一种基于RFID的设备定位可视化方法

廖星星 金钢 陈孝光

摘 要： 科研单位的仪器设备具有价值高、使用频率高、流动性大等特点，设备在流转过程中常因为科研人员活跃的思维变的难以控制，从而导致设备寻找困难。通过RFID技术实现对设备流转信息的采集并可视化是解决上述问题的一种行之有效的方法。该文介绍RFID数据采集的过程，并将数据可视化过程分为四个阶段：数据预处理、模型建立、绘制、显示。数据预处理阶段提出一种RFID冗余数据过滤方法；模型建立阶段建立了设备流转过程数学模型，该模型用以判别设备出入问题；绘制阶段提出对设备当前位置信息标识和历史路径轨迹的绘制方法；显示阶段则通过计算机图形技术实时显示设备在试验室的当前位置。目前，该方法在某科研单位的设备管理系统中得到有效应用。

关键词： RFID； 设备定位； 可视化方法； RFID数据采集

中图分类号： TN911?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0077?05

A RFID technology based visualization method of equipment location

LIAO Xingxing1， 2， JING Gang1， 2， CHEN Xiaoguang3

（1. Shanghai Institute of Technical Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China； 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China； 3. Shanghai Leanwo Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200080， China）

Abstract： The apparatus of scientific research institutions has the characteristics of high value， high use frequency， large mobility， etc. It is difficult to control the location of equipments in transfer process due to the active thinking of the researchers， so the equipment is difficult to find. Its an effective method to solve the above problems by means of RFID technology to collect and visualize the equipment transfer information. The collection process of RFID data is described. The data visualization process is divided into four stages of data preprocessing， modeling， drawing and display. A RFID redundant data filtering method is proposed in data preprocessing stage. The mathematical model of equipment transfer information is established in modeling stage to determine the coming in and going out issues of equipments. The drawing method of equipments current location information and historical path trace is proposed in drawing stage. The current location of the equipments in the laboratory is displayed in real time by means of computer graphics technology in display stage. Currently， the method is effectively used in the equipment management system of a research institute.

Keywords： RFID； equipment location； visualization method； RFID data acquisition

0 引 言

航天科研单位是研究与生产并存的科研组织，仪器设备存在着各种各样的形式，且具有价值高、流动性强、安全管理难等特点，专业的管理员为了跟踪仪器设备的流向，在付出大量宝贵的时间和人力物力之后，又由于现场科研人员活跃的思维方式和科研活动变得无序和难于控制。人们常苦恼找不到自己想要的工具，这给工作进度带来很大的阻挠[1]。RFID技术最大的优点在于非接触式自动识别，当携带标签的设备进入阅读器的作用区域时，标签通过电磁感应获得能量被激活，激活之后的标签将自身的系列号信息发送给阅读器，阅读器最后通过网络传输将信息发送至计算机数据处理系统[2?3]。这些信息中包括阅读器的标识号，阅读器通常是安装在固定位置，因此设备被识别时的位置即为阅读器的位置。数据可视化（Data Visualization）是通过使用图像处理技术和计算机图形学将数据转换成图像或图形显示出来，并提供交互行为的理论、方法和技术，实质是借助图形化手段使数据表达的内容更容易被理解，并清晰有效地传达数据和呈现数据[4?5]。将RFID系统采集的位置数据可视化，可快速帮助科研人员确定设备所在位置，并选择最优路径前往，大大节省设备寻找时间，提高了科研效率。

1 RFID数据采集过程

1.1 RFID工作原理

RFID[6?7]系统的基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。一个完整的RFID系统主要由5部分组成，即：RFID标签、天线、读写器、服务器和计算机管理系统。标签一般是由线圈、存储器组成的低压电路，读写器完成对标签数据的采集，计算机管理系统主要完成数据存储及处理见图1。

在一个设备上安装电子标签，电子标签里存储了一组经过特定编码的序列号。当携带电子标签的设备进入阅读器的作用区域时，连接阅读器的天线发出的电磁波将会激活标签电路，被激活之后的电子标签将自身的系列号信息通过内置天线发射出去，阅读器接收到标签发送来的信号是一组载波信号，对信号进行解调和解码，得到所需要的数据信息，然后通过网络传输把收到的信息传至RFID中间件，RFID中间件对数据进行清洗、过滤之后再存储至数据库中，存储的信息包括标签序列号、读取到标签系列号的读写器编号及读取时间，计算机数据处理系统可根据标签序列获取设备属性信息[8]。

1.2 RFID数据采集

应用RFID技术的过程中，会产生大量的RFID数据，这些数据记录了设备携带的EPC码，读取时间，所读取的读卡器的标志号，这个读卡器的标志号可以看作读取的位置。这一系列的读取记录就是目标对象移动过程中产生的数据，他们构成了物品的移动路径数据。

系统目标是对现场设备的位置信息进行采集，因此在试验室的出入口处布置相应的RFID天线，以现场为单位获取设备的流转信息，如图2所示。

RFID天线通过射频线缆与RFID读写器进行连接，RFID读写器与路由器进行信息交互，路由器再将信息传送给中心数据库，定义：

（1） 识别率。识别率是评价RFID系统非常重要的一个指标，将直接影响应用层数据的准确性，识别率定义如下：

[λ=CN]

式中：N表示标签出现在读写器工作区域的次数；C表示标签被读写器识别的次数。

（2） 中间件。统一管理系统中的所有读写器（固定式或手持式读写器），包括读写器的配置、数据采集和过滤、数据存储等内容。中间件大大简化了应用层的开发，降低了系统的耦合性。

2 RFID数据可视化过程

Card信息可视化模型将信息可视化的过程分为3个阶段[9]：数据预处理、绘制、显示和交互。RFID数据可视化过程可分为4个阶段：

（1） 数据预处理。数据预处理是将RFID采集的数据进行预处理，读写器采集到的原始标签数量十分庞大，需要过滤冗余数据，产生数据冗余的原因有三个：同一台读写器对标签数据的重复读取、业务相同的两台读写器对同一标签的数据不断读取、业务不同的两组读写器因为漂浮事件导致标签数据被读取。

（2） 模型建立。要实现设备可视化定位，需要建立设备流转信息模型。

（3） 绘制。绘制的功能是完成RFID数据到几何图象的转换。

（4） 显示和交互。即将绘制模块生成的图象数据，按照用户指定的要求进行输出，方便用户更直观地查看设备所在位置信息，并进行相关交互。

2.1 RFID冗余数据过滤

设置标签数据的基本数据结构为：

Struct TagData{String tagID； String roomID；

String readerID； DatereadTime}

其中：tagID表示标签的序列号；roomID代表当前标签被读取的房间位置；readerID表示读取到标签的读写器的编号，考虑到房间比较大，一个房间可能存在安装多个读写器的情况，故房间和读写器设置不同的字段；readTime表示标签被读取的时间。

在RFID系统中，读写器会周期性的向RFID中间件发送标签数据，这些数据量庞大，且含有大量的冗余数据，如果在发送至上层应用程序之前不进行滤掉操作，会对系统造成巨大的负担。通过逻辑映射引擎将所有读写器读到原始的RFID数据映射到各个逻辑读写器后，便可以在逻辑读写器的基础上分别对属于各个逻辑读写器的原始标签数据进行冗余过滤操作[10?12]。

读写器读取到的标签数据存储在一个哈希表中，假设存储在哈希表中的一组标签数据表示为：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+11BTag2Tstarti+21BTag2Ti+2i+31BTag2Tendi+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

这里提出了一种新的数据过滤算法，过滤步骤如下：

（1） 将业务一致的读写器做成相同的标识。考虑到一些房间空间较大，安装了2组或多组天线，这些天线连接的读写器从业务的角度来说功能一致，标识成同一地点：

[ifdata.roomID=roomID]

[data.readerID=readerID]

可以得出：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+11ATag2Tstarti+21ATag2Ti+2i+31ATag2Tendi+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

（2） 过滤掉队列中开始时间与结束时间差小于4 s的数据。主要针对安装较近的情况。

[ifTstart-Tend<4]

[forint ID=i+1；ID<=i+3；ID++]

[data.RemoveAtID]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1?????i1ATag1Tii+41ATag1Ti+4?????k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1?????m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1?????n3DTag4Tn]

（3） 对队列中最后一个标签数据对应的地点进行更新。

（4） 删除队列内的中间数据，并获取开始时间和结束时间。

[ifdataID.readerID=dataID-1. readerIDdataID.readerID=dataID+1.readerID]

[data.RemoveAtID]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1n3DTag4Tn]

（5） 处理队列底部数据。这里分两种情况，当队列底部读写器读取到的标签数据记录为2次时，则删除底部数据，否则不删除。

[ifdata.ID≥2 dataID-1.readerID=dataID-2.readerID]

[data.RemoveAtID-1]

可得：

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTime11ATag1T1k1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1]

（6） 删除队列的顶部数据，保留队列的底部数据至数据库。

[data=IDroomIDreaderIDtagIDreadTimek1ATag1Tkk+12CTag3Tk+1m2CTag3Tmm+13DTag4Tm+1]

（7） 保留队列底部的数据，其余都删除。

（8） 维持数据库中一个表为50条记录。

2.2 设备流转信息模型建立

系统需要对设备当前所在位置信息进行采集，即实现设备实时定位及历史位置信息查询。定位可以通过天线来实现，这种方式成本较低。具体实施情况是将天线通过万用接头安装于每个房间门口侧壁，天线和读写器是相连的。当设备进入时，系统驱动RFID读写器自动获取设备位置信息。设备移动路径状态可以通过位置的变化信息来判断，其原理如图3所示。

用数学模型分析如下：标签第一次进入A房间时，接收到A房间天线发射的无线电信号，被读写器A读取，位置信息标记为A。进入A房间之后，标签一直被读取，位置信息一直被标记为A，直至离开A房间。这一过程可以用矩阵表示为：

[SA=tagIDroomIDreaderIDreadTimeTag1A1Tin????Tag1A1Tout]

同理可得，

[SB=tagIDroomIDreaderIDreadTimeTag1B2Tin????Tag1B2Tout]

如果存在：

[SC=tagIDroomIDreaderIDreadTime????Tag1A1ToutTag1B2Tin????]

即：

[→ ]

则可以断定：标签从A房间离开进入B房间。

2.3 图形绘制

设备在试验室移动过程中会经过很多装有阅读器的监测点，这些监测点通常布置在各个房间的出入口，称为位置节点，一系列位置节点就形成了该设备的移动路径。位置节点表示物品移动中的不同阶段，在任何阶段，设备的实时状态可以用时间和位置节点两个参数来描述。

设备移动过程中，经过不同的位置节点产生不同的时间信息，包括在这个节点停留的时间，或者进入节点的时间和离开节点时间。所以某条路径中的节点信息不仅包含位置信息还有时间信息。这时路径的节点可以看作是节点对象，包含了位置属性和时间属性，而不仅仅是简单路径数据中的位置标识符。这样的数据可以用以下形式表达：

[]

这些点经过绘制之后，得出如图4所示的图形，图中红色的圈代表设备初始位置，数字代表设备行走的路径顺序。

2.4 界面显示

本系统使用类似于“地图”的方式图形化描述路径数据，首先绘制试验室平面图，再绘制路径数据库中所有位置节点，建立一个“地图”模型，然后根据路径数据绘制位置节点之间带方向的连接线，表示路径中出现的位置转移[13]。

（1） 当前位置节点用三个半径不同且动态变化的圆表示，圆的上面文字标识当前设备所在位置信息。

（2） 两位置节点之间的连接线表示存在路径相继经过这两个位置。设两个位置A和B，如果存在A到B直接转移的路径，那么存在一条从A出发到B结束的带箭头的连接线；如果存在从B到A直接转移的路径，同理存在另一个方向的连接线；所以节点之间可能有两条线相连，表示两个方向。

以某科研单位试验室为例，手持粘贴RFID标签的上网U盘在安装RFID设备的各房间行走，行走的路径顺序为：总调间→装调间→待装间→门厅→三坐标→二楼楼梯→门厅→总调间→二楼楼梯→待装间→总调间→二楼楼梯→二楼电调室；系统得出如下位置记录信息，行走路径和系统显示结果一致，最后出现地点为二楼电调室，如图5所示。

3 结 语

基于RFID设备信息可视化可以增强数据呈现效果，辅助科研人员以直观交互的方式实现对数据的浏览，改变了过去盲目寻找设备的窘况。信息可视化的数据有一维、二维，甚至多维，其可视化的方法包括基于几何的可视化方式和基于图标的可视化方式，其中，基于几何的可视化方式包括平行坐标系法[14]、Radviz方法[15]、散点图矩阵法[16]、Andrews曲线法[17]；基于图标的可视化方式包括星绘法和Chernoff面法[18]。目前RFID数据的可视化主要是根据其时间、地点数据简单绘制，只能显示携带RFID标签的大致位置，并不能显示当前设备的具体信息，如设备的模型，设备的状态，这是项目后期将要解决的问题。

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