基于LABVIEW 8.0的RFID超聲波定位系統(tǒng)的開發(fā)

0 引言

虛擬儀器是當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)，它代表了未來(lái)儀器技術(shù)的發(fā)展方向。LabVIEW是虛擬儀器概念的首創(chuàng)者。它不僅僅是一種編程語(yǔ)言，從測(cè)量和自動(dòng)化到實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，再到通用場(chǎng)合。而且LabVIEW還具有對(duì)FPGA編程下載的能力，所以LabVIEW也是一個(gè)硬件設(shè)計(jì)工具 。

RFID定位與跟蹤系統(tǒng)主要是利用標(biāo)簽對(duì)物體的唯一標(biāo)識(shí)特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量物品的空間位置。RFID技術(shù)所具備的遠(yuǎn)距離存取，高速辨識(shí)及資料讀出寫入等能力，相當(dāng)受到各產(chǎn)業(yè)重視，應(yīng)用領(lǐng)域包括物流，零售，制造業(yè)，軍事，服裝業(yè)，醫(yī)療，身份識(shí)別，防偽，交通等等。但是單純的RFID系統(tǒng)存在兩個(gè)問題：一個(gè)問題是利用射頻信號(hào)的強(qiáng)度定位，精度較低，而且針對(duì)研發(fā)該技術(shù)的方案，常受限于封閉式的硬件量測(cè)架構(gòu)。另一個(gè)問題是使用GPIB界面的儀器，其數(shù)據(jù)傳輸也相當(dāng)緩慢。無(wú)法對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

為了解決第一個(gè)問題，開發(fā)了RFID-超聲波定位系統(tǒng)。 即以報(bào)時(shí)方式構(gòu)建射頻觸發(fā)-超聲波定位系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)且成本低；定位精度高，容錯(cuò)性能好；標(biāo)簽體積小，可以附著在任何需要定位的物體上；除了被定位物體策動(dòng)定位請(qǐng)求外，還允許外部網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)定位請(qǐng)求和監(jiān)控被定位物體。

在可以實(shí)現(xiàn)射頻觸發(fā)-超聲波定位的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入NI的虛擬儀器控制架構(gòu)，使得RFID-超聲波定位測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)成為可能，并可進(jìn)行物理層，協(xié)議層及系統(tǒng)仿真等多項(xiàng)功能，且由于NI虛擬儀器控架構(gòu)具有高彈性及擴(kuò)充性，它不但能和企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)線流程緊密結(jié)合，也能針對(duì)客制化的需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存取、Word或Excel報(bào)表產(chǎn)生、遠(yuǎn)程監(jiān)控，或者是和其它軟件進(jìn)行搭配等系統(tǒng)整合作業(yè)。

1 硬件設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽（Tag），由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼（ID號(hào)），附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；閱讀器（Reader），讀取（有時(shí)還可寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備；天線（Antenna），在標(biāo)簽和讀取器間傳遞信號(hào) 。

RFID-超聲波定位系統(tǒng)是在RFID的基礎(chǔ)上加上超聲波發(fā)射接受電路而得到的?；驹硎侵鳈C(jī)通過(guò)串行口向讀寫器寫命令，由讀頭向標(biāo)簽發(fā)出射頻觸發(fā)信號(hào)，開啟有源標(biāo)簽的超聲波接收電路，然后讀頭發(fā)出超聲波。等待接收返回波。利用音速較慢的特性，可以準(zhǔn)確的量測(cè)出讀頭和標(biāo)簽之間的距離。在已知其中3個(gè)讀頭的空間坐標(biāo)和利用超聲波測(cè)得每個(gè)讀頭到標(biāo)簽的距離，就可求出標(biāo)簽的3D位置 。根據(jù)試驗(yàn)，定位精度可以達(dá)到公分等級(jí)。系統(tǒng)外觀示意圖見圖1.1。

圖1.1 定位系統(tǒng)外觀示意圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 串口通信

LABVIEW提供了豐富的儀器控制功能，針對(duì)串行口通信提供了具有完整功能的組件，利用圖形化編程語(yǔ)言―G語(yǔ)言的直觀，快捷的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)功能模塊的組合和連接可以比較方便的開發(fā)出適合各種不同通信協(xié)議的串行口通信程序。VISA是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O軟件規(guī)范的總稱。它是一個(gè)API（應(yīng)用程序接口），通過(guò)調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制儀器，向串行口讀寫數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)硬件模塊的控制 。

（1）用VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)初始化串口

串口設(shè)置為：使用串行口COM1，波特率38400bit/s，數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。無(wú)握手信號(hào)。

（2）用VISA Write節(jié)點(diǎn)向標(biāo)簽發(fā)送命令

RFID―超聲波定位系統(tǒng)有三個(gè)命令字符，第一個(gè)是使讀寫器搜尋有效范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽，并返回讀到的ID號(hào)；第二個(gè)是使某個(gè)標(biāo)簽的LED點(diǎn)亮或者熄滅；第三個(gè)命令是測(cè)量某一個(gè)讀頭到某一標(biāo)簽的空間距離。

（3）用VISA Read節(jié)點(diǎn)從讀頭緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)

當(dāng)通過(guò)VISA Write節(jié)點(diǎn)向標(biāo)簽發(fā)送返回ID號(hào)命令時(shí)，用VISA Read節(jié)點(diǎn)從讀頭緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)是ID號(hào)字符串，因?yàn)闀?huì)經(jīng)歷幾個(gè)完整的搜尋過(guò)程，所以返回的ID號(hào)會(huì)發(fā)生重復(fù)，需要進(jìn)行重號(hào)過(guò)濾。每個(gè)ID號(hào)的第一位代表標(biāo)簽所在地的能量等級(jí)（按照距離讀頭的距離，劃分為4級(jí)）。

讀頭向標(biāo)簽發(fā)射超聲波，系統(tǒng)15位計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。直到接收返回的超聲波停止計(jì)時(shí)。從緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)就是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。根據(jù)計(jì)數(shù)值（可計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間）和光速計(jì)算出標(biāo)簽與讀頭之間的距離。從而知道超聲波在空中傳播的距離。 即讀頭到標(biāo)簽的空間距離。

（4）結(jié)束程序，關(guān)閉VISA。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）分離ID號(hào)字符串

根據(jù)返回字符串的格式，去除第一位空格位，第二位功率位，濾除重復(fù)ID號(hào)，得到有效范圍內(nèi)所有ID號(hào)。

圖1.2 分離ID字符串程序框圖

（2）空間坐標(biāo)系3點(diǎn)定位

超聲波定位的基本概念既是三點(diǎn)定位方式，利用空間已知三個(gè)點(diǎn)到待測(cè)物的距離，利用三角與幾何的關(guān)系即可求解出待測(cè)物在空間的坐標(biāo) 。

當(dāng)3個(gè)讀頭在不同位置時(shí)，這個(gè)3元2次方程的通解是不同的。為了實(shí)現(xiàn)讀頭位置的無(wú)限制擺放，利用數(shù)學(xué)方法。解出所有解的情況，利用LABVIEW中的公式節(jié)點(diǎn)和CASE 語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)了在讀頭任意擺放的情況下，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位。

2.3 從VC中調(diào)用LABVIEW語(yǔ)言開發(fā)的程序

LABVIEW作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，以其編程方便，功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活在測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用日漸廣泛，但是它畢竟是一門新興的工具軟件，還有許多不足。LABVIEW中的DLL節(jié)點(diǎn)在LABVIEW與其他語(yǔ)言之間架起資源互動(dòng)的橋梁。

LabVIEW8.0可以建造動(dòng)態(tài)庫(kù)(DLL)，DLL文件完全可以在VC或VB中進(jìn)行調(diào)用，因此可以通過(guò)一種間接的辦法實(shí)現(xiàn)LabVIEW程序和Web的結(jié)合：首先在LabVIEW中根據(jù)需要建造DLL，然后在VC或VB中調(diào)用該DLL生成ISAPI或CGI程序，甚至可以在VB中構(gòu)造COM組件，在ASP中調(diào)用。

在LABVIEW編程環(huán)境下計(jì)算標(biāo)簽坐標(biāo)，會(huì)得到兩組解。但在實(shí)際情況中，標(biāo)簽所在的位置只能有一個(gè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況需要舍掉一組值，為了RFID定位系統(tǒng)的客制化需要，在VC環(huán)境下調(diào)用已編譯好的LabVIEW程序，根據(jù)實(shí)際情況，編譯取舍條件，進(jìn)行二次開發(fā)。

3 結(jié)束語(yǔ)

LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言。提供一個(gè)直覺性環(huán)境，并通過(guò)與測(cè)量硬件的密切結(jié)合，可以迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集和控制，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用系統(tǒng)。基于LABVIEW8.0的RFID-超聲波定位系統(tǒng)，可針對(duì)各式的研發(fā)量測(cè)或生產(chǎn)線量測(cè)需求，快速進(jìn)行客制化的修改。這個(gè)系統(tǒng)可行性高，復(fù)雜性低，定位精度高。此系統(tǒng)已在INTEL生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)開始使用，對(duì)大批儀器進(jìn)行監(jiān)控。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在對(duì)原有的RFID硬件進(jìn)行修改，添加超聲波發(fā)生接收電路的基礎(chǔ)上，使用LABVIEW8.0進(jìn)行軟件開發(fā)，在VC環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)。此系統(tǒng)最大的研發(fā)特點(diǎn)在于定位精度高，具備生產(chǎn)線整合能力，可以滿足不同行業(yè)的要求。

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