基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

何 鍇

（山東大學(xué)，山東 濟(jì)南250100）

0 引 言

智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室是采用IT技術(shù)，通過文字、圖形、聲音、動(dòng)畫等載體實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的現(xiàn)代化語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室[1]。智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室中根據(jù)教學(xué)需求，將配備錄放卡、音箱、DVD、投影儀、耳機(jī)、耳麥等大量語(yǔ)言教學(xué)設(shè)備，此類設(shè)備的妥善管理，可保障實(shí)驗(yàn)室財(cái)產(chǎn)安全[2?4]。實(shí)驗(yàn)室財(cái)產(chǎn)安全保護(hù)中，實(shí)驗(yàn)室的門禁十分關(guān)鍵，門禁屬于實(shí)驗(yàn)室的“門神”，如果智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室不存在門禁管理功能，任何人都有進(jìn)出的權(quán)限，這對(duì)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備安全存在直接影響[5]。

此外，實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)目標(biāo)以教師與學(xué)生為主，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境優(yōu)劣對(duì)服務(wù)目標(biāo)的安全起到絕對(duì)性作用，為此，在智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理問題中，門禁管理、設(shè)備管理以及環(huán)境管理均十分關(guān)鍵。本文圍繞此問題，設(shè)計(jì)基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮RFID技術(shù)的讀寫速度快、可遠(yuǎn)距離應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室妥善管理。

1 基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ATmega16單片機(jī)是基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的控制主體，基于RFID的門禁模塊、傳感器模塊以及基于RFID的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理模塊是系統(tǒng)三大核心模塊。進(jìn)入智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室的用戶均需要使用門禁卡識(shí)別身份后才能進(jìn)出，如果沒有門禁卡，便不能進(jìn)入和離開智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室[6?7]。傳感器模塊由煙霧傳感器、水滴傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器?gòu)成，傳感器監(jiān)測(cè)信息能夠基于ZigBee、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC端。基于RFID的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理模塊的功能是管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全[8]。

基于RFID的門禁模塊電路圖如圖2所示。MODE1～MODE3屬于三類存在差異的管理模型，均和高電平相連。如果MODE1和高電平相連，代表波特率是9 600 b/s；如果是MODE2、MODE3和高電平相連，分別代表電路屬于串口輸出模式、主動(dòng)模式。RC522芯片的TXD端、GND端分別和MS430單片機(jī)、電壓轉(zhuǎn)換器存在連接性；串口1的狀態(tài)為接收模式時(shí)，RFID的讀卡實(shí)時(shí)性將得以提升。TX1、TX2和天線CIRCLE存在連接性，STATUS和單元集的P1?1存在連接性，可掌握RC522芯片的運(yùn)行模式；單片機(jī)的P1?3連接于動(dòng)作電機(jī)，可使用繼電器管理RFID電子鎖的動(dòng)作電機(jī)，通過RFID電子鎖實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室開門、關(guān)門控制[9?10]。

基于RFID的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該模塊通過RFID技術(shù)管理智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備時(shí)，通過電子標(biāo)簽存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的基本特征[11]。此類基本特征由型號(hào)信息、規(guī)格信息、價(jià)格信息、出廠日期信息等構(gòu)成。以往的紙質(zhì)標(biāo)簽雖然也可以呈現(xiàn)所有設(shè)備信息，但是效率不高[12]。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用電子標(biāo)簽后，各個(gè)設(shè)備均有一種存儲(chǔ)芯片，此芯片中存儲(chǔ)大量設(shè)備的基本特征信息。

圖2 基于RFID的門禁模塊電路圖

圖3 基于RFID的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 改進(jìn)的二進(jìn)制防碰撞算法

二進(jìn)制算法存在顯著缺陷，RFID閱讀器中有效RFID標(biāo)簽信息僅存在大于上次碰撞中高比特位里，識(shí)別標(biāo)簽后需要重新查詢其他RFID標(biāo)簽信息，算法執(zhí)行耗時(shí)較多，所以，本文對(duì)二進(jìn)制防碰撞算法進(jìn)行改進(jìn)。

1.2.1 算法編碼原理

為了可以在算法里高精度分辨實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞的比特位，改進(jìn)的算法使用Manechester編碼。此編碼是相位編碼，可與式中編碼技術(shù)同步使用，通過電平跳變描述數(shù)值位[13]。Manechester編碼示意圖如圖4所示。

圖4 中，加粗線所在處表示從高電平跳變到低電平，編碼成邏輯“1”；從低電平跳轉(zhuǎn)至高電平，編碼成邏輯“0”，如果不存在跳變，便屬于非法數(shù)據(jù)。如果2個(gè)或多于2個(gè)標(biāo)簽一起反饋的數(shù)值位存在差異，那么上升沿與下降沿存在抵消性，將不存在狀態(tài)跳變，此時(shí)RFID閱讀器的數(shù)據(jù)存在碰撞性，發(fā)生錯(cuò)誤，需要進(jìn)一步處理[14]。

圖4 Manechester編碼示意圖

1.2.2 算法改進(jìn)

算法改進(jìn)之處如下：

1）新增標(biāo)簽命令A(yù)（ID，1）

ID代表比特位，RFID閱讀器首次和標(biāo)簽通信后，翻譯智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽序列號(hào)，便可以分辨出現(xiàn)碰撞的比特位。將出現(xiàn)碰撞的比特位設(shè)成“1”，不存在碰撞的比特位設(shè)成“0”，以此獲取后續(xù)尋呼的序列碼。

2）新增標(biāo)簽命令A(yù)（ID）

此處ID的取值代表RFID閱讀器在實(shí)施命令A(yù)（ID，1）后，若智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽持續(xù)出現(xiàn)碰撞，將出現(xiàn)碰撞的比特位設(shè)成“1”，不存在碰撞的比特位設(shè)成“0”，在后續(xù)的碰撞狀態(tài)里，參加數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹挥泄潭ǖ?、存在RFID標(biāo)簽碰撞的比特位，再通過智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽譯碼的形式，獲取后續(xù)尋呼的鎖定序列碼。此處存在碰撞的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽里，把鎖定的全部比特位里最高位的值是1的標(biāo)簽，將其自身所屬序列號(hào)反饋至閱讀器[15]。

1.2.3 運(yùn)行流程

1）RFID閱讀器在工作范圍中傳輸命令A(yù)，智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽的ID低于或等于閱讀器命令比特位，便可以和RFID閱讀器實(shí)現(xiàn)通信。

2）RFID閱讀器將響應(yīng)的標(biāo)簽實(shí)施譯碼，如果不存在碰撞便可識(shí)別標(biāo)簽，將其設(shè)成無效標(biāo)簽。

3）如果存在碰撞，將智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽實(shí)施譯碼，把出現(xiàn)碰撞的比特位的位置設(shè)成“1”，不存在碰撞的比特位設(shè)成“0”，獲取新增標(biāo)簽命令A(yù)（ID，1）。

4）RFID閱讀器發(fā)出命令A(yù)（ID，1），實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的RFID標(biāo)簽獲取此命令后，把RFID閱讀器的命令I(lǐng)D和自身序列號(hào)實(shí)施對(duì)比，確定出現(xiàn)碰撞的比特位，對(duì)比特位最高位是1的標(biāo)簽進(jìn)行響應(yīng)，把未被確定的RFID標(biāo)簽反饋至閱讀器。

5）RFID閱讀器分辨反饋的標(biāo)簽序列號(hào)是否存在碰撞，如果不存在便識(shí)別標(biāo)簽，將其設(shè)成無效標(biāo)簽；反之，閱讀器將反饋的標(biāo)簽序列號(hào)實(shí)施譯碼，分辨存在碰撞的比特位，把出現(xiàn)碰撞的最高比特位設(shè)成1。大于此碰撞位的比特位無須變動(dòng)，小于此碰撞位的比特位刪掉，獲取新增標(biāo)簽命令A(yù)（ID）。

6）RFID閱讀器發(fā)出A（ID），再次分辨是否存在碰撞，每次識(shí)別標(biāo)簽后，均啟動(dòng)后退方案，跳轉(zhuǎn)至前次出現(xiàn)碰撞的節(jié)點(diǎn)，識(shí)別節(jié)點(diǎn)的其他分支，直至將碰撞位的最高位是1的標(biāo)簽均被識(shí)別方可停止。

7）執(zhí)行第6）步之后，傳輸命令A(yù)（0），A（0）表示識(shí)別碰撞位最高位是0的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽組，識(shí)別方法如第5）步與第6）步所示，識(shí)別智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備全部標(biāo)簽，避免標(biāo)簽出現(xiàn)碰撞。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

將本文系統(tǒng)使用在某高校智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室中，在Microsoft Windows XP平臺(tái)中測(cè)試本文系統(tǒng)的使用性能，PC端主頻為2.0 GHz，內(nèi)存為4 GB，磁盤空間是320 GB，顯示器分辨率是1 024×769。

2.2 門禁模塊功能測(cè)試

已知該高校智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常出現(xiàn)斷網(wǎng)和掉電情況，統(tǒng)計(jì)本文系統(tǒng)門禁模塊在斷網(wǎng)與掉電模式中的故障次數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 門禁模塊功能測(cè)試結(jié)果

由圖5可知，10日內(nèi)，當(dāng)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)斷網(wǎng)或掉電情況時(shí)，該高校智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室使用本文系統(tǒng)后，門禁模塊故障次數(shù)為0次，表明本文系統(tǒng)門禁模塊可有效防止該高校智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)非法入侵行為。

2.3 傳感器模塊功能測(cè)試

為測(cè)試本文系統(tǒng)傳感器模塊功能，以該實(shí)驗(yàn)室的溫度計(jì)和濕度計(jì)實(shí)際采集的溫濕度信息為對(duì)比，測(cè)試本文系統(tǒng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)室溫濕度信息采集的精準(zhǔn)性，結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，本文系統(tǒng)傳感器模塊對(duì)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室溫濕度信息監(jiān)控結(jié)果與溫度計(jì)、濕度計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果差值最大值依次是0.1℃，0.4%RH，差值極小，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)傳感器模塊功能有效。

圖6 傳感器模塊功能測(cè)試結(jié)果

2.4 設(shè)備管理模塊功能測(cè)試

測(cè)試本文系統(tǒng)設(shè)備管理模塊在查詢智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備時(shí)的平均查詢周期為：

式中Mtotal是識(shí)別m個(gè)設(shè)備所耗費(fèi)的查詢周期。

設(shè)備管理模塊平均查詢周期計(jì)算結(jié)果如圖7所示。伴隨設(shè)備數(shù)量增多，該實(shí)驗(yàn)室未使用本文系統(tǒng)時(shí)，對(duì)設(shè)備查詢平均查詢周期數(shù)大于3個(gè)，使用本文系統(tǒng)后，對(duì)設(shè)備查詢的平均查詢周期數(shù)低于2個(gè)，降低幅度最大值為3.22個(gè)，表示本文系統(tǒng)可有效提升實(shí)驗(yàn)室設(shè)備查詢效率，本文系統(tǒng)設(shè)備管理模塊功能有效。

圖7 平均查詢周期計(jì)算結(jié)果

漢明損失值可表示本文系統(tǒng)在查詢實(shí)驗(yàn)室設(shè)備時(shí)錯(cuò)誤數(shù)量與全部數(shù)量之比，此值較小，代表本文系統(tǒng)對(duì)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備查詢功能較好。為了測(cè)試本文系統(tǒng)設(shè)備管理模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理效果，以漢明損失值為判斷指標(biāo)，測(cè)試本文系統(tǒng)在查詢?cè)搶?shí)驗(yàn)室中錄放卡（5個(gè)）、音箱（5個(gè)）、DVD（2個(gè)）、投影儀（1個(gè)）、耳機(jī)（32個(gè)）、耳麥（32個(gè)）6種設(shè)備時(shí)的漢明損失值，結(jié)果如圖8所示。

圖8 漢明損失值測(cè)試結(jié)果

從圖8可知，本文系統(tǒng)在查詢?cè)搶?shí)驗(yàn)室中6種設(shè)備時(shí)，漢明損失值最大值為0.03，最小值為0，值較小，表示本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確查詢智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，管理效果符合應(yīng)用需求。

2.5 系統(tǒng)性能測(cè)試

測(cè)試本文系統(tǒng)在管理智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室時(shí)的管理效果，以響應(yīng)時(shí)延為測(cè)試指標(biāo)，設(shè)定兩種情境：

情境1：并發(fā)用戶為8人，5人使用門禁卡進(jìn)入智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室，剩下3人使用門禁卡從智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室出去，測(cè)試此時(shí)本文系統(tǒng)在識(shí)別用戶身份時(shí)的響應(yīng)時(shí)延。

情境2：并發(fā)用戶為10人，6人在本文系統(tǒng)中下達(dá)查詢音箱數(shù)量指令，4人在本文系統(tǒng)中下達(dá)查詢?nèi)吭O(shè)備數(shù)量指令，測(cè)試此時(shí)本文系統(tǒng)在管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備時(shí)的響應(yīng)時(shí)延。

兩種情境中，本文系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)延測(cè)試結(jié)果如圖9所示。本文系統(tǒng)在兩種情境中響應(yīng)時(shí)延都低于1 s，響應(yīng)速度較高。

圖9 兩種情境響應(yīng)時(shí)延測(cè)試結(jié)果

測(cè)試本文系統(tǒng)軟件所采用的改進(jìn)二進(jìn)制防碰撞算法，在識(shí)別智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽信息時(shí)的吞吐量，以此判斷本文系統(tǒng)在管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備時(shí)的吞吐量，結(jié)果如圖10所示。分析圖10可知，伴隨智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽數(shù)量的增多，本文系統(tǒng)在識(shí)別智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽信息時(shí)，吞吐量最大值是98%，標(biāo)簽數(shù)量增多，吞吐量穩(wěn)定于95%，表示本文系統(tǒng)對(duì)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽數(shù)據(jù)的管理性能顯著。

圖10 本文系統(tǒng)吞吐量測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

以智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理問題為研究核心，設(shè)計(jì)基于RFID的智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)從門禁管理、設(shè)備管理以及環(huán)境管理三個(gè)方向著手，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室財(cái)產(chǎn)安全與環(huán)境安全。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，本文系統(tǒng)對(duì)智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室溫濕度信息監(jiān)控結(jié)果和溫度計(jì)、濕度計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果差值最大值依次是0.1℃，0.4%RH，差值極??；對(duì)設(shè)備查詢的平均查詢周期數(shù)低于2個(gè)，和未使用本文系統(tǒng)前相比，設(shè)備查詢的平均查詢周期數(shù)降低幅度最大值為3.22個(gè)；在查詢?cè)搶?shí)驗(yàn)室中6種設(shè)備時(shí)漢明損失值最大值為0.03，最小值為0；在兩種情境中的響應(yīng)時(shí)延都低于1 s；在識(shí)別智能語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室設(shè)備標(biāo)簽信息時(shí)，吞吐量最大值是98%，標(biāo)簽數(shù)量增多，吞吐量穩(wěn)定于95%，本文系統(tǒng)的使用價(jià)值較明顯。