無源RFID技術在通信機房機柜設備識別中的應用

1 引言

通信機柜內的設備包括網絡機柜、服務器機柜、綜合布線機柜等。其中網絡機柜存放交換機、路由器、防火墻等用來承載網絡設備； 服務器機柜用來存放服務器、存儲器等設備； 綜合布線機柜用來存放水平線纜管理單元和垂直線纜管理單元主要用來架設理線架等設備。由于各機柜內通信設備型號不同，設備量是根據擴容的要求不斷的處于動態的變化過程，機房維護人員在運管和設備維護過程中出現通信設備更換、移位安裝靠人工識別，造成對設備變更定位不準，通信設備編號需手工記錄，造成編號出錯等現象，嚴重影響通信機房運維的工作效率。針對通信機房機柜內的這些不同設備在運管與維護過程中存在的管理問題，提出了基于無源RFID（射頻識別技術）[1]實現智能識別的通信機房機柜設備識別系統，該系統具有以下特點：非接觸式識別，可在50 mm內準確識別各種類型設備；安裝方便靈活，不改變機房機柜內物理結構，采用尼龍貼式固定，上下左右調節靈活；不生產電磁干擾，采用125 kHz頻率的RFID標簽識別，以太網線傳輸，不影響機房設備正常工作；智能采集識別，只需將每個設備上的無源RFID標簽對準相應機柜上的讀頭即可時實監測設備所在機柜的位置、型號、編號，實現機機房設備的智能化管理；性價比高，每個設備識別點僅需要加入低成本的無源RFID標簽，即可實現通信機房設備的智能化管理。

2 系統組成

2.1 機柜內無源RFID標簽及讀頭天線

無源RFID標簽由漆包線繞成螺旋式天線和RFID芯片組成，采用直徑為20 mm、厚度為1 mm的塑封方式實現，其一側粘有尼龍貼，安裝在有尼龍貼的機柜設備上的專用支架上。讀頭天線的大小和安裝方法與無源RFID標簽相同，不同的是讀頭天線是安裝在每個設備裝在機柜后部的與無源RFID標簽的對應處，并引出兩條導線，導線長度根據讀頭天線安裝位置不同，可分為4 m、3 m、2 m、1 m的線長，同樣，讀頭也是安裝在有尼龍貼的機柜上。當貼有無源RFID標簽的設備抽出后，系統會自動識別出抽出設備所在機柜的位置；當同樣的設備沒有裝入對應機柜位置時，系統會自動顯示出安裝位置錯誤，并提示出正確安裝位置。無源RFID標簽及讀頭天線結構安裝示意圖如圖1所示。

圖1 無源RFID標簽及讀頭天線結構安裝示意圖

2.2 單個機柜內機柜設備識別系統

單個機柜內機柜設備識別系統如圖2所示。由n個讀頭天線，接線端子，匹配電路，發射電路，接收電路，模擬開關，MCU，IO擴展電路，LED驅動電路，LED燈，開關電源，1U機箱組成。

圖2 單個機柜內機柜設備識別系統

讀頭天線的基本任務是與無源RFID標簽建立通信并傳輸數據，主要具備發送和接收功能；接線端子用于將各讀頭天線的接線與系統連接；匹配電路由調諧電容組成，可以通過選擇適當的線圈和電容，使得讀頭天線的諧振頻率為125 kHz；發射電路的主要功能是產生載波并通過天線發送出去，為標簽提供能量，發射電路的電壓和電流為，發射功率小于1 W；接收電路用于接收并解調來標簽的射頻信號；模擬開關用于對n個讀頭天線進行輪詢工作；MCU是系統的核心，用于控制n個讀頭天線的數據發送和接收、每個讀頭天線的工作狀態指示、上位機的指令接收及數據的上傳等；IO擴展電路用于對MCUIO進行擴展，以實現對n個LED燈的控制；LED驅動電路由三極管組成，一個IO控制一路三極管驅動一個LED燈；開關電源用于提供系統的+5V整機供電；1U機箱用于將上述電路裝入。

該識別系統在數據識別正確率大于等于80%時能達到的最大距離為1.6 cm，每個標簽的數據平均識別時間小于1秒。在判斷識別標簽有無的測試中，正確率達到80%的最遠距離為9.5 cm，平均響應時間小于0.5秒。

3 機柜內無源RFID標簽及讀頭

機房機柜設備識別系統的硬件部分主要由兩個組成部分：讀頭和無源RFID標簽。

讀頭的基本任務是與無源RFID標簽建立通信并傳輸數據，主要具備發送和接收功能；無源RFID標簽負責存儲系統數據，是該識別系統的數據載體，由MCU（微控制單元）、耦合線圈，整流濾波電路，自耦變壓器構成。標簽及讀頭電路組成方框圖如圖3所示。

圖3 標簽及讀頭電路組成

通信機房機柜設備識別系統的重點是考慮系統的工作頻率，除此之外需要正確選擇無源RFID標簽的供電方式，另外信號的調制方式和數據的編碼方式也影響著系統性能。在系統方案的設計中著重從這三個方面考慮。一是工作頻率的選擇：識別系統的工作頻率即讀頭發射無線信號所使用的頻率。本識別系統采用的是一個短距離、低通訊量、低成本的系統，選擇采用低頻（125 kHz）的工作頻率；二是無源RFID標簽供電方法的選擇：系統中無源RFID標簽設計采用的是無源工作模式，工作所需的能量全部通過耦合線圈獲得。無源RFID標簽使用方便，成本低，具有更好的應用前景；三是數據調制、編碼方式的選擇：系統中數據傳輸方式采用曼切斯特編碼的方式，無源RFID標簽將自己的ID數據以曼切斯特編碼的格式傳出，讀頭通過軟件進行解碼。曼切斯特編碼可以保證數據傳輸的誤碼率比較低。

3.1 天線（耦合線圈）

天線是以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實現導行波與自由空間波能量的轉換。根據天線在系統中的不同功能和作用，系統中的天線可分為標簽天線（tag antenna）和讀頭天線（reader antenna）。讀寫器天線用于產生磁通量Φ，而磁通量用于向標簽提供電源并在讀頭和標簽之間傳送信息。對讀頭天線設計的基本要求是：使天線線圈的電流I最大，以產生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用產生磁通量的可用能量；要有足夠的帶寬，以無失真地傳送數據調制的載波信號。

3.2 讀頭

讀頭由三部分構成：發射電路、接收電路和MCU。發射電路的主要功能是產生載波并通過天線發送出去，以為標簽提供能量。發射電路采用125 kHz載波頻率，系統中通過一個4 MHz的石英振蕩器連接分頻器74HC4060，經過32分頻產生125 kHz左右的載波頻率。并通過推挽的方式驅動發射線圈，接收端電路通過檢波，整流，比較放大后取得曼切斯特編碼原始數據DATA；接收電路接收并解調標簽的射頻信號，并經過三個階段實現信號的解調，首先通過一個二極管濾去負半周的信號，然后通過一個RC濾波器濾去125 kHz載波信號，然后通過一個電容串聯的方式濾去直流信號，從而得到的僅僅是標簽編碼信號，最后再通過放大器進行放大，并送到比較器的同相輸入端，經過分壓濾波從比較器的輸出端得到標準TTL電平信號，該信號是一串穩定的曼徹斯特碼，由MCU進行曼切斯特解碼；MCU采用ATMEI公司的ATmega 8單片機實現[1]，系統工作時，單片機控制發射電路、接收電路獲得通信機柜內的某個設備的ID數據后，通過RS232串口轉成以太網口后，再通過集線器將數據上傳到服務器，與服務器數據庫中的設備ID數據比對，識別并顯示出相應設備在通信機柜中的位置信息，為通信機柜設備運營和維護提供管理依據。

3.3 無源RFID標簽

無源RFID標簽主要由自耦變壓器、全橋整流器、電容、MCU構成。在讀頭交變場的作用下，在標簽線圈中產生感應電壓，利用自耦變壓器將該電壓升高到4倍左右。然后利用全橋整流，通過兩個10μF電容進行濾波。為保證電壓的穩定，系統采用一個穩壓二極管進行穩壓，以保證MCU穩定工作，MCU將數據編碼成曼徹斯特編碼，采用負載調制的方式將數據發送出去。

4 系統工作流程

系統在實際應用中，需要為每個標簽分配一個唯一的ID標簽，ID表示長度可以根據機柜內設備數量和類型定義，采用64位ID標識，該標識在標簽軟件中設定。每個讀頭每隔100 ms向外發射一段電磁波進行檢測，當對應標簽處于讀頭感應范圍內，讀頭將收到標簽發來的數據，并讀取標簽完整的ID數據。讀頭工作流程如圖4所示。當產生的感應電流足夠驅動標簽工作時，標簽便連續發送自己的ID數據。

圖4 讀頭工作流程圖

5 結束語

無源RFID標簽具有體積小、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非接觸識別、設備識別、設備定位及長期的設備跟蹤與管理[3]。使用時只需將無源RFID標簽和讀頭通過尼龍貼分別固定在各個設備上和各個設備對應機柜支架位置上，通過網絡連接組成通信機房機柜設備識別系統，提升機房設備的運營、維護和管理效能。