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

0 引言

虛擬儀器是當前測控領(lǐng)域的技術(shù)熱點，它代表了未來儀器技術(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言，從測量和自動化到實時嵌入式系統(tǒng)，再到通用場合。而且LabVIEW還具有對FPGA編程下載的能力，所以LabVIEW也是一個硬件設(shè)計工具 。

RFID定位與跟蹤系統(tǒng)主要是利用標簽對物體的唯一標識特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的信號強度來測量物品的空間位置。RFID技術(shù)所具備的遠距離存取，高速辨識及資料讀出寫入等能力，相當受到各產(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，身份識別，防偽，交通等等。但是單純的RFID系統(tǒng)存在兩個問題：一個問題是利用射頻信號的強度定位，精度較低，而且針對研發(fā)該技術(shù)的方案，常受限于封閉式的硬件量測架構(gòu)。另一個問題是使用GPIB界面的儀器，其數(shù)據(jù)傳輸也相當緩慢。無法對物體進行實時追蹤。

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

在可以實現(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-超聲波定位測試系統(tǒng)開發(fā)成為可能，并可進行物理層，協(xié)議層及系統(tǒng)仿真等多項功能，且由于NI虛擬儀器控架構(gòu)具有高彈性及擴充性，它不但能和企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)線流程緊密結(jié)合，也能針對客制化的需求，進行數(shù)據(jù)庫存取、Word或Excel報表產(chǎn)生、遠程監(jiān)控，或者是和其它軟件進行搭配等系統(tǒng)整合作業(yè)。

1 硬件設(shè)計

RFID系統(tǒng)由三部分組成：標簽（Tag），由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼（ID號），附著在物體上標識目標對象；閱讀器（Reader），讀取（有時還可寫入）標簽信息的設(shè)備；天線（Antenna），在標簽和讀取器間傳遞信號 。

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通過串行口向讀寫器寫命令，由讀頭向標簽發(fā)出射頻觸發(fā)信號，開啟有源標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，可以準確的量測出讀頭和標簽之間的距離。在已知其中3個讀頭的空間坐標和利用超聲波測得每個讀頭到標簽的距離，就可求出標簽的3D位置 。根據(jù)試驗，定位精度可以達到公分等級。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

2.1 串口通信

LABVIEW提供了豐富的儀器控制功能，針對串行口通信提供了具有完整功能的組件，利用圖形化編程語言―G語言的直觀，快捷的優(yōu)勢，通過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準I/O軟件規(guī)范的總稱。它是一個API（應(yīng)用程序接口），通過調(diào)用底層的驅(qū)動程序來控制儀器，向串行口讀寫數(shù)據(jù)。實現(xiàn)上位機對硬件模塊的控制 。

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

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，無奇偶校驗位。無握手信號。

（2）用VISA Write節(jié)點向標簽發(fā)送命令

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

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

當通過VISA Write節(jié)點向標簽發(fā)送返回ID號命令時，用VISA Read節(jié)點從讀頭緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)是ID號字符串，因為會經(jīng)歷幾個完整的搜尋過程，所以返回的ID號會發(fā)生重復(fù)，需要進行重號過濾。每個ID號的第一位代表標簽所在地的能量等級（按照距離讀頭的距離，劃分為4級）。

讀頭向標簽發(fā)射超聲波，系統(tǒng)15位計數(shù)器開始計時。直到接收返回的超聲波停止計時。從緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)就是計數(shù)器的計數(shù)值。根據(jù)計數(shù)值（可計算出超聲波傳播時間）和光速計算出標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，得到有效范圍內(nèi)所有ID號。

圖1.2 分離ID字符串程序框圖

（2）空間坐標系3點定位

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

當3個讀頭在不同位置時，這個3元2次方程的通解是不同的。為了實現(xiàn)讀頭位置的無限制擺放，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)點和CASE 語句，實現(xiàn)了在讀頭任意擺放的情況下，對標簽進行定位。

2.3 從VC中調(diào)用LABVIEW語言開發(fā)的程序

LABVIEW作為虛擬儀器開發(fā)平臺，以其編程方便，功能強大，應(yīng)用靈活在測控領(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)點在LABVIEW與其他語言之間架起資源互動的橋梁。

LabVIEW8.0可以建造動態(tài)庫(DLL)，DLL文件完全可以在VC或VB中進行調(diào)用，因此可以通過一種間接的辦法實現(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)境下計算標簽坐標，會得到兩組解。但在實際情況中，標簽所在的位置只能有一個，根據(jù)現(xiàn)場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)實際情況，編譯取舍條件，進行二次開發(fā)。

3 結(jié)束語

LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，它結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言。提供一個直覺性環(huán)境，并通過與測量硬件的密切結(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)，可針對各式的研發(fā)量測或生產(chǎn)線量測需求，快速進行客制化的修改。這個系統(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)廠房內(nèi)開始使用，對大批儀器進行監(jiān)控。

本文作者創(chuàng)新點：在對原有的RFID硬件進行修改，添加超聲波發(fā)生接收電路的基礎(chǔ)上，使用LABVIEW8.0進行軟件開發(fā)，在VC環(huán)境下進行二次開發(fā)。此系統(tǒng)最大的研發(fā)特點在于定位精度高，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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