基于超高頻RFID的手持抄表終端的設(shè)計(jì)*

吳瓊，杜博，蘇全志，王玨，張秋月

(哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱 150028)

0 引 言

在中國，隨著生活水平的提高，對物品的需求量也在逐步增加，而識別物品種類和信息的技術(shù)也在更新?lián)Q代。發(fā)展較早的條形碼技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且具有價格低廉的特點(diǎn)，而物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生，凸顯了它的缺點(diǎn)，比如其識別條件嚴(yán)苛且只可單一識別，已然無法滿足人們快速清點(diǎn)物品的需要。具有遠(yuǎn)距離快速批量識別的RFID電子標(biāo)簽也就隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而產(chǎn)生，其支持上萬次擦寫，可存儲的信息量更大也更豐富，RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用將是未來企業(yè)生產(chǎn)管理和物流管理的智能化、快捷化的保證[1]。

在電力生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)中，電能表的抄收數(shù)據(jù)快速與準(zhǔn)確一直是人們關(guān)心的問題，而抄收技術(shù)也一直在更新進(jìn)步，而RFID的普及正好符合了人們對此的需求。此系統(tǒng)利用RFID遠(yuǎn)距離讀取、批次處理的特點(diǎn)，即可瞬間自動讀取大量標(biāo)簽的信息，大幅度減少追蹤查找的時間，提高查詢和盤點(diǎn)的精確度[2]，將Android操作系統(tǒng)和超高頻RFID技術(shù)、WiFi/3G/4G以及云平臺等技術(shù)相結(jié)合開發(fā)一款手持式的RFID設(shè)備，意在解決電能表行業(yè)目前仍存在的共性問題，有效提高電能表的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性和管理運(yùn)維的便捷性，最大程度減輕工作人員的工作量。

1 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用需求，此款RFID手持抄表終端應(yīng)該具備的主要功能：

(1)具有電力類數(shù)據(jù)讀寫功能，對電表內(nèi)電子標(biāo)簽的電量、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并可以一次抄收多臺電能表的數(shù)據(jù);

(2)具說電能表信息類盤存抄讀功能，對倉庫內(nèi)電能表的表號快速讀取方便進(jìn)行電能表倉儲統(tǒng)計(jì)管理;

(3)具有無線通信功能，把采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)或者4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺，有利于數(shù)據(jù)的保存、調(diào)用和分析;

(4)具有顯示功能，應(yīng)有人機(jī)交互界面，應(yīng)用人們?nèi)粘Ｉ钜呀?jīng)熟悉的Android系統(tǒng)進(jìn)行界面開發(fā)，更有利于施工人員操作。

RFID手持終端抄表系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 抄表系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of meter reading system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該RFID手持抄表終端主要包括RFID模塊、顯示模塊、電源模塊、WiFi模塊、4G通信模塊等各大功能模塊，每個模塊都有實(shí)現(xiàn)的具體功能，為了實(shí)現(xiàn)整體功能，分開設(shè)計(jì)各個模塊的具體電路，系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of system hardware structure

RFID手持抄表終端以微處理器為核心。需要對各個模塊進(jìn)行精確有效的控制，讓各個模塊之間的功能相互作用，達(dá)到數(shù)據(jù)抄收上傳和存儲。其中RFID模塊采集電力數(shù)據(jù)信息和電能表信息，然后發(fā)回微處理器，微處理器在顯示模塊上顯示采集的信息，同時也可以將采集的信息通過4G通信模塊、WiFi模塊傳給云平臺系統(tǒng)[2]。

2.1 微處理器的選型

MSM8916微處理器為四核核心，主頻1.2 GHz起，最高可能達(dá)到1.4 GHz，此外內(nèi)存支持單通道64-bitLPDDR2/3，視頻編碼支持H.265，此外還整合MSM9x25基帶，無線網(wǎng)絡(luò)則支持WiFi802.11ac、藍(lán)牙4.1，存儲接口標(biāo)準(zhǔn)eMMC 4.5等，集成度很高，有效提升電池供電能力也就是降低功耗，從實(shí)際應(yīng)用和投入生產(chǎn)方面考慮，微處理的價格、節(jié)能和低功耗都是重要的選擇因素，MSM8916微處理器有著大份額的市場占比，使得其價格低廉，眾多多媒體功能整合到基帶芯片上，大大減少外圍器件，提高芯片集成度，并且降低手持機(jī)功耗、縮小手機(jī)主板所占面積[3]。這也成為選擇高通MSM8916微處理器的重要考量指標(biāo)。

2.2 射頻識別芯片的選型

在這個系統(tǒng)中，射頻芯片的性能可以成為評判整體系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素，對市面上流通較廣的PR9000、AS3992和R2000進(jìn)行綜合考量，通過表1對比得知，三款均支持ISO18000-6C協(xié)議，其中Indy R2000在接收靈敏度和功率調(diào)節(jié)范圍方面有明顯優(yōu)勢，并且R2000是唯一一款具有載波抑制能力的讀寫器芯片，這一特點(diǎn)可以優(yōu)化開發(fā)平臺的性能。

表1 射頻芯片對比表Tab.1 Comparison table of radio frequency chip

在設(shè)計(jì)中選擇Indy R2000超高頻RFID讀寫器的射頻前端芯片，Indy R2000芯片負(fù)責(zé)發(fā)送、接收、解調(diào)和基帶信號處理功能[4],Indy R2000開發(fā)平臺如圖3所示。

圖3 Indy R2000閱讀器開發(fā)平臺Fig.3 Development platform of Indy R2000 reader

2.3 WiFi模塊

WiFi模塊選用的是低成本低功耗串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的WiFi模塊，型號為HLK-RM10。該模塊具有豐富的外設(shè)通信接口，在文中設(shè)計(jì)的手持抄表終端中，主控芯片MSM8916通過串口與HLK-RM10相連，無需進(jìn)行任何配置更改，即可實(shí)現(xiàn)WiFi傳輸信息[4]。

HLK-RM10模塊支持STA、AP和STA+AP三種工作模式，而且每個模式還包括TCP服務(wù)器、TCP客戶端和UDP三個子模式。STA模式下，WiFi模塊需要通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)；AP模式為模塊默認(rèn)模式，模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其他無線設(shè)備與模塊通信，形成無線局域網(wǎng)；STA+AP模式則為以上另種模式共存狀態(tài)[5-6]。根據(jù)RFID手持抄表終端的功能需求，采用WiFi模塊的AP模式。

圖4 WiFi模塊程序流程圖Fig.4 Flow chart of WiFi module program

WiFi模塊內(nèi)置有AT指令集，在AT模式下，主控模塊可通過串口的AT指令對WiFi模塊進(jìn)行參數(shù)功能配置。設(shè)計(jì)中將RFID手持終端的WiFi模塊設(shè)置為客戶端模式，上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)置為服務(wù)器模式，由于模塊已經(jīng)內(nèi)嵌了TCP/IP，因此無需協(xié)議轉(zhuǎn)換的相關(guān)軟件程序設(shè)計(jì)，RFID手持抄表終端便可將采集到的數(shù)據(jù)可直接通過WiFi模塊上傳到上位機(jī)。具體WiFi模塊程序流程如圖4所示。

為了考慮RFID手持抄表終端的使用環(huán)境的多變性，對WiFi不存在的情況做了備選方案，也就是4G通信模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)選用4G LTE模塊，因其承載的無線技術(shù)提供高頻譜效率、高速率、低時延的特點(diǎn)[7]。

3 安卓系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

本手持抄表終端使用Android系統(tǒng)，其提供了一個免費(fèi)的開源SDK，應(yīng)用JAVA語言[8]，開發(fā)出便于抄表員使用抄表機(jī)(Android界面簡單、易操作)，便于抄表員上傳數(shù)據(jù)(WiFi/4G上傳抄表數(shù)據(jù))、還便于抄表員查詢電能表信息(二維碼識別、RFID識別)，可以應(yīng)用于電能表的倉儲管理和電能表抄收電能信息，可以做到便捷靈活攜帶、信息準(zhǔn)確快遞接收等特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)中的Android系統(tǒng)共分成6個主要的功能模塊，以便于用戶操作為前提，注冊及登錄功能是必須要有的；其次作為客戶端軟件，必定要有抄表功能和庫房管理功能；最后還有一些有助于抄表的輔助功能，也是該客戶端軟件的創(chuàng)新功能，如RFID功率、RFID中心頻率查詢等功能[9]。安卓系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。

圖5 安卓系統(tǒng)功能框圖Fig.5 Functional block diagram of Android system

每個功能模塊之間的依賴關(guān)系和系統(tǒng)的主要執(zhí)行順序如下所示：

(1)系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)入登錄界面。用戶第一次使用時，需要注冊賬號，手動輸入賬號、密碼和確認(rèn)密碼才能夠進(jìn)行注冊。注冊賬號后，登錄賬號前可以選擇記住賬號、密碼，這樣下次啟動程序就不需要再次輸入賬號密碼了;

(2)通過登錄驗(yàn)證后，進(jìn)入到RFID連接界面，通過藍(lán)牙對RFID進(jìn)行掃描并連接需要的RIFD設(shè)備;

(3)進(jìn)入抄表功能界面，會有單抄和群抄兩種抄表方式供選擇。單抄需要手動輸入表號獲取相應(yīng)表信息，群抄可直接獲得多個電能表表號及相應(yīng)信息。最后所有數(shù)據(jù)都可上傳至云平臺，并具有表維護(hù)功能;

(4)進(jìn)入庫房管理界面，可以查詢庫房中電能表出庫、入庫情況;

(5)進(jìn)入設(shè)備界面，可進(jìn)行RFID功率、RFID中心頻率查詢;

(6)進(jìn)入設(shè)置界面，可以對RFID參數(shù)、系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)置。

3.1 安卓系統(tǒng)RFID功率操作界面

RFID手持抄表終端可以對RFID中心功率及RFID工作頻率進(jìn)行設(shè)置[10-11]，其中中心工作頻率是針對各個國家不同的頻段進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置界面如圖6(a)所示。而工作頻率的設(shè)置，主要是依據(jù)手持終端與電能表的距離，當(dāng)開啟終端時，它會自動獲取一個頻率，也可以根據(jù)自己的判斷手動調(diào)節(jié)，當(dāng)采集距離更遠(yuǎn)的電能表數(shù)據(jù)可以適當(dāng)調(diào)高工作頻率，當(dāng)采集距離近時可以調(diào)低工作頻率來達(dá)到省電的目的，設(shè)置界面如圖所示6(b)所示。

圖6 RFID功率操作界面Fig.6 RFID power operation interface

3.2 安卓系統(tǒng)抄表相關(guān)操作界面

該界面共有三部分功能：單抄、群抄、表維護(hù)。抄表界面如圖7(a)所示。

圖7 抄表界面Fig.7 Meter reading interface

(1)單抄是通過點(diǎn)擊連接之后用RFID掃描標(biāo)簽。在“表地址”處輸入電能表表號，通過點(diǎn)擊“電量”、“電壓”、“電流”、“功率”等按鈕可以獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)[10]。通過界面右上角的隱藏菜單可以對抄讀上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并上傳到云平臺。單抄界面如圖7(b)所示;

(2)群抄是指通過RFID掃描周邊多個電能表，并顯示電能表主要數(shù)據(jù)，即連接成功后通過點(diǎn)擊“開始”按鈕可以獲取相應(yīng)的電能表信息，包括：表號、電能表當(dāng)前時間、電能表當(dāng)前總電量、電能表當(dāng)前尖電量、電能表當(dāng)前峰電量、電能表當(dāng)前平電量、電能表當(dāng)前谷電量、電能表凍結(jié)時間、電能表凍結(jié)總電量、電能表凍結(jié)尖電量、電能表凍結(jié)峰電量、電能表凍結(jié)平電量、電能表凍結(jié)谷電量、運(yùn)行狀態(tài)字1、運(yùn)行狀態(tài)字3、運(yùn)行狀態(tài)字4。通過界面右上角的隱藏菜單可以對抄讀上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并上傳到云平臺。群抄界面如圖7(c)所示。

3.3 安卓系統(tǒng)庫房管理操作界面

客戶端中的庫房管理功能模塊是旨在智能電能表在出庫入庫時能做到準(zhǔn)確記錄，并在需要?dú)v史記錄時，能夠通過輸入電能表表號來查詢到庫房管理的數(shù)據(jù)。庫房管理界面如圖8所示。

圖8 庫房管理界面Fig.8 Storeroom management interface

4 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)共放置50只電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，手持終端分別在離表臺1、2、3、3.25、3.5、4米的位置進(jìn)行測試，在眾多測試中選取較有代表性的三次實(shí)驗(yàn)和50次實(shí)驗(yàn)的平均值如表2所示，在3 m內(nèi)無遮擋的情況下準(zhǔn)確率可以達(dá)到99%，但是超過三米準(zhǔn)確率就會下降，并十分不穩(wěn)定，出于經(jīng)濟(jì)和實(shí)際需求考慮，三米內(nèi)采集數(shù)據(jù)已符合項(xiàng)目要求。

表2 距離測試準(zhǔn)確率表Tab.2 Accuracy rate table of distance test

在進(jìn)行的群抄實(shí)驗(yàn)中某次實(shí)驗(yàn)上傳至云平臺的群抄抄表數(shù)據(jù)，云平臺可以快速的接收及保存數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 群抄抄表數(shù)據(jù)Fig.9 Group meter reading data

5 結(jié)束語

文中介紹了基于超高頻RFID的手持抄表終端關(guān)鍵技術(shù)研究，手持抄表終端總體的設(shè)計(jì)方案，并在主控芯片選型、RFID識別模塊以及通信模塊等方面進(jìn)行了著重分析。同時對基于Android操作系統(tǒng)的手持抄表終端軟件部分進(jìn)行了簡要介紹。設(shè)計(jì)的方案成本控制良好，在項(xiàng)目中使用狀態(tài)良好，具有可觀的前景，可投入生產(chǎn)，并且方便移植到其他領(lǐng)域。