基于RFID技術(shù)的裝備庫存管理手持終端研究

王柄欽， 趙翔， 余騰飛， 王永

(1. 陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401311； 2. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 重慶 400074；3. 中央軍委后勤保障部， 北京 100071)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對后勤保障提出了更高的要求，而現(xiàn)階段我軍后方倉庫在裝備庫存管理上面還處于人工登統(tǒng)計出入庫及盤點階段，無法滿足我軍信息化戰(zhàn)爭中后方倉庫對裝備快速、準確識別以及調(diào)配的要求。同時，在此次后勤力量編程改革中，原體制下的后方倉庫經(jīng)過撤并降改，部分原來獨立運營的倉庫合并成一個大單位，而駐地并沒有改變，造成了機關(guān)與保障隊分離的狀況，不便于機關(guān)對下屬分隊裝備情況了解掌握，為管理增添了難度。

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是從20世紀90年代興起的一項自動識別技術(shù)[1]。它是利用電磁感應(yīng)定律或電磁波的空間傳播規(guī)律，通過耦合元件完成射頻信號的非接觸耦合，進行雙向通信，從而識別并交換數(shù)據(jù)，可以一次性識別多個目標以及速度較高的目標。與傳統(tǒng)識別方式相比，RFID技術(shù)具有安全、抗污染能力好、可重復(fù)使用、穿透閱讀、讀取距離遠、一次讀取多個目標等優(yōu)點。本文以裝備器材管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，提出一種基于RFID技術(shù)的裝備管理手持終端的設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)功能需求、硬件構(gòu)成、業(yè)務(wù)流程等。

1 RFID系統(tǒng)

閱讀器、射頻標簽、RFID中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件是常見的RFID系統(tǒng)主要構(gòu)成部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 閱讀器

閱讀器(Reader)又稱為讀寫器，是RFID系統(tǒng)中的重要部件，主要完成與射頻標簽的雙向通信，能夠讀取標簽中的數(shù)據(jù)也可以將數(shù)據(jù)寫入到標簽中，通常由射頻模塊、控制模塊、天線和接口組成。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電子標簽

電子標簽(Electronic Tag)也稱為應(yīng)答器，是IC芯片和天線構(gòu)成的小型無線收發(fā)裝置。按照能量供給方式不同，大致分成無源標簽、有源標簽、半有源標簽3種。工作時，標簽(無源)在收到閱讀器發(fā)出射頻信號后，產(chǎn)生感應(yīng)電流，靠感應(yīng)電流的能量將儲存在芯片中的數(shù)據(jù)發(fā)送出來，或者主動發(fā)送某頻率信號(有源標簽)。

2 基于RFID的裝備庫存管理系統(tǒng)

基于RFID的裝備庫存管理系統(tǒng)由電子標簽、RFID終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、裝備管理信息系統(tǒng)平臺構(gòu)成，總體框架如圖2所示。

圖2 裝備庫存管理信息系統(tǒng)總體框圖

裝備器材信息經(jīng)保管人員統(tǒng)計整理，寫入到射頻標簽中，再由保管人員附著到裝備器材上，通過移動終端內(nèi)置的信息管理系統(tǒng)進行出入庫、庫存查詢、更新裝備信息等操作，通過數(shù)據(jù)線或Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)同步到PC端信息管理系統(tǒng)中，而后經(jīng)軍事綜合信息網(wǎng)上傳到機關(guān)管理平臺匯總，由機關(guān)系統(tǒng)平臺統(tǒng)一維護并管理下屬保障隊所有裝備器材信息。

3 RFID移動手持終端在裝備庫存管理中的應(yīng)用

3.1 采用手持終端管理庫存裝備器材的優(yōu)點

在裝備庫存管理采用移動式終端管理的優(yōu)點主要在以下點體現(xiàn)出來：一是RFID是一種非接觸式識別技術(shù)，而且可以同時識別多個目標，可以在裝備器材出入庫管理中極大提高工作效率[2]；二是通過移動式的終端管理庫存，可以在巡庫檢查過程中實時更新維護裝備器材的狀態(tài)信息，消除了人工登記再手工輸入到電腦中的復(fù)雜程序；三是裝備狀態(tài)信息的更改通過移動終端更新后，能夠利用軍綜網(wǎng)直接傳輸同步至機關(guān)處，消除了庫區(qū)與機關(guān)駐地不同導(dǎo)致的信息同步困難問題以及人工上報的繁瑣流程。

3.2 手持終端功能需求分析

根據(jù)系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能目的和部隊裝備管理規(guī)程，RFID手持終端應(yīng)具有以下的功能[3]：

裝備信息管理功能。采用RFID技術(shù)，應(yīng)具備通過對電子標簽或者二維碼的讀寫，完成對裝備信息的采集錄入、管理以及按條件查詢功能。

裝備日常管理功能。在日常使用中，保管人員應(yīng)能夠依靠終端完成裝備出入庫登記、庫存盤點、維修保養(yǎng)記錄以及轉(zhuǎn)級退役等基本管理功能。

裝備狀態(tài)預(yù)警提醒功能。在裝備達到規(guī)定儲存期限或者經(jīng)歷過若干次大修以及出現(xiàn)過重大故障時，當(dāng)管理人員進行查庫、盤點時，應(yīng)能夠提供預(yù)警提醒功能。

數(shù)據(jù)同步以及用戶管理功能。還應(yīng)具備將裝備信息數(shù)據(jù)同步至PC端信息管理平臺上以及移動終端軟件版本升級安裝的功能。

3.3 RFID終端總體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵模塊的選型

RFID手持終端需要滿足的主要性能指標有：射頻模塊滿足ISO/IEC 18000-6 Type-C標準，具有較好普遍適用性，工作頻段為920-925MHz，讀卡距離(線極化)>6米、(圓極化，室內(nèi))>15米，通訊接口為USB Type-C，同時支持Zigbee和藍牙數(shù)據(jù)通信接口。[4]總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 手持終端總體結(jié)構(gòu)圖

3.3.1 處理器的選型

當(dāng)前常見微處理器架構(gòu)主要有ARM、MIPS、PowerPC、X86/Atom等，其中ARM/MIPS/PowerPC均是基于精簡指令集；X86則是基于復(fù)雜指令集，Atom是x86的精簡版。ARM架構(gòu)處理器以其能耗低、價格低的優(yōu)勢占據(jù)了可攜帶式設(shè)備32位嵌入式處理器75%應(yīng)用份額，后續(xù)又推出了Cortex- A73、A72、A57、A53和A35幾款64位處理器，性能、功耗和能耗都有了進一步的提升。

結(jié)合RFID手持終端性能需求，綜合比較，選取的處理器為ARMv8-A架構(gòu)的Cortex-A53處理器，它相對于同樣采用v8-A架構(gòu)的A73、A72、A57、A35處理器，具有功耗低、能耗高、可靠性高的優(yōu)點，結(jié)合big.LITTLE處理技術(shù)，能夠使平臺發(fā)揮最大的性能范圍，并且大幅度地降低功耗。

3.3.2 嵌入式系統(tǒng)的選型

常用的基于ARM的嵌入式操作系統(tǒng)有：Android、嵌入式LINUX、WinCE、TinyOS等，考慮到成本、可移植性、開發(fā)性等因素，選擇Android作為系統(tǒng)平臺，主要原因為：1、Android平臺為開源平臺，按照規(guī)范進行開發(fā)，不需要授權(quán)費，節(jié)省成本。2、Android平臺支持SQLite數(shù)據(jù)庫，相對與其他平臺在對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行存儲上有較大優(yōu)勢。3、作為一款智能操作系統(tǒng)，在市面上使用率高，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，而且可以根據(jù)需求開發(fā)以及安裝所需應(yīng)用，能減少一定工作量。

3.3.3 射頻芯片的選型

射頻芯片選型之前應(yīng)先確定RFID系統(tǒng)的工作頻段。依據(jù)工作頻率區(qū)分，射頻標簽可以分為低頻(125 Khz-134 Khz)、中高頻(3 Mhz-30 Mhz)、超高頻(860 MHz-928 Mhz)和微波(2.45 Ghz、5.8 Ghz)五個頻段，其中低頻和高頻標簽的讀寫距離都小于1米，超高頻以及微波標簽讀寫距離大，典型值為4到7米，最大能達到10米以上，比較符合部隊平時裝備器材庫存管理的使用場景，現(xiàn)階段超高頻模塊與超高頻讀寫器在工業(yè)化應(yīng)用上有長足的應(yīng)用，技術(shù)比較成熟，標簽在3米至10米距離上傳輸速率也比較快，多標簽識別能力較強，故選定RFID系統(tǒng)的主要頻段為860 MHz-928 Mhz的超高頻頻段。

當(dāng)前市面上應(yīng)用比較廣泛的超高頻芯片主要是美國英頻杰公司的R2000芯片以及奧地利微電子公司的AS3992芯片。兩款芯片相比較，R2000具有高性能、靈活性好、兼容性高的特點，具體優(yōu)勢為：1.在單閱讀器條件下，接收靈敏度可達-84 dBm，好于AS3992。2.內(nèi)置了ISO/IEC 18000 6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)，工作頻率為920-925 MHz，協(xié)議完整性高。3.R2000芯片專有自干擾對消 (SJC) 技術(shù)，即使在金屬豐富的環(huán)境中發(fā)生天線反射，也始終能保持性能，更加適合部隊裝備器材管理的使用環(huán)境。故選用英頻杰公司的R2000芯片作為手持終端芯片。

3.4 RFID移動終端功能設(shè)計

RFID裝備器材管理移動終端與PC端管理信息系統(tǒng)平臺搭配使用，采取模塊化設(shè)計思想，設(shè)信息管理、日常管理、預(yù)警提醒、數(shù)據(jù)同步、系統(tǒng)設(shè)置5個管理模塊，如圖4所示。

圖4 移動終端功能結(jié)構(gòu)圖

標簽管理模塊：主要包含電子標簽中裝備信息的錄入、修改、查詢以及刪除功能。通過信息管理功能，管理人員能夠按照自己指定的條件項目對裝備器材信息進行查詢，如：裝備型號、存放位置、儲存性質(zhì)等；同時能夠?qū)ρb備器材各種信息進行錄入、修改、刪除等。

日常管理模塊：主要包含出入庫管理、庫存盤點、維修保養(yǎng)登記、轉(zhuǎn)級、退役登記功能。利用此模塊管理人員能夠使用終端填寫裝備出入庫憑證、更新維修記錄、保養(yǎng)記錄、轉(zhuǎn)級記錄、退役記錄，同時可以對當(dāng)前庫存進行盤點。

預(yù)警提醒模塊：主要包含大修次數(shù)提醒、裝備重大故障預(yù)警、儲存年限提醒功能?？梢愿鶕?jù)裝備的狀態(tài)信息，當(dāng)大修次數(shù)、重大故障次數(shù)以及儲存年限到達臨界值之后，為保管人員提供預(yù)警功能，從而引起保管員的重點關(guān)注，減少管理中的疏漏。

數(shù)據(jù)同步功能模塊：主要包含數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)接收功能。在管理人員對裝備器材信息進行維護后，使用此功能完成對PC端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳工作和從PC端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收工作。

系統(tǒng)設(shè)置功能模塊：主要包含用戶管理、登錄和版本升級功能。針對不同種類管理人員設(shè)置不同類型用戶，所涉及的權(quán)限不同，同時可以通過數(shù)據(jù)線與電腦連接，完成軟件版本升級功能。

3.5 裝備管理業(yè)務(wù)流程

因文章篇幅有限，系統(tǒng)中對應(yīng)的業(yè)務(wù)流程較多，故選取裝備入庫以及查庫預(yù)警提醒兩個流程進行描述。

3.5.1 裝備器材入庫

流程圖如圖5所示。

圖5 裝備入庫流程圖

裝備器材入庫流程[5]：裝備到達之后，單位組織人員進行驗收，當(dāng)裝備驗收合格后，保管人員利用移動終端將裝備型號、編號、狀態(tài)、存放位置等基本信息輸入系統(tǒng)后，在裝備合適位置粘附射頻標簽，然后利用終端讀寫器將裝備信息寫入標簽，最后將數(shù)據(jù)同步至PC端裝備信息管理系統(tǒng)中。

3.5.2 查庫巡檢

如圖6所示。

圖6 查庫預(yù)警提醒流程圖

查庫巡檢預(yù)警流程：保管人員進行日常查庫巡檢時，進入射頻標簽感應(yīng)區(qū)域并讀取裝備信息，當(dāng)某型裝備保管信息達到系統(tǒng)中根據(jù)管理規(guī)程設(shè)定的提醒閾值后，會在移動終端進行消息彈窗提醒，保管人員根據(jù)系統(tǒng)提醒的內(nèi)容信息，做出相對應(yīng)的措施，完成之后對標簽信息進行寫入更新，最后同步至PC端裝備信息管理系統(tǒng)中，如果沒有達到提醒閾值，直接更新巡查信息后進行數(shù)據(jù)同步。

4 數(shù)據(jù)同步方式確定

當(dāng)前市面上手持終端一般具有無線傳輸與有線傳輸兩種方式，部隊安全保密管理要求高，而且對USB接口進行管控，故數(shù)據(jù)同步主要使用有線傳輸方式，次要使用無線傳輸方式。

有線傳輸采用USB轉(zhuǎn)接RJ45轉(zhuǎn)接線進行連接同步。目前主流無線傳輸技術(shù)主要有WiFi、Zigbee、藍牙三種，藍牙傳輸距離一般在10 m以左右，不能解決從庫房到辦公樓之間進行無線傳輸?shù)膯栴}，從而排除掉藍牙傳輸；WiFi與Zigbee技術(shù)特點對比如表1所示。

表1 WiFi與Zigbee技術(shù)特點對比表

通過對比，Zigbee技術(shù)功耗低、可靠性高、成本低、覆蓋距離大、網(wǎng)絡(luò)拓展性高以及安全性高的優(yōu)勢[6]，傳輸速率雖然低于WiFi，但是滿足本系統(tǒng)傳輸速率要求，尤其在安全性上，支持128 bit AES加密算法，是目前最好的文本加密算法之一，可以保護數(shù)據(jù)凈荷以及防止攻擊者冒充合法器件，安全性遠遠大于WiFi，滿足部隊安全保密要求，最終選定Zigbee通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)同步方式。

5 結(jié)束語

終端在實驗室條件下群讀速度可達200標簽/秒，室內(nèi)最大讀寫距離可達20米,Zigbee通信節(jié)點空曠條件下傳輸距離200 m，遇復(fù)雜障礙時數(shù)據(jù)有丟失情況，重發(fā)后可達100%信息正確率。本文分析了RFID技術(shù)技術(shù)在部隊裝備庫存管理中的應(yīng)用前景，并以裝備日常管理為基礎(chǔ)，提出了一種RFID手持終端的的設(shè)計方案，詳細說明了終端核心部件的選型以及軟件功能需求，確定了以Zigbee通信技術(shù)為支撐數(shù)據(jù)同步方式，對現(xiàn)代后勤裝備管理方式改革上有一定推廣價值。