无源RFID技术在通信机房机柜设备识别中的应用

1 引言

通信机柜内的设备包括网络机柜、服务器机柜、综合布线机柜等。其中网络机柜存放交换机、路由器、防火墙等用来承载网络设备； 服务器机柜用来存放服务器、存储器等设备； 综合布线机柜用来存放水平线缆管理单元和垂直线缆管理单元主要用来架设理线架等设备。由于各机柜内通信设备型号不同，设备量是根据扩容的要求不断的处于动态的变化过程，机房维护人员在运管和设备维护过程中出现通信设备更换、移位安装靠人工识别，造成对设备变更定位不准，通信设备编号需手工记录，造成编号出错等现象，严重影响通信机房运维的工作效率。针对通信机房机柜内的这些不同设备在运管与维护过程中存在的管理问题，提出了基于无源RFID（射频识别技术）[1]实现智能识别的通信机房机柜设备识别系统，该系统具有以下特点：非接触式识别，可在50 mm内准确识别各种类型设备；安装方便灵活，不改变机房机柜内物理结构，采用尼龙贴式固定，上下左右调节灵活；不生产电磁干扰，采用125 kHz频率的RFID标签识别，以太网线传输，不影响机房设备正常工作；智能采集识别，只需将每个设备上的无源RFID标签对准相应机柜上的读头即可时实监测设备所在机柜的位置、型号、编号，实现机机房设备的智能化管理；性价比高，每个设备识别点仅需要加入低成本的无源RFID标签，即可实现通信机房设备的智能化管理。

2 系统组成

2.1 机柜内无源RFID标签及读头天线

无源RFID标签由漆包线绕成螺旋式天线和RFID芯片组成，采用直径为20 mm、厚度为1 mm的塑封方式实现，其一侧粘有尼龙贴，安装在有尼龙贴的机柜设备上的专用支架上。读头天线的大小和安装方法与无源RFID标签相同，不同的是读头天线是安装在每个设备装在机柜后部的与无源RFID标签的对应处，并引出两条导线，导线长度根据读头天线安装位置不同，可分为4 m、3 m、2 m、1 m的线长，同样，读头也是安装在有尼龙贴的机柜上。当贴有无源RFID标签的设备抽出后，系统会自动识别出抽出设备所在机柜的位置；当同样的设备没有装入对应机柜位置时，系统会自动显示出安装位置错误，并提示出正确安装位置。无源RFID标签及读头天线结构安装示意图如图1所示。

图1 无源RFID标签及读头天线结构安装示意图

2.2 单个机柜内机柜设备识别系统

单个机柜内机柜设备识别系统如图2所示。由n个读头天线，接线端子，匹配电路，发射电路，接收电路，模拟开关，MCU，IO扩展电路，LED驱动电路，LED灯，开关电源，1U机箱组成。

图2 单个机柜内机柜设备识别系统

读头天线的基本任务是与无源RFID标签建立通信并传输数据，主要具备发送和接收功能；接线端子用于将各读头天线的接线与系统连接；匹配电路由调谐电容组成，可以通过选择适当的线圈和电容，使得读头天线的谐振频率为125 kHz；发射电路的主要功能是产生载波并通过天线发送出去，为标签提供能量，发射电路的电压和电流为，发射功率小于1 W；接收电路用于接收并解调来标签的射频信号；模拟开关用于对n个读头天线进行轮询工作；MCU是系统的核心，用于控制n个读头天线的数据发送和接收、每个读头天线的工作状态指示、上位机的指令接收及数据的上传等；IO扩展电路用于对MCUIO进行扩展，以实现对n个LED灯的控制；LED驱动电路由三极管组成，一个IO控制一路三极管驱动一个LED灯；开关电源用于提供系统的+5V整机供电；1U机箱用于将上述电路装入。

该识别系统在数据识别正确率大于等于80%时能达到的最大距离为1.6 cm，每个标签的数据平均识别时间小于1秒。在判断识别标签有无的测试中，正确率达到80%的最远距离为9.5 cm，平均响应时间小于0.5秒。

3 机柜内无源RFID标签及读头

机房机柜设备识别系统的硬件部分主要由两个组成部分：读头和无源RFID标签。

读头的基本任务是与无源RFID标签建立通信并传输数据，主要具备发送和接收功能；无源RFID标签负责存储系统数据，是该识别系统的数据载体，由MCU（微控制单元）、耦合线圈，整流滤波电路，自耦变压器构成。标签及读头电路组成方框图如图3所示。

图3 标签及读头电路组成

通信机房机柜设备识别系统的重点是考虑系统的工作频率，除此之外需要正确选择无源RFID标签的供电方式，另外信号的调制方式和数据的编码方式也影响着系统性能。在系统方案的设计中着重从这三个方面考虑。一是工作频率的选择：识别系统的工作频率即读头发射无线信号所使用的频率。本识别系统采用的是一个短距离、低通讯量、低成本的系统，选择采用低频（125 kHz）的工作频率；二是无源RFID标签供电方法的选择：系统中无源RFID标签设计采用的是无源工作模式，工作所需的能量全部通过耦合线圈获得。无源RFID标签使用方便，成本低，具有更好的应用前景；三是数据调制、编码方式的选择：系统中数据传输方式采用曼切斯特编码的方式，无源RFID标签将自己的ID数据以曼切斯特编码的格式传出，读头通过软件进行解码。曼切斯特编码可以保证数据传输的误码率比较低。

3.1 天线（耦合线圈）

天线是以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转换。根据天线在系统中的不同功能和作用，系统中的天线可分为标签天线（tag antenna）和读头天线（reader antenna）。读写器天线用于产生磁通量Φ，而磁通量用于向标签提供电源并在读头和标签之间传送信息。对读头天线设计的基本要求是：使天线线圈的电流I最大，以产生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；要有足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。

3.2 读头

读头由三部分构成：发射电路、接收电路和MCU。发射电路的主要功能是产生载波并通过天线发送出去，以为标签提供能量。发射电路采用125 kHz载波频率，系统中通过一个4 MHz的石英振荡器连接分频器74HC4060，经过32分频产生125 kHz左右的载波频率。并通过推挽的方式驱动发射线圈，接收端电路通过检波，整流，比较放大后取得曼切斯特编码原始数据DATA；接收电路接收并解调标签的射频信号，并经过三个阶段实现信号的解调，首先通过一个二极管滤去负半周的信号，然后通过一个RC滤波器滤去125 kHz载波信号，然后通过一个电容串联的方式滤去直流信号，从而得到的仅仅是标签编码信号，最后再通过放大器进行放大，并送到比较器的同相输入端，经过分压滤波从比较器的输出端得到标准TTL电平信号，该信号是一串稳定的曼彻斯特码，由MCU进行曼切斯特解码；MCU采用ATMEI公司的ATmega 8单片机实现[1]，系统工作时，单片机控制发射电路、接收电路获得通信机柜内的某个设备的ID数据后，通过RS232串口转成以太网口后，再通过集线器将数据上传到服务器，与服务器数据库中的设备ID数据比对，识别并显示出相应设备在通信机柜中的位置信息，为通信机柜设备运营和维护提供管理依据。

3.3 无源RFID标签

无源RFID标签主要由自耦变压器、全桥整流器、电容、MCU构成。在读头交变场的作用下，在标签线圈中产生感应电压，利用自耦变压器将该电压升高到4倍左右。然后利用全桥整流，通过两个10μF电容进行滤波。为保证电压的稳定，系统采用一个稳压二极管进行稳压，以保证MCU稳定工作，MCU将数据编码成曼彻斯特编码，采用负载调制的方式将数据发送出去。

4 系统工作流程

系统在实际应用中，需要为每个标签分配一个唯一的ID标签，ID表示长度可以根据机柜内设备数量和类型定义，采用64位ID标识，该标识在标签软件中设定。每个读头每隔100 ms向外发射一段电磁波进行检测，当对应标签处于读头感应范围内，读头将收到标签发来的数据，并读取标签完整的ID数据。读头工作流程如图4所示。当产生的感应电流足够驱动标签工作时，标签便连续发送自己的ID数据。

图4 读头工作流程图

5 结束语

无源RFID标签具有体积小、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非接触识别、设备识别、设备定位及长期的设备跟踪与管理[3]。使用时只需将无源RFID标签和读头通过尼龙贴分别固定在各个设备上和各个设备对应机柜支架位置上，通过网络连接组成通信机房机柜设备识别系统，提升机房设备的运营、维护和管理效能。