基于LABVIEW 8.0的RFID超聲波定位系統的開(kāi)發(fā)

0 引言

虛擬儀器是當前測控領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)，它代表了未來(lái)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(yǔ)言，從測量和自動(dòng)化到實(shí)時(shí)嵌入式系統，再到通用場(chǎng)合。而且LabVIEW還具有對FPGA編程下載的能力，所以L(fǎng)abVIEW也是一個(gè)硬件設計工具 。

RFID定位與跟蹤系統主要是利用標簽對物體的唯一標識特性，依據讀寫(xiě)器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的信號強度來(lái)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(xiě)入等能力，相當受到各產(chǎn)業(yè)重視，應用領(lǐng)域包括物流，零售，制造業(yè)，軍事，服裝業(yè)，醫療，身份識別，防偽，交通等等。但是單純的RFID系統存在兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)問(wèn)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。另一個(gè)問(wèn)題是使用GPIB界面的儀器，其數據傳輸也相當緩慢。無(wú)法對物體進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

為了解決第一個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了RFID-超聲波定位系統。 即以報時(shí)方式構建射頻觸發(fā)-超聲波定位系統。這個(gè)系統容易實(shí)現且成本低；定位精度高，容錯性能好；標簽體積小，可以附著(zhù)在任何需要定位的物體上；除了被定位物體策動(dòng)定位請求外，還允許外部網(wǎng)絡(luò )策動(dòng)定位請求和監控被定位物體。

在可以實(shí)現射頻觸發(fā)-超聲波定位的基礎上，導入NI的虛擬儀器控制架構，使得RFID-超聲波定位測試系統開(kāi)發(fā)成為可能，并可進(jìn)行物理層，協(xié)議層及系統仿真等多項功能，且由于NI虛擬儀器控架構具有高彈性及擴充性，它不但能和企業(yè)現有生產(chǎn)線(xiàn)流程緊密結合，也能針對客制化的需求，進(jìn)行數據庫存取、Word或Excel報表產(chǎn)生、遠程監控，或者是和其它軟件進(jìn)行搭配等系統整合作業(yè)。

1 硬件設計

RFID系統由三部分組成：標簽（Tag），由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標簽具有唯一的電子編碼（ID號），附著(zhù)在物體上標識目標對象；閱讀器（Reader），讀?。ㄓ袝r(shí)還可寫(xiě)入）標簽信息的設備；天線(xiàn)（Antenna），在標簽和讀取器間傳遞信號 。

RFID-超聲波定位系統是在RFID的基礎上加上超聲波發(fā)射接受電路而得到的?；驹硎侵鳈C通過(guò)串行口向讀寫(xiě)器寫(xiě)命令，由讀頭向標簽發(fā)出射頻觸發(fā)信號，開(kāi)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(gè)讀頭的空間坐標和利用超聲波測得每個(gè)讀頭到標簽的距離，就可求出標簽的3D位置 。根據試驗，定位精度可以達到公分等級。系統外觀(guān)示意圖見(jiàn)圖1.1。

圖1.1 定位系統外觀(guān)示意圖

2 軟件設計

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(yǔ)言―G語(yǔ)言的直觀(guān)，快捷的優(yōu)勢，通過(guò)功能模塊的組合和連接可以比較方便的開(kāi)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軟件規范的總稱(chēng)。它是一個(gè)API（應用程序接口），通過(guò)調用底層的驅動(dòng)程序來(lái)控制儀器，向串行口讀寫(xiě)數據。實(shí)現上位機對硬件模塊的控制 。

（1）用VISA Configure Serial Port節點(diǎn)初始化串口

串口設置為：使用串行口COM1，波特率38400bit/s，數據格式為8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。無(wú)握手信號。

（2）用VISA Write節點(diǎn)向標簽發(fā)送命令

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

（3）用VISA Read節點(diǎn)從讀頭緩存區中讀取數據

當通過(guò)VISA Write節點(diǎn)向標簽發(fā)送返回ID號命令時(shí)，用VISA Read節點(diǎn)從讀頭緩存區中讀取數據是ID號字符串，因為會(huì )經(jīng)歷幾個(gè)完整的搜尋過(guò)程，所以返回的ID號會(huì )發(fā)生重復，需要進(jìn)行重號過(guò)濾。每個(gè)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15位計數器開(kāi)始計時(shí)。直到接收返回的超聲波停止計時(shí)。從緩沖區讀取的數據就是計數器的計數值。根據計數值（可計算出超聲波傳播時(shí)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）結束程序，關(guān)閉VISA。

2.2 數據處理

（1）分離ID號字符串

根據返回字符串的格式，去除第一位空格位，第二位功率位，濾除重復ID號，得到有效范圍內所有ID號。

圖1.2 分離ID字符串程序框圖

（2）空間坐標系3點(diǎn)定位

超聲波定位的基本概念既是三點(diǎn)定位方式，利用空間已知三個(gè)點(diǎn)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(gè)讀頭在不同位置時(shí)，這個(gè)3元2次方程的通解是不同的。為了實(shí)現讀頭位置的無(wú)限制擺放，利用數學(xué)方法。解出所有解的情況，利用LABVIEW中的公式節點(diǎn)和CASE 語(yǔ)句，實(shí)現了在讀頭任意擺放的情況下，對標簽進(jìn)行定位。

2.3 從VC中調用LABVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的程序

LABVIEW作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺，以其編程方便，功能強大，應用靈活在測控領(lǐng)域應用日漸廣泛，但是它畢竟是一門(mén)新興的工具軟件，還有許多不足。LABVIEW中的DLL節點(diǎn)在LABVIEW與其他語(yǔ)言之間架起資源互動(dòng)的橋梁。

LabVIEW8.0可以建造動(dòng)態(tài)庫(DLL)，DLL文件完全可以在VC或VB中進(jìn)行調用，因此可以通過(guò)一種間接的辦法實(shí)現LabVIEW程序和Web的結合：首先在LabVIEW中根據需要建造DLL，然后在VC或VB中調用該DLL生成ISAPI或CGI程序，甚至可以在VB中構造COM組件，在A(yíng)SP中調用。

在LABVIEW編程環(huán)境下計算標簽坐標，會(huì )得到兩組解。但在實(shí)際情況中，標簽所在的位置只能有一個(gè)，根據現場(chǎng)具體情況需要舍掉一組值，為了RFID定位系統的客制化需要，在VC環(huán)境下調用已編譯好的LabVIEW程序，根據實(shí)際情況，編譯取舍條件，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

3 結束語(yǔ)

LabVIEW是高效圖形化應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，它結合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開(kāi)發(fā)方式和靈活強大的編程語(yǔ)言。提供一個(gè)直覺(jué)性環(huán)境，并通過(guò)與測量硬件的密切結合，可以迅速開(kāi)發(fā)出有關(guān)數據采集和控制，數據分析和數據顯示的應用系統。基于LABVIEW8.0的RFID-超聲波定位系統，可針對各式的研發(fā)量測或生產(chǎn)線(xiàn)量測需求，快速進(jìn)行客制化的修改。這個(gè)系統可行性高，復雜性低，定位精度高。此系統已在INTEL生產(chǎn)廠(chǎng)房?jì)乳_(kāi)始使用，對大批儀器進(jìn)行監控。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：在對原有的RFID硬件進(jìn)行修改，添加超聲波發(fā)生接收電路的基礎上，使用LABVIEW8.0進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，在VC環(huán)境下進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。此系統最大的研發(fā)特點(diǎn)在于定位精度高，具備生產(chǎn)線(xiàn)整合能力，可以滿(mǎn)足不同行業(yè)的要求。

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