RFID和Zigbee技术...实验室设备定位管理中的应用_杨延丽

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第41卷第1期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol.41No.12023年01月JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2023文章编号:1008-1402(2023)01-0047-04①RFID和Zigbee技术在实验室设备定位管理中的应用杨延丽a,郑新旺a,杨光松b(集美大学a.诚毅学院;b.信息工程学院,福建厦门361021)摘要:针对高校生物实验室大多依靠人力管理的不足之处,和实验品频繁使用带来的巨大安全隐患问题,基于RFID技术和Zigbee自组网无线传输技术,设计了由RFID电子标签、RFID阅读器、Zigbee终端节点、Zigbee协调器网关等组成的实验品门禁管理和定位跟踪系统。重点阐述了基于RSSI接收信号强度的定位跟踪系统,搭建了Zigbee自组网无线网络,给每一个已知位置的RFID阅读器都配备一个Zigbee终端节点,以便把RFID阅读器识别定位到的待测电子标签数据通过Zigbee网络实时传到上位机。经测试,该系统可以实现实验品定位跟踪和门禁管理,为生物实验室安全管理提供了一种实用的技术管理手段。关键词:RFID;Zigbee;定位;生物实验室管理中图分类号:TP271.4文献标识码:A标签的ID号,只有允许放入该柜的生化品RFID标0引言签才能刷开该柜门。使用人拿取试剂时刷RFID卡由于全国高校实验室安全事故频发,实验室安打开存放柜门,放回时用生化品瓶上的RFID标签全问题受到社会的广泛关注。其中生物类实验室刷开正确的柜门,留下使用人、取用、存放等完整使在各高校中普遍存在,生物实验室中必备的有机试用记录。方式二:采用RFID定位加Zigbee无线传剂、无机试剂、病原微生物、易燃易爆危化品等管理输,对重点实验品进行实时定位跟踪,解决诸如微生是非常重要的问题。应该严格遵循相关条例放置物品被携带出实验室、使用过程无监管、出状况后无保存微生物、病毒、工程菌等危害性强的实验材料。法追责等问题。在需要追踪定位的重点生化品上贴实验品如何分类存放,对实验室安全管理至关重要。RFID标签,在实验室内部布置多个已知位置的除了完善安全管理制度、提高师生安全意识、成立管RFID阅读器,每个RFID阅读器都配备一个Zigbee理监督小组等这些人力管理手段之外,逐步运用先无线终端节点,阅读器监测待定位RFID标签的位[1]置,将获取的RFID标签ID号、信号强度等信息,通进科技手段进行监控和管理是必然的趋势。RFID技术可以在生物实验室危化物品管理过Zigbee模块上传到网关(Zigbee协调器节点)上,中发挥重要作用,通过给危化物品贴上RFID电子再通过RS232串口传送到上位机,该定位跟踪系统标签,用RFID门禁系统可以对危化物品做分门别结构如图1所示。类的存放和管理。采用RFID定位识别技术,结合RFID阅读器搜寻在自己射频信号覆盖范Zigbee自组网的无线传输技术,可以对重要生化围内的所有RFID标签,将读取的RFID标签物品进行室内的监控和定位,用技术手段实现精细RSSI值返回给Zigbee终端节点,终端将标签ID化管理,实时监控和跟踪被使用情况、存放位置、使号、RSSI值发送给Zigbee协调器网关,网关汇用人、使用时间等,可以提升实验室安全性,节约人总各个RFID阅读器的数据后发送给上位机,上力管理成本,具备更高的实验室安全水平。位机通过RSSI信号强度定位算法计算出该待定位的RFID标签坐标位置。上位机将ID号、1系统总体设计实时位置、RFID门禁系统中记录的使用人等信实验室管理采用两种方式,方式一:采用RFID息汇总记录管理,形成完整的重点生化品监控、门禁管理,不同生化品放置到规定的管理柜中,消除跟踪、管理系统。混放带来的爆炸风险。将必须分门别类存放的生化在该系统上还可以实现寻找某一实验品的功品贴上RFID标签,在存放柜的柜门上设置RFID读能。在上位机输入某一声光电子标签的ID号,上卡器,读卡器里录入应该存放该柜里的生化品RFID位机在管理系统中查找到距离该标签RSSI信号①收稿日期:2022-10-14基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(JAT191159);2021年教育部产学合作协同育人项目(202102357022)。作者简介:杨延丽(1976-),女,高级工程师,硕士,研究方向:嵌入式系统研究、自动化医疗设备研究。

148佳木斯大学学报(自然科学版)2023年最强的阅读器对应的Zigbee终端节点的端点号,收信号强度定位法(RSSI)。上位机发指令给Zigbee协调器,协调器通过点对RSSI(ReceivedSingnalStrengthIndication,点通信发指令给该Zigbee终端节点,该节点发送电接收信号强度指示)是根据RFID阅读器天线采集子标签ID号给自己连接的RFID阅读器,阅读器发的信号强度确定待测目标的位置。信号强度会随出射频信号启动该声光电子标签发出声光报警。着传输距离的增加而损耗衰减,所以RSSI值与待测目标位置有关。把传输过程中的损耗转化为距[2]离,计算得到待测节点的位置信息。无线通信器件能够直接获得RSSI值,不需要另外增加硬件器件和电路,并且信号强度的采集和计算都较为简单,适用于无需复杂和精准定位实验室管理场合。只需要获取与待测目标距离最近的三个RFID阅读器的RSSI值,就可以通过RSSI测距模型计算图1定位功能结构图出待测目标的三维坐标位置[3]。RSSI测距模型通过测量无线信号发射功率和2RFID射频识别功能设计接收功率,两者之间的差的绝对值为传播损耗,然后根据信号传播衰减模型,将传播损耗转换为距2.1RFID门禁管理系统设计离,其理论值:RSSI=-10n×lgd+A(1)RFID射频识别技术广泛的应用于商品零售、式(1)中,d为已知位置阅读器和待测目标的智能交通、电子票证、仓储物流、门禁管理等领域。通信距离;射频参数A为距离信号发射器为1mRFID具有非接触识别、容量大、识别速度快、安全时接收到平均能量绝对值,单位dBm;n为信道传性高、寿命长等特点。选择RFID射频识别技术用输常数,与信号传输环境有关。于生物实验室进行人员管理、各种生化试剂分门别在室内环境中,测试多组已知位置阅读器和待类管理。分层级设计的实验室门禁系统如下:测目标距离,与对应的RSSI值,画出RSSI和d曲(1)实验室大门门禁。具备进入实验室权限的[4]线可以拟合求出A,n的值。则距离d可以用人员使用RFID门禁卡才能进入,RFID门禁系统式(1)的变化形式求解:自动中生成考勤记录、实验室进出记录等。(A-RSSI)(2)设置生化品存放区域门禁。各种酸碱、易d=1010n(2)挥发、易爆品等不能混放,所以在实验室内部划分式(2)中RSSI可以采用多次接收求平均值的不同的区域分类存放,每个区域设置门禁,为不同方法计算,用来降低环境对测距误差的影响。在实使用权限的人员分类开放。验室的二维平面上,获取信号强度最大的三个阅读(3)设置区域内每个存放柜门禁。在不同类别器的坐标(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),通过式(2)的生化品上贴上RFID电子标签,在每个存放柜上可以求的三个距离值d1,d2,d3。根据三边测量[5]设置门禁,只有属于本类别的生化品的RFID标法,计算得到待测目标坐标:-1签,才能刷开该存放柜的门禁,例如易挥发试剂瓶x2(x1-x3)2(y1-y3)[]=[2x]×上的RFID标签,无法刷开密闭保存柜上的门禁,y(2-x3)2(y2-y3)222222只能刷开通风柜的门禁。x1-x3+y1-y3+d3-d1(3)[x222222]通过RFID技术手段设置三级门禁系统,实现2-x3+y2-y3+d3-d2了实验室人员管理、生化品管理,每日自动生成人2.3RFID阅读器模块设计员进出、各个生化品取用放回情况记录。还可以对实验室器械、材料建立电子档案,在上位机管理系RFID阅读器选用单片机STC89LE52RC控统中做安全检查记录、维修保养记录等。制MFRC522芯片实现,RC522是13.56MHz非接触式高集成度读写卡芯片,集成了在13.56MHz2.2RFID定位技术下所有类型的非接触式射频识别技术通信协议。RFID定位技术的基本方法是通过公式计算RC522与单片机之间采用SPI接口连接,单片机出待测位置电子标签与多个RFID阅读器之间的调用RC522芯片所提供的函数,实现防冲撞处理、距离,根据与多个已知坐标位置的RFID阅读器距读电子标签ID号、读写电子标签块数据等功能。离,计算出待测标签的坐标位置。RFID定位技术3无线通信模块设计采用的主要方法有:RFID阅读器接收信号到达角度定位法(AOA)、接收信号达到时间定位法(TOA)、接收信号达到时间差定位法(TDOA)、接

2第1期杨延丽,等:RFID和Zigbee技术在实验室设备定位管理中的应用493.1Zigbee无线传输网络设计Zigbee采用2.4GHz的高频传输,是一种短距离无线通信技术,通常在室内可以达到100m左右的传输距离。Zigbee具有自组网功能,并且可靠性高、功耗低、抗干扰能力强,能够实现快速灵活组网。Zigbee协议建立在IEEE802.15.4设备标准的基础之上,该协议定了三种Zigbee设备,协调器、路由器和终端。组建一个完整的Zigbee树状网络包括图2Zigbee网络拓扑结构两个步骤,协调器建立网络、节点加入网络。节点加入网络又包括两个步骤,通过与协调器连接入网,和通过路由器入网。在Zigbee协议中,协调器负责构建网络,协调器上电后在初始化过程中选择一个网络标识符(PANID)作为网络ID,选择一个信道建立网络,启动OSAL任务处理操作系统,等待终端节点加入网络。节点入网时扫描信道,选择自己范围内信号最强的路由器节点或协调器,申请加入网络,成图3模块实物图功后获得一个协调器分配的网络短地址,通过这个短地址进行数据发送和接收。路由器节点主要实现3.2RFID阅读器加Zigbee终端节点模块设计路由发现、消息转发、扩大网络范围等功能,负责网为了能够将已知位置的RFID阅读器测得待络内的各种数据分发和路由转发。测电子标签的RSSI值及时传送出去来计算距离设计选用TI公司的CC2530芯片实现Zigbee值,系统采用CC2530的RX/TX串口连接RFID无线传输网络,在CC2530中运行Zstack协议栈,完阅读器和短距离无线传输Zigbee终端节点,Zig-成上述Zigbee协调器节点建立网络、路由器节点分bee终端节点可以及时将获取的数据上传至Zig-发消息、终端节点加入的所有网络功能,只需要在bee协调器网关。Zigbee协调器将接收到的数据Zstack协议栈软件上进行应用层的开发即可实现本通过USB上传到上位机,或者从上位机接收指定系统网络功能。Zigbee网络拓扑结构如图2所示。电子标签ID启动该标签的声光报警,以便寻找贴Zigbee路由器节点主要作用是扩大网络规模,了该标签的实验品。RFID阅读器加Zigbee终端所以可以根据实验室规模大小选择是否需要路由器节点模块实物如图3所示。各模块通信连接结构节点,以及需要设置多少路由器节点。Zigbee终端的如图4所示。数量及位置,也需要根据实验室规模大小进行布置。图4各模块通信连接结构1。与文献中给出的一定环境下参数A和n的取4测试值范围相符[6]。4.1标定A,n值4.2识别和定位测试在实验室内实测RFID标签与阅读器之间距选择一个实验室进行电子标签识别和定位测离,记录对应的RSSI值,将距离d的值换算成以试,实验室大小为12m×7m,在同一高度平面布置10为底的对数值,获得数据记录如图5左侧表格了六个RFID阅读器加Zigbee终端节点模块,实所示。其中距离d值从1m到16m,每个距离下的测记录这六个RFID阅读器平面坐标,Zigbee协调RSSI值用记录50次求平均值作为结果。对该实器网关放置在试验台上并用USB线连接上位机。测值对lgd–RSSI关系进行拟合,得y=-19.选取20个普通有源电子标签和10个有源声光标396x–39.051,根据式(1)可知,n≈1.9,A≈39.签进行测试。测试结果标明,六个阅读器可以实时

350佳木斯大学学报(自然科学版)2023年读出30个电子标签的ID号、RSSI值、读到的次数验品和仪器使用记录等问题。依据RFID技术的等数据,在上位机任选一个声光电子标签ID号,点RSSI接收信号强度定位技术原理,设计了实验室击寻卡按钮,可以准确的使该标签发出声光报警,内的RFID定位系统,实现对重点需要监控的实验达到寻卡目的。六个阅读器将实时读到的电子标品进行定位跟踪记录,以及寻找指定实验品。引入签信息,通过Zigbee无线传输网络上传到上位机,Zigbee无线传输自组网系统,可以将RFID定位数上位机软件为同一个电子标签筛选出信号最强的据实时上传到上位机,把实施定位的每个已知位置三个阅读器读到的RSSI值,通过式(2)计算出与的RFID阅读器都配备一个Zigbee终端节点,及这三个已知坐标阅读器的距离d1,d2,d3,再根据时的将定位数据通过Zigbee协调器网关上传到上式(4)计算出该标签的坐标值。在该测试环境中,测位机,对实验室内所有贴了RFID电子标签的实验试和计算结果表明可以达到1m之内的定位精度。品进行实时的定位和管理。运行和测试结果标明,本设计可以很好的弥补生物实验室人力和制度管理上的不足,满足生物实验室的生化品管理需求,提高了实验室安全性。参考文献:[1]王东浩,牛俊峰,王世强,等.高校生物类实验室实验安全现状探究[J].实验科学与技术,2022,20(01):118-122.[2]宫改云.FCM算法参数研究及其应用[D].西安:西安电子科技大学,2014.图5A,n值拟合曲线[3]何海平.室内无线定位系统算法研究[D].南昌:南昌大学,2016.[4]朱明辉,张会清.基于RSSI的室内测距模型的研究[J].传感5结语器与微系统,2010,29(08):19-22.[5]朱鹏飞.基于RSSI的室内定位算法研究[D].昆明:云南大设计了一种Zigbee和RFID技术在实验室管学,2016.理系统,提出了一种生化实验室实验品存放管理和[6]AliS,NoblesP.Anovelindoorlocationsensingmechanism定位的技术管理手段。利用RFID技术实现实验forIEEE802.11b/gwirelessLAN[C]∥IEETheFourthWorkshoponPositioning,NavigationandCommunication(品分门别类存放管理的门禁系统,解决了实验品混WPNC’07),2007:9-15.放带来的安全隐患问题。同时该门禁系统还能解决进入实验室人员的门禁权限管理、考勤管理、实ApplicationofRFIDandZigbeeTechnologyinLaboratoryEquipmentPositioningManagement1,ZHENGXinwang1,YANGGuangsong2YANGYanli(1.ChengyiCollege,JimeiUniversity,XiamenFujian361021,China;2.SchoolofInformationEngineering,JimeiUniversity,XiamenFu-jian361021,China)Abstract:Asforthoseproblemsofmostbiologicallaboratoriesinuniversities,includingthemoredependenceonhuman,thelackofinstitutionalmanagementaswellasthehugesafetyhazardscausedbythefrequentuseofexperimentalproducts,basedonRFIDtechnologyandZigbeeself-organizingnet-workwirelesstransmission,itdesignsaccesscontrolmanagementandpositioningsystemforthoseex-perimentalproducts,whicharecomposedofRFIDelectronictags,RFIDreader,ZigbeeterminalnodeandZigbeecoordinatorgateway.Thispaperfocusesonthelocatingandtrackingsystemdeprivedfromareceivedsignalstrength(RSSI).ItbuildsaZigbeeself-organizingnetworkwirelessnetworktoequipaZigbeeterminalnodeforeachRFIDreaderwithaknownlocation,soastouploadtheelectronictagdatatobemeasuredwhichisidentifiedandlocatedbyRFIDreadertothehostcomputerinrealtimethroughtheZigbeenetwork.Accordingtoverificationtest,thissystemcanrealizetheautomaticpositioningandaccesscontrolmanagementofexperimentalproducts,providingapracticaltechnicalmanagementmeansforthesafetymanagementofbiologicallaboratories.Keywords:RFID;Zigbee;positioning;managementofmostbiologicallaboratories

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