后，便可以在邏輯讀寫器的基礎上分別對屬于各個邏輯讀寫器的原始標簽數據進行冗余過濾操作[10?12]。

讀寫器讀取到的標簽數據存儲在一個哈希表中，假設存儲在哈希表中的一組標簽數據表示為：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+11BTag2Tstarti+21BTag2Ti+2i+31BTag2Tendi+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

這里提出了一種新的數據過濾算法，過濾步驟如下：

（1） 將業務一致的讀寫器做成相同的標識。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務的角度來說功能一致，標識成同一地點：

[ifdata.roomID=roomID]

[data.readerID=readerID]

可以得出：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+11ATag2Tstarti+21ATag2Ti+2i+31ATag2Tendi+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

（2） 過濾掉隊列中開始時間與結束時間差小于4 s的數據。主要針對安裝較近的情況。

[ifTstart-Tend<4]

[forint ID=i+1；ID<=i+3；ID++]

[data.RemoveAtID]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

（3） 對隊列中最后一個標簽數據對應的地點進行更新。

（4） 刪除隊列內的中間數據，并獲取開始時間和結束時間。

[ifdataID.readerID=dataID-1. readerIDdataID.readerID=dataID+1.readerID]

[data.RemoveAtID]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1n3DTag4Tn]

（5） 處理隊列底部數據。這里分兩種情況，當隊列底部讀寫器讀取到的標簽數據記錄為2次時，則刪除底部數據，否則不刪除。

[ifdata.ID≥2 dataID-1.readerID=dataID-2.readerID]

[data.RemoveAtID-1]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1]

（6） 刪除隊列的頂部數據，保留隊列的底部數據至數據庫。

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTimek1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1]

（7） 保留隊列底部的數據，其余都刪除。

（8） 維持數據庫中一個表為50條記錄。

2.2 設備流轉信息模型建立

系統需要對設備當前所在位置信息進行采集，即實現設備實時定位及歷史位置信息查詢。定位可以通過天線來實現，這種方式成本較低。具體實施情況是將天線通過萬用接頭安裝于每個房間門口側壁，天線和讀寫器是相連的。當設備進入時，系統驅動RFID讀寫器自動獲取設備位置信息。設備移動路徑狀態可以通過位置的變化信息來判斷，其原理如圖3所示。

用數學模型分析如下：標簽第一次進入A房間時，接收到A房間天線發射的無線電信號，被讀寫器A讀取，位置信息標記為A。進入A房間之后，標簽一直被讀取，位置信息一直被標記為A，直至離開A房間。這一過程可以用矩陣表示為：

[SA=tagIDroomIDreaderIDreadTimeTag1A1Tin????Tag1A1Tout]

同理可得，

[SB=tagIDroomIDreaderIDreadTimeTag1B2Tin????Tag1B2Tout]

如果存在：

[SC=tagIDroomIDreaderIDreadTime????Tag1A1ToutTag1B2Tin????]

即：

[→ ]

則可以斷定：標簽從A房間離開進入B房間。

2.3 圖形繪制

設備在試驗室移動過程中會經過很多裝有閱讀器的監測點，這些監測點通常布置在各個房間的出入口，稱為位置節點，一系列位置節點就形成了該設備的移動路徑。位置節點表示物品移動中的不同階段，在任何階段，設備的實時狀態可以用時間和位置節點兩個參數來描述。

設備移動過程中，經過不同的位置節點產生不同的時間信息，包括在這個節點停留的時間，或者進入節點的時間和離開節點時間。所以某條路徑中的節點信息不僅包含位置信息還有時間信息。這時路徑的節點可以看作是節點對象，包含了位置屬性和時間屬性，而不僅僅是簡單路徑數據中的位置標識符。這樣的數據可以用以下形式表達：

[]

這些點經過繪制之后，得出如圖4所示的圖形，圖中紅色的圈代表設備初始位置，數字代表設備行走的路徑順序。

2.4 界面顯示

本系統使用類似于“地圖”的方式圖形化描述路徑數據，首先繪制試驗室平面圖，再繪制路徑數據庫中所有位置節點，建立一個“地圖”模型，然后根據路徑數據繪制位置節點之間帶方向的連接線，表示路徑中出現的位置轉移[13]。

（1） 當前位置節點用三個半徑不同且動態變化的圓表示，圓的上面文字標識當前設備所在位置信息。

（2） 兩位置節點之間的連接線表示存在路徑相繼經過這兩個位置。設兩個位置A和B，如果存在A到B直接轉移的路徑，那么存在一條從A出發到B結束的帶箭頭的連接線；如果存在從B到A直接轉移的路徑，同理存在另一個方向的連接線；所以節點之間可能有兩條線相連，表示兩個方向。

以某科研單位試驗室為例，手持粘貼RFID標簽的上網U盤在安裝RFID設備的各房間行走，行走的路徑順序為：總調間→裝調間→待裝間→門廳→三坐標→二樓樓梯→門廳→總調間→二樓樓梯→待裝間→總調間→二樓樓梯→二樓電調室；系統得出如下位置記錄信息，行走路徑和系統顯示結果一致，最后出現地點為二樓電調室，如圖5所示。

3 結 語

基于RFID設備信息可視化可以增強數據呈現效果，輔助科研人員以直觀交互的方式實現對數據的瀏覽，改變了過去盲目尋找設備的窘況。信息可視化的數據有一維、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的可視化方式，其中，基于幾何的可視化方式包括平行坐標系法[14]、Radviz方法[15]、散點圖矩陣法[16]、Andrews曲線法[17]；基于圖標的可視化方式包括星繪法和Chernoff面法[18]。目前RFID數據的可視化主要是根據其時間、地點數據簡單繪制，只能顯示攜帶RFID標簽的大致位置，并不能顯示當前設備的具體信息，如設備的模型，設備的狀態，這是項目后期將要解決的問題。

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