CN103996097B - 一种基于无源rfid的实验室设备动态管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无源RFID的实验室设备动态管理系统，包括多个无源RFID标签、多个定位读写器、门禁/借还读写器和应用服务器；每个无源RFID标签具有唯一的ID号，各无源RFID标签贴在各实验室设备上，各个定位读写器安装在实验室内且各个定位读写器的射频信号覆盖整个实验室，门禁/借还读写器安装在实验室靠门处；应用服务器设置写标签模块、设置模块、查询模块、借还设备模块、定位模块和数据库。本发明解决了实验室设备积压、盲目查找的现存问题，能够实时监控设备流向、管理设备信息、方便查找，节省了人力物力，易于实验室中迅速确定所查找设备的位置。

Description

一种基于无源RFID的实验室设备动态管理系统

技术领域

本发明涉及无线射频技术领域，具体是一种基于无源RFID的实验室设备动态管理系统。

背景技术

仪器设备是高等学府赖以完成教学任务和科研项目必不可少的工具，因此，在高等学校的教学、经费等管理中占有特别重要的地位。仪器设备管理规范有序是保证教学任务与科研项目顺利进行的基础条件。全国重点高校，每年都会投入大量的资金引进设备器材，但传统的管理方式太依赖人工，缺少一种合理的管理方式，加上自身实验室设备大量购入，缺少统一管理，导致设备的积压；实验室设备交叉，想用某一样设备无法适时准确地找到它，给实验人员带来了不便，浪费了时间、人力、物力。这几种情况是广泛存在的，所以迫切需求一种可以管理实验室设备的系统。

射频识别技术因其简单的工作原理和唯一性的身份信息，在物品追踪与定位方面得到了越来越大的发展。RFID射频识别系统主要包括读写器、标签和应用软件系统。RFID技术的基本工作原理并不复杂，读写器发出一定频率和功率的射频信号，所在读取范围内的标签接收读写器发出的射频信号，凭借标签天线感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)，读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。以标签是否电池供电为划分标准RFID分无源和有源。有源标签价格比无源要贵很多，现在市场无源标签占大多数。

基于测距的定位方法有依据信号到达时间TOA，信号传播往返时间RTOF，信号达到的时间差TDOA，信号到达的角度AOA，接受信号强度RSSI。成熟的定位系统有：RADAR、SpotON、LANDMARC，RADAR是通过实验建立参考节点的信号特征数据库，现场测量时进行信号匹配完成定位；SpotON利用聚合算法减少信号强度误差，利用传播模型求解读写器与待定标签的距离，最后利用定位算法对目标三维空间定位；LANDMARC是目前比较成熟的定位技术，其原理是在二维平面设置参考标签，借助参考标签与目标标签的信号强度对比，强度值差别越小说明目标标签越靠近参考标签，从而实现定位，这种方法可以有效的避免空间环境的各种因素的影响，但是在立体空间的定位有局限性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于无源RFID的实验室设备动态管理系统。

本发明的技术方案是：

一种基于无源RFID的实验室设备动态管理系统，包括多个RFID标签、多个定位读写器、门禁/借还读写器和应用服务器；

每个无源RFID标签具有唯一的ID号，各无源RFID标签贴在各实验室设备上，各个定位读写器安装在实验室内且各个定位读写器的射频信号覆盖整个实验室，门禁/借还读写器安装在实验室靠门处；

所述无源RFID标签的ID号作为该实验室设备的ID号，与设备名称、购买时间、所属实验室、设备管理员、设备国别、设备供应商、设备单价一同作为实验室设备信息存入应用服务器的数据库，无源RFID标签的ID号用作查询该设备的关键字，无源RFID标签用于接收定位读写器发出的读/写标签命令；

所述定位读写器用于根据应用服务器指令向无源RFID标签发送读标签命令、对无源RFID标签进行读操作、接收无源RFID标签反馈的射频信号，并根据该射频信号获取该无源RFID标签的ID号和射频信号强度，将获取的信息发送至应用服务器；

所述门禁/借还读写器包括门禁模式和借还模式，当实验室设备未经借还操作即门禁模式时，门禁/借还读写器处于定时触发读标签状态，门禁/借还读写器检测到无源RFID标签出入实验室时识别无源RFID标签的ID号，并将该ID号对应的实验室设备的名称和出入实验室的时间记录到数据库提供报警信息查询；当实验室设备需要借还时，门禁/借还读写器切换至借还模式，读取需要借还的实验室设备的ID号，将该ID号对应的实验室设备的名称、借还时间、借还人员记录到数据库提供借还信息查询；

所述应用服务器用于对无源RFID标签进行写操作、对定位读写器和门禁/借还读写器进行参数设置、查询和录入无源RFID标签及其对应的实验室设备信息和设备管理员信息，根据门禁/借还读写器在借还模式下读取的需要借还的实验室设备的ID号生成实验室设备借还信息，根据门禁/借还读写器在门禁模式下检测到的无源RFID标签出入实验室时的无源RFID标签的ID号，生成实验室设备报警信息，并根据空间坐标系和收发多功率信号强度矩阵得到无源RFID标签的坐标，完成实验室设备定位。

所述应用服务器设置若干功能模块，包括写标签模块、设置模块、查询模块、借还设备模块、定位模块和数据库；

所述写标签模块用于写入新进实验室设备对应的无源RFID标签的ID号，将该标签的ID号作为该实验室设备的ID号，与设备名称、购买时间、所属实验室、设备管理员、设备国别、设备供应商和设备单价一同作为实验室设备信息存入数据库；

所述设置模块提供用户的操作权限，包括写标签、数据库信息更改、查询设备和读写器参数设置；

所述查询模块用于进行实验室设备信息查询、报警信息查询和借还信息查询；

所述借还设备模块用于在需要借还实验室设备时将门禁/借还读写器的工作模式从门禁模式更改成借还模式，并根据需要借还的实验室设备的ID号和借还时间生成实验室设备借还信息；

所述定位模块用于根据定位读写器读取的无源RFID标签的ID号和获得的无源RFID标签反射回来的射频信号强度进行实验室设备定位；

所述数据库用于存储实验室设备信息和设备管理员信息。

所述定位模块按如下步骤进行实验室设备定位：

步骤1：将实验室进行空间直角坐标化，x，y，z分别代表实验室的长、宽、高，m个定位读写器在实验室内的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)…(x_m，y_m，z_m)；

步骤2：确定要定位的实验室设备的名称，根据该名称确定要定位的实验室设备的ID号；

步骤3：利用多功率扫描和RSSI相结合的方法进行实验室设备定位；

步骤3.1：对m个定位读写器分别设置功率，功率范围：1～36dBm；

其中，P_Rt为各定位读写器的功率取值的矩阵，P_mn为第m个定位读写器的第n个功率取值；

步骤3.2：各定位读写器在不同功率下读取要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度；

其中，P′_Rr为要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度值矩阵，P′_mn为第m个定位读写器接收到无源RFID标签反射回来的第n个射频信号强度值；

步骤3.3：各定位读写器在不同功率下读取要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度时，若无法识别到无源RFID标签，则将该功率下对应的RSSI空值视为无效，排除RSSI空值点；

步骤3.4：根据RSSI模型计算无源RFID标签与各定位读写器的距离D＝(d₁，d₂…d_n)；

RSSI模型如下：

P′_Rr＝10log(P_Rt)-20(n′+1)log(d_n)+C

其中，d_n为无源RFID标签在第n个射频信号强度值下的定位距离，G_Rt、G_Tag、G_Rr分别表示定位读写器的天线发射增益、无源RFID标签的天线增益和定位读写器的天线接受的增益，λ为波长；d₀为任意的参考距离，P_loss(d₀)是距离d₀的自由空间路径损耗，X_σ是均值为0、方差是σ²的高斯分布随机数，单位是dB，X_σ用于模拟的室内无线电信号传播的随机性质，各种环境的影响因素；Loss为射频输出端与天线馈源之间的馈线损耗；n′是路径损耗因子；

步骤3.5：根据无源RFID标签与各定位读写器的距离确定无源RFID标签的坐标(x′，y′，z′)，其中，d_mn为第m个定位读写器与无源RFID标签在第n个射频信号强度值下的定位距离；

步骤3.6：判断是否确定出无源RFID标签坐标，是，则执行步骤3.7，否则返回步骤3.1，重新对m个定位读写器分别设置功率；

步骤3.7：在步骤1中建立的实验室空间直角坐标中，标出计算出的各个无源RFID标签的坐标位置，显示实验室的空间定位图，图中坐标最密集的位置为无源RFID标签的定位位置；

步骤3.8：根据计算n个射频信号强度值下的无源RFID标签的坐标之间距离的平均值；

其中，x′_i表示第i个射频信号强度值下无源RFID标签的横坐标值，x′_j表示第j个射频信号强度值下无源RFID标签的横坐标值，并判断误差是否小于等于0.5米，是，则当前计算的无源RFID标签的坐标即定位结果，否则返回步骤3.1，重新对m个定位读写器分别设置功率。

有益效果：

(1)解决了实验室设备积压、盲目查找的现存问题，能够实时监控设备流向、管理设备信息、方便查找，节省了人力物力；

(2)使用市场占用份额较大的无源RFID标签，产品一致化程度高，且成本低廉；

(3)结合电磁波空间链路计算和多路径损耗，用实验确定损耗因子，使损耗经验公式更加符合实际环境，具有实用性；

(4)多功率扫描避免了射频信号的不稳定性和检测不到目标标签的情况，这样多次调整读写器的功率，得到多组测量结果，使定位结果更具一般性模具有说服力；

(5)RSSI易于获得，定位有很好的实时性；

(6)空间绘图显示标签位置，更直观，易于实验室中迅速确定所查找设备的位置。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的基于无源RFID的实验室设备动态管理系统拓扑结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的报警信息记录流程图；

图3为本发明具体实施方式的借还设备流程图；

图4为本发明具体实施方式的实验室1的示意图；

图5为本发明具体实施方式的实验室2和3的示意图；

图6为本发明具体实施方式的实验室4的示意图；

图7为本发明具体实施方式的实验室设备定位流程图；

图8为本发明具体实施方式的多读写器功率设置顺序流程图；

图9为本发明具体实施方式的某一功率下空间定位原理示意图；

图10为本发明具体实施方式的空间定位仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示的基于无源RFID的实验室设备动态管理系统，包括多个RFID标签、多个定位读写器、门禁/借还读写器和应用服务器；

每个无源RFID标签具有唯一的ID号，各无源RFID标签贴在各实验室设备上，各个定位读写器安装在实验室内，调整定位读写器的倾斜角，使各个定位读写器的射频信号覆盖整个实验室，门禁/借还读写器安装在实验室靠门处；

无源RFID标签的ID号作为该实验室设备的ID号，与设备名称、购买时间、所属实验室、设备管理员、设备国别、设备供应商、设备单价一同作为实验室设备信息存入应用服务器的数据库，无源RFID标签的ID号用作查询该设备的关键字，无源RFID标签用于接收定位读写器发出的读/写标签命令；

定位读写器用于根据应用服务器指令向无源RFID标签发送读标签命令、对无源RFID标签进行读操作、接收无源RFID标签反馈的射频信号，并根据该射频信号获取该无源RFID标签的ID号和射频信号强度，将获取的信息发送至应用服务器；

门禁/借还读写器包括门禁模式和借还模式，当实验室设备未经借还操作即门禁模式时，门禁/借还读写器处于定时触发读标签状态，门禁/借还读写器检测到无源RFID标签出入实验室时识别无源RFID标签的ID号，并将该ID号对应的实验室设备的名称和出入实验室的时间记录到数据库提供报警信息查询；当实验室设备需要借还时，门禁/借还读写器切换至借还模式，读取需要借还的实验室设备的ID号，将该ID号对应的实验室设备的名称、借还时间、借还人员记录到数据库提供借还信息查询；

定位读写器、门禁/借还读写器均采用无源超高频RFID读写器；

应用服务器用于对无源RFID标签进行写操作、对定位读写器和门禁/借还读写器进行参数设置、查询和录入无源RFID标签及其对应的实验室设备信息和设备管理员信息，根据门禁/借还读写器在借还模式下读取的需要借还的实验室设备的ID号生成实验室设备借还信息，根据门禁/借还读写器在门禁模式下检测到的无源RFID标签出入实验室时的无源RFID标签的ID号，生成实验室设备报警信息，并根据空间坐标系和收发多功率信号强度矩阵得到无源RFID标签的坐标，完成实验室设备定位。

应用服务器设置若干功能模块，包括写标签模块、设置模块、查询模块、借还设备模块、定位模块和数据库；

写标签模块用于写入新进实验室设备对应的无源RFID标签的ID号，将该标签的ID号作为该实验室设备的ID号，与设备名称、购买时间、所属实验室、设备管理员、设备国别、设备单价一同作为实验室设备信息存入数据库；

设置模块提供用户的操作权限，包括写标签、数据库信息更改、查询设备和读写器参数设置；

读写器参数设置包括波特率、串口号、模式选择、功率、读标签方式和频率。应用服务器与读写器进行通信的前提是波特率和串口号要相互统一，10个串口号：COM1-COM10，4种波特率：19200、38400、57600、115200。

模式选择包括：

(1)主从模式：读写器将根椐应用服务器不同的命令来做不同的响应，比如写标签、读标签存储区内容操作；

(2)定时模式：读写器将根据所设定的时间间隔，以主动方式去间歇读标签，并将读到的标签号上传给应用服务器串口，在此模式下即使脱离应用服务器，也能按既定方式独立进行工作，将定时模式运用在门禁模式，即门禁/借还读写器的门禁模式，实时监控实验室设备出入情况。

功率设置包括设置发射功率大小，范围1-255，根据平均值分配，7对应1dBm，14对应2dBm。

读标签方式包括：

(1)单标签：应用在读写器读写有效范围内只出现单张标签的环境。读写器内部将不启动防冲突读标签模式，每次只读一张标签。

(2)多标签：应用在多张标签同时出现场合。

频率设置：设定范围902MHZ-927MHZ，共50个频点，频率确定，即可根据波长计算公式求出波长，作为定位的已知量。

查询模块用于进行实验室设备信息查询、报警信息查询和借还信息查询；实验室设备信息在写标签的时候已经录入数据库，包括设备ID号、设备名称、用途、出厂日期、所属实验室、价格、购买时间，同时还提供设备借还信息和报警信息查询，这些信息与自然信息不同，是RFID检测记录，在数据库中提供报表查询。

报警信息的记录主要是实验室设备在未经借还登记时，对出入实验室的设备进行报警信息记录，达到实时动态的监控管理目的。报警信息记录通过门禁/借还读写器实现，设置定时触发读标签，调整该读写器的功率在1-2dBm，短距离识别标签。

报警信息记录流程如图2所示，门禁/借还读写器定时读无源RFID标签，当检测到有标签时，判断该标签是否有借出登记，如未经借出登记，则生成报警记录，如已经过借出登记，则不记录报警信息。

借还设备模块用于在需要借还实验室设备时将门禁/借还读写器的工作模式从门禁模式更改成借还模式，并根据需要借还的实验室设备的ID号和借还时间生成实验室设备借还信息；

借还功能和门禁功能使用同一个读写器，即门禁/借还读写器，不需要借还登记时，读写器处于定时模式(门禁模式)，每隔1秒触发一次，对出入实验室门口的设备无源RFID标签进行读取，并将信息及时传送到数据库，该设备的ID号同时记录在报警信息报表中，实现对实验室流动设备的实时监控。

当需要借还登记的时候，退出实时监控报警模式(门禁模式)，切换到借还模式，此时默认为小功率值0.01dBm，近距离读无源RFID标签。借还设备流程如图3所示，若当前为借设备操作，则将需要借出的设备放入门禁/借还读写器读取范围内，确认需要借出的设备数量后，登记借出人员的信息，同时在数据库中更新，若当前为还设备操作，则将要还回的设备放入门禁/借还读写器读取范围内，确认还回的设备数量后，在数据库中更新。

用户借设备过程：将要借的设备所贴无源RFID标签正对门禁/借还读写器，门禁/借还读写器可以一次读入多个设备的无源RFID标签信息，并将信息及时传送到数据库，确认所借设备的具体信息，该设备信息同步更新为已借出，并对借设备用户的信息和借出时间生成信息列表，提供打印和查询。如果借设备信息显示有误，用户可以重新对无源RFID标签进行扫描。

用户还设备过程：当用户进入实验室入口门禁/借还读写器的射频范围时，门禁/借还读写器将读取设备无源RFID标签的信息，然后将信息传输给应用服务器，由应用服务器记录设备ID号查询并确认这些设备是否属于本实验室所借。若设备信息与数据库中相符则认为有效，应用服务器根据设备ID号，显示用户还设备信息，用户确认无误后，即可还设备。

定位模块用于根据定位读写器读取的无源RFID标签的ID号和获得的无源RFID标签反射回来的射频信号强度进行实验室设备定位；

首先根据实验室的环境考虑安装读写器的位置和数量，前提保证在信号完全覆盖的情况下，定位读写器使用最少，达到经济节省的目的。

在定位之前的准备工作：安置好定位读写器之后，将实验室空间划分区域，用空间直角坐标系模拟出来，将室内空间进行空间直角坐标化，x，y，z分别代表实验室的长、宽、高(6m≤x≤12m，1m≤y≤5m，2m≤z≤3m)，合理安置读写器位置，确定m个定位读写器在空间的坐标(2≤m≤4)：(x₁，y₁，z₁)…(x_m，y_m，z_m)

(x₁，y₁，z₁)表示第1个定位读写器的空间坐标；

(x_m，y_m，z_m)表示第m个定位读写器的空间坐标。

记录定位读写器所在位置的坐标，作为定位的已知量。

设置定位读写器为主从方式工作，固定频率，多功率顺序调节，定位读写器依次触发读标签。

现在以4个不同环境的实验室为例，说明实验室设备动态管理系统的定位读写器、门禁/借还读写器的安置位置和具体参数设置。

实验室1

基本情况：长12m，宽5m，高3m；专门放设备的实验室，设备数量50～100台；几乎无人员走动，无墙壁、金属板的影响。

实施方法：设置5个读写器，4个用做定位读写器，编号及坐标分别为：A₁＝(0，0，3)，A₂＝(12，0，3)，A₃＝(12，5，3)，A₄＝(0，5，3)，门禁/借还读写器A₅放置在门口，房间平面图如图4。

具体参数设置：4个定位读写器功率设置为：255、240、230、220、210、200、190、180、170、160，该4个读写器依次触发读标签，功率由大到小分10档自动调整。

G_Rt＝12dBi，G_Tag＝12dBi，G_Rr＝12dBi，λ＝0.32，X_σ＝0.1dBm，n＝0.1。

实验室2

基本情况：长5m，宽2m，高3m；专门放设备的实验室，设备数量20～30台；几乎无人员走动，无墙壁、金属板的影响。

实施方法：设置2个读写器，2个均用于定位，编号及坐标分别为：B₁＝(0，0，3)，B₂＝(5，2，3)，房间平面图如图5。

具体参数设置：2个定位读写器功率设置为：255、240、230、220、210、200、190、180、170、160，2个读写器依次激发读标签，功率由大到小分10档自动调整。

G_Rt＝12dBi，G_Tag＝12dBi，G_Rr＝12dBi，λ＝0.32，X_σ＝0.1dBm，n＝0.1。

实验室3

基本情况：长8m，宽4m，高3m；有人员有设备的实验室，设备数量5～10台；有实验桌和台式电脑，无墙壁、金属板的影响。

实施方法：设置4个读写器，3个用做定位读写器，编号及坐标分别为：C₁＝(0，0，3)，C₂＝(8，4，3)，C₃＝(0，4，0)，门禁/借还读写器C₄放置在门口，房间平面图如图5。

具体参数设置：3个定位读写器功率设置为：255、240、230、220、210、200、190、180、170、160，3个定位读写器依次激发读标签，功率由大到小分10档自动调整。

G_Rt＝12dBi，G_Tag＝12dBi，G_Rr＝12dBi，λ＝0.32，X_σ＝-5dBm，n＝0.3。

实验室4

基本情况：长8m，宽8m，高3m；有人员有设备的实验室，设备数量20～40台；有实验桌、台式电脑和玻璃隔板，无金属板的影响。

实施方法：设置5个读写器，4个用做定位读写器，编号及坐标分别为：D₁＝(0，0，3)，D₂＝(8，0，3)，D₃＝(8，8，3)，D₄＝(0，8，3)，门禁/借还读写器D₅放置在门口，房间平面图如图6。

具体参数设置：4个定位读写器功率设置为：255、240、230、220、210、200、190、180、170、160，4个定位读写器依次激发读标签，功率由大到小分10档自动调整。

G_Rt＝12dBi，G_Tag＝12dBi，G_Rr＝12dBi，λ＝0.32，X_σ＝5dBm，n＝0.5。

本实施方式根据室内具体情况，人员流动、障碍物遮挡一些影响射频信号损耗的因素，合适的调整多路径损耗因子n和高斯分布随机数X_σ，可以有效的减小环境因素的影响，使室内定位更具精确性和实用性。

数据库用于存储实验室设备信息和设备管理员信息。

定位模块按如下步骤进行实验室设备定位，如图7所示：

步骤1：将实验室进行空间直角坐标化，x，y，z分别代表实验室的长、宽、高，m个定位读写器在实验室内的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)…(x_m，y_m，z_m)，2≤m≤4；

步骤2：确定要定位的实验室设备的名称，根据该名称确定要定位的实验室设备的ID号；

步骤3：利用多功率扫描和RSSI相结合的方法进行实验室设备定位；实验室空间定位模拟如图7。

步骤3.1：对m个定位读写器分别设置功率，功率范围：1～36dBm；

其中，P_Rt为各定位读写器的功率取值的矩阵，P_mn为第m个定位读写器的第n个功率取值，1dBm≤P_Rt≤36dBm，1≤n≤255；

读写器通信协议规定十六进制Ox00～OxFF对应的十进制取值范围0～255，软件设置7表示1dBm，14表示2dBm，每增加1功率值增加7dBm。

步骤3.2：各定位读写器在不同功率下读取要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度；

其中，P′_Rr为要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度值矩阵，P′_mn为第m个定位读写器接收到无源RFID标签反射回来的第n个射频信号强度值；

读写器功率设置是定位能够实现的保证，如图8所示，由于是多读写器，要使读写器顺序触发读标签，同时记录下读写器功率设置的值和标签返回的信号强度。把这些功率值放到数据寄存器中，待多读写器读标签完成，将这些数据通过定位模块完成计算达到要求的目的。这样可以防止读写器射频信号读取错误，给系统定位带来误差。

步骤3.3：各定位读写器在不同功率下读取要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度时，若无法识别到无源RFID标签，则将该功率下对应的RSSI空值视为无效，排除RSSI空值点；

在调整功率读标签时，若标签距离读写器较远或者暂时受到环境因素干扰，可能无法读标签，将该功率下对应的空值认为无效，不参与到定位。

当绘制目标标签位置较为散乱，无法准确的找出定位位置，要重新进行读写器功率功率的设置和读标签。

步骤3.4：根据RSSI模型计算无源RFID标签与各定位读写器的距离D＝(d₁，d₂…d_n)；

RSSI模型如下：

P′_Rr＝10log(P_Rt)-20(n′+1)log(d_n)+C

其中，d_n为无源RFID标签在第n个射频信号强度值下的定位距离，G_Rt、G_Tag、G_Rr分别表示定位读写器的天线发射增益、无源RFID标签的天线增益和定位读写器的天线接受的增益，G_Rt≥12dBi，G_Tag≥12dBi，G_Rr≥12dBi，λ为波长(0.32m≤λ≤0.35m)；d₀为任意的参考距离，通常取1米，P_loss(d₀)是距离d₀的自由空间路径损耗，用实验可测得，P_loss(d₀)＝0.1dBm；X_σ是均值为0、方差是σ²的高斯分布随机数，单位是dB，X_σ用于模拟的室内无线电信号传播的随机性质，各种环境的影响因素如多路径，障碍物，标签的方向和读写器与标签之间的移动物体，其值的大小也可由实验测得，经验值为-10dBm～10dBm；Loss为射频输出端与天线馈源之间的馈线损耗，可由实验测得，取平均值为1dBm；n′是路径损耗因子，0.1≤n′≤0.5，在反向散射调制方案中，相同环境下，路径损耗因子大约是单路径的两倍(不考虑读写器标签碰撞的影响)，结合电磁波空间链路计算和多路径损耗，用实验确定损耗因子，使损耗经验公式更加符合实际环境，具有实用性。

步骤3.5：根据无源RFID标签与各定位读写器的距离确定无源RFID标签的坐标(x′，y′，z′)，其中，d_mn为第m个定位读写器与无源RFID标签在第n个射频信号强度值下的定位距离；

步骤3.6：判断是否确定出无源RFID标签坐标，即判断是否有解，是，则执行步骤3.7，否则返回步骤3.1，重新对m个定位读写器分别设置功率；

步骤3.7：在步骤1中建立的实验室空间直角坐标中，标出计算出的各个无源RFID标签的坐标位置，显示实验室的空间定位图，如图9是某一功率下的空间定位原理示意图，根据步骤3.6确定定位目标的空间位置；多功率扫描定位会产生多个空间中的定位点，图中坐标最密集的位置即为无源RFID标签的定位位置，如图10为空间定位仿真示意图，标签估测位置最密集的地方接近标签的实际位置，可以实现定位功能。

步骤3.8：根据计算n个射频信号强度值下的无源RFID标签的坐标之间距离的平均值；

其中，x′_i表示第i个射频信号强度值下无源RFID标签的横坐标值，x′_j表示第j个射频信号强度值下无源RFID标签的横坐标值，并判断误差是否小于等于0.5米，是，则当前计算的无源RFID标签的坐标即定位结果，否则返回步骤3.1，重新对m个定位读写器分别设置功率。

Claims (3)

1.一种基于无源RFID的实验室设备动态管理系统，其特征在于：包括多个无源RFID标签、多个定位读写器、门禁/借还读写器和应用服务器；

每个无源RFID标签具有唯一的ID号，各无源RFID标签贴在各实验室设备上，各个定位读写器安装在实验室内且各个定位读写器的射频信号覆盖整个实验室，门禁/借还读写器安装在实验室靠门处；

所述无源RFID标签的ID号作为该实验室设备的ID号，与设备名称、购买时间、所属实验室、设备管理员、设备国别、设备供应商、设备单价一同作为实验室设备信息存入应用服务器的数据库，无源RFID标签的ID号用作查询该设备的关键字，无源RFID标签用于接收定位读写器发出的读/写标签命令；

所述定位读写器用于根据应用服务器指令向无源RFID标签发送读标签命令、对无源RFID标签进行读操作、接收无源RFID标签反馈的射频信号，并根据该射频信号获取该无源RFID标签的ID号和射频信号强度，将获取的信息发送至应用服务器；

所述门禁/借还读写器包括门禁模式和借还模式，当实验室设备未经借还操作即门禁模式时，门禁/借还读写器处于定时触发读标签状态，门禁/借还读写器检测到无源RFID标签出入实验室时识别无源RFID标签的ID号，并将该ID号对应的实验室设备的名称和出入实验室的时间记录到数据库提供报警信息查询；当实验室设备需要借还时，门禁/借还读写器切换至借还模式，读取需要借还的实验室设备的ID号，将该ID号对应的实验室设备的名称、借还时间、借还人员记录到数据库提供借还信息查询；

所述应用服务器用于对无源RFID标签进行写操作、对定位读写器和门禁/借还读写器进行参数设置、查询和录入无源RFID标签及其对应的实验室设备信息和设备管理员信息，根据门禁/借还读写器在借还模式下读取的需要借还的实验室设备的ID号生成实验室设备借还信息，根据门禁/借还读写器在门禁模式下检测到的无源RFID标签出入实验室时的无源RFID标签的ID号，生成实验室设备报警信息，并根据空间坐标系和收发多功率信号强度矩阵得到无源RFID标签的坐标，完成实验室设备定位。

2.根据权利要求1所述的基于无源RFID的实验室设备动态管理系统，其特征在于：所述应用服务器设置若干功能模块，包括写标签模块、设置模块、查询模块、借还设备模块、定位模块和数据库；

所述写标签模块用于写入新进实验室设备对应的无源RFID标签的ID号，将该标签的ID号作为该实验室设备的ID号，与设备名称、购买时间、所属实验室、设备管理员、设备国别、设备供应商和设备单价一同作为实验室设备信息存入数据库；

所述设置模块提供用户的操作权限，包括写标签、数据库信息更改、查询设备和读写器参数设置；

所述查询模块用于进行实验室设备信息查询、报警信息查询和借还信息查询；

所述借还设备模块用于在需要借还实验室设备时将门禁/借还读写器的工作模式从门禁模式更改成借还模式，并根据需要借还的实验室设备的ID号和借还时间生成实验室设备借还信息；

所述定位模块用于根据定位读写器读取的无源RFID标签的ID号和获得的无源RFID标签反射回来的射频信号强度进行实验室设备定位；

所述数据库用于存储实验室设备信息和设备管理员信息。

3.根据权利要求2所述的基于无源RFID的实验室设备动态管理系统，其特征在于：所述定位模块按如下步骤进行实验室设备定位：

步骤1：将实验室进行空间直角坐标化，x，y，z分别代表实验室的长、宽、高，m个定位读写器在实验室内的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)…(x_m，y_m，z_m)；

步骤2：确定要定位的实验室设备的名称，根据该名称确定要定位的实验室设备的ID号；

步骤3：利用多功率扫描和RSSI相结合的方法进行实验室设备定位；

步骤3.1：对m个定位读写器分别设置功率，功率范围：1～36dBm；

其中，P_Rt为各定位读写器的功率取值的矩阵，P_mn为第m个定位读写器的第n个功率取值；

步骤3.2：各定位读写器在不同功率下读取要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度；

其中，P′_Rr为要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度值矩阵，P′_mn为第m个定位读写器接收到无源RFID标签反射回来的第n个射频信号强度值；

步骤3.3：各定位读写器在不同功率下读取要定位的实验室设备对应的无源RFID标签反射回来的射频信号强度时，若无法识别到无源RFID标签，则将该功率下对应的RSSI空值视为无效，排除RSSI空值点；

步骤3.4：根据RSSI模型计算无源RFID标签与各定位读写器的距离D＝(d₁，d₂…d_n)；

RSSI模型如下：

P′_Rr＝10log(P_Rt)-20(n′+1)log(d_n)+C

$C=10log\[\frac{G_{Rt}{G^2}_{Tag}{G}_{Rr}{\mathrm{\λ}}^4}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2}\]-2P_{loss}\left(d_0\right)-X_{\mathrm{\σ}}\left(dB\right)-Loss$

其中，d_n为无源RFID标签在第n个射频信号强度值下的定位距离，G_Rt、G_Tag、G_Rr分别表示定位读写器的天线发射增益、无源RFID标签的天线增益和定位读写器的天线接受的增益，λ为波长；d₀为任意的参考距离，P_loss(d₀)是距离d₀的自由空间路径损耗，X_σ是均值为0、方差是σ²的高斯分布随机数，单位是dB，X_σ用于模拟的室内无线电信号传播的随机性质，各种环境的影响因素；Loss为射频输出端与天线馈源之间的馈线损耗；n′是路径损耗因子；

步骤3.5：根据无源RFID标签与各定位读写器的距离确定无源RFID标签的坐标(x′，y′，z′)，其中，d_mn为第m个定位读写器与无源RFID标签在第n个射频信号强度值下的定位距离；

步骤3.6：判断是否确定出无源RFID标签坐标，是，则执行步骤3.7，否则返回步骤3.1，重新对m个定位读写器分别设置功率；

步骤3.7：在步骤1中建立的实验室空间直角坐标中，标出计算出的各个无源RFID标签的坐标位置，显示实验室的空间定位图，图中坐标最密集的位置为无源RFID标签的定位位置；

步骤3.8：根据计算n个射频信号强度值下的无源RFID标签的坐标之间距离的平均值；

$\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{({x^{\′}}_i-{x^{\′}}_j)}^2+{({y^{\′}}_i-{y^{\′}}_j)}^2+{({z^{\′}}_i-{z^{\′}}_j)}^2}}{G_n^2}$

其中，x′_i表示第i个射频信号强度值下无源RFID标签的横坐标值，x′_j表示第j个射频信号强度值下无源RFID标签的横坐标值，并判断误差是否小于等于0.5米，是，则当前计算的无源RFID标签的坐标即定位结果，否则返回步骤3.1，重新对m个定位读写器分别设置功率。