正交试验方法在RFID系统混合模式接口即插即用评价中的应用

梁小明 吴斯栋 刘敬光 洪晓斌

（1.广州市标准化研究院 2.华南理工大学机械与汽车工程学院）

1 引言

传感网作为物联网核心内容之一，近年来呈现出传感器与 RFID技术互补融合的趋势。随着 IEEE 1451.4智能传感器混合模式接口标准的出现，越来越多的研究人员投入到集成传感器RFID混合模式接口研究中[1]。然而，不同的设计方案、制作工艺与接口算法导致了不同品牌和型号的RFID系统中传感设备混合模式接口性能出现显著的差异，产品之间的比较缺乏一个统一的基准平台，给同类产品性能表现进行有效公正的横向相互比较以及系统集成应用带来了困难[2]。其中，即插即用作为混合接口模式统一的标称功能，提高了传感设备识别效率、缩小识别时间，为保障接口正常通讯奠定了基础。因此，测试集成传感器RFID系统混合模式接口性能的关键是测试智能传感器标称即插即用的有效性。在实际应用中，对于智能传感器混合模式接口即插即用有效性影响的因素有很多，且主要体现在算法部分。研究人员和设备生产商采用不同的即插即用算法组合可能在接口有效性能上体现出显著的差异。如何快速、有效地确定这些因素对接口有效性的影响关系及权重，将有助于研究提高混合模式接口有效性能[3]。本文针对智能传感器混合模式接口中即插即用算法部分，通过设计正交试验，有效地引入了与标准IEEE 1451.4接口算法并行的算法，研究它们对接口有效性的贡献率，有效的缩短了试验次数。

2 RFID系统混合模式接口即插即用性能关健环节分析

本文基于前期研究工作的基础上，成功实现了一种数据处理简化、能量供应持久、接口技术简单的集成传感器RFID系统，总体结构如图1所示。

图1 集成传感器RFID装置

该系统分为 RFID阅读器模块和集成传感器RFID标签节点模块两层结构，实现对底层现场的数据采集及处理。集成传感器 RFID标签节点采用IEEE1451.4智能传感器混合模式接口技术；采用IEEE 802.15.4的Zigbee网络协议构建一个多跳的自组织网络，WSN网络节点（集成传感器RFID标签节点模块）集成了无源RFID标签和传感器，分别负责采集物品信息和环境参量。RFID阅读器模块包括微处理器、RFID阅读器、天线、电源以及其它接口；其实现对RFID标签的能量输送和通信，其它接口可以实现与后端监控平台之间的通信。

智能传感器混合模式接口即插即用功能就是实现对接入传感器的探测、识别以及解析的过程[4]。研究该接口的有效性就是研究接口算法与后端平台解析算法的正确性、快速性和实时性。智能传感器接入步骤可分为以下几部分：识别智能传感器存储器独特注册号（Unique Register Number，URN）、识读传感器电子数据表格（Transducer Electronic DataSheet，TEDS）以及利用传感器模板解析TEDS。本文不仅研究IEEE 1451.4标准算法的效率，也研究其它并行算法在智能传感器混合接口即插即用应用中的可行性与效率，致力于寻求一套更准确、快速的即插即用组合算法。

基于上述需求分析可知，在智能传感器混合模式接口即插即用评价中应注意如下关键环节：⑴ 智能传感器接入时的探测发现，即识别URN过程中，当前混合模式接口总线上挂接传感器的数量以及所采用的识别 URN算法都会影响接入传感器的探测效果，评价时必须合理规范当前总线挂接设备的数量。目前常规的1-Wire器件URN识别算法主要有二叉树搜索算法以及高级变量搜索算法；⑵ 采用1-Wire总线技术通过混合模式接口传输TEDS数字信号，在不改变总线传输技术的基础上，合理安排传输数据的打包及检错，有助于缩短传输时间。目前常用的校验算法主要有CRC、PC、SC、LRC、S-XORC等，其中按检验本质区分通常选用CRC、PC、SC三种；⑶ 在上位机平台上，采用不同的模板语言编写统一格式的TEDS解析模板，对于解译接收回来的TEDS数字信息有不同的效果，应选择一种高效的模板描述语言。IEEE 1451.4标准中使用的是TDL和XML语言，另外也可选用基于XML的其它语言。选择模板解析语言的水平时可以从标准语言、XML语言以及基于XML的语言三方面入手。

3 正交试验设计和试验方法

3.1 正交试验设计

根据智能传感器混合模式接口即插即用中可行的数字信号处理技术，本试验选用二叉树搜索算法和高级变量搜索算法为识别URN算法；选用CRC校验法、校验和法、奇偶校验法为识读TEDS过程中的数据传输算法；模板描述语言采用 TDL、XML和XHTML。评价指标选用即插即用识读速度，其测量值为识读时间。智能传感器接入时的现场前提是总线上已经挂接有两个混合模式传感器。根据本试验的算法要求，采用拟水平正交设计方法，分别用A、B、C表示搜索URN算法、错误检验算法和模板语言三个主要因素，每个因素有三项水平，选用试验次数少的正交表L9(34)即可满足要求。填入各水平因素后，正交试验因素表如表1所示。

表1 正交试验因素水平

3.2 试验方法

本试验采用仿真方法进行。下位机电路采用Proteus仿真，串口传输采用Configure Virtual Serial Port Driver虚拟串口；上位机解析软件采用 Visual Studio 2008。下位机仿真电路中采用DS2430作为智能传感器 TEDS存储器；NCAP端微处理器采用PIC18F452，NCAP采集回来的TEDS数据经过RS232传输到上位机。仿真电路如图2 所示。

图2 电路仿真图

试验时，首先依次将前两个DS2430的接入开关闭合，确保闭合后两个指示灯亮，表明微处理器已经正确识读这两个DS2430；接入第三个待测DS2430，记下第三个DS2430开关闭合到第三个状态指标灯变亮的时间间隔，作为识别URN和识读TEDS的总时间；上位机通过虚拟串口读取回 TEDS数据，采用Visual Studio 2008生成模板解析TEDS，记录模板解析时间；识别URN和识读TEDS总时间与模板解析时间之和，作为即插即用识读时间，其长短反映了即插即用识读速度的快慢。

4 试验结果与分析

采用上述试验方法对L9(34)中的不同算法组合进行仿真试验，得到表2的正交试验结果。

表2 正交试验结果

根据表2中极差Rj大小可知，因素效应关系为：搜索URN算法对识读速度影响最大，错误检验算法次之，模板描述语言影响最小。由表2可知，使识读速度达到最大，即识读时间达到最小的因素组合为：高级变量搜索算法、校验和错误检验算法、TDL模板描述语言。

5 结束语

RFID系统混合模式接口即插即用算法组合是一个多水平多因素的复杂问题，合理的算法组合对提高接口即插即用性能至关重要。在保持理想准确率的情况下，采用正交试验方法可以从目前复杂的混合模式接口即插即用算法组合中快速地选择最优组合，相对于常规的二叉树搜索算法、CRC校验算法组合，识读速度有效提高30%左右，而相对于IEEE 1451.4智能传感器混合模式接口标准中采用的CRC校验算法能使识读速度提高约0.2%。

在其它各种实用的总线接口性能评价中，影响接口有效性能的因素各不相同，采用本方法推广到更多因素水平的权重确定方面，可减少工作量、提高工作效率、减少研究成本。

[1]Ramos H M,Ramos P M,Paces P. Development of a IEEE 1451 Standard Compliant Smart Transducer Network with Time Synchronization Protocol[C].2007.

[2]Bissi L,Placide P,Scorzoni A,et al.Environmental monitoring system compliant with the IEEE 1451 standard and featuring a simplified transducer interface[J].Sensors and Actuators A:Physical,2007,137(1):175-184.

[3]罗正生.1-Wire在微处理器中的搜索算法的研究[J].制造业自动化,2010,32(7):117-119.

[4]韩志军.基于 IEEE 1451.4标准接口的数字传感器设计[D].中北大学,2009.