基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)的物品尋找APP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聶壹琦 金力

摘? 要：基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)開發(fā)一款物品尋找APP，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)室內(nèi)定位的系統(tǒng)。主要采用C語(yǔ)言和Java語(yǔ)言，涉及手機(jī)APP的開發(fā)、微信小程序的創(chuàng)立和程序設(shè)計(jì);室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn);電子信號(hào)的發(fā)出、傳遞、接收和解碼。國(guó)內(nèi)各大省市還未有相關(guān)軟件的開發(fā)，該系統(tǒng)可以滿足當(dāng)前人們快速尋找丟失物品的需要。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別;藍(lán)牙;無(wú)線通信;基站定位

中圖分類號(hào)：TP273+.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）01-0076-03

Abstract：Based on RFID technology，we develop an APP for finding objects，which can realize an indoor positioning system. It mainly uses C language and Java language，involving the development of mobile APP，the creation and programming of WeChat applet，the realization of indoor positioning system，the sending，transmission，receiving and decoding of electronic signals. There is no relevant software development in major provinces and cities in China. The system can meet the needs of people to quickly find lost goods.

Keywords：radio frequency identification;Bluetooth;wireless communication;base station positioning

0? 引? 言

RFID是一種利用射頻信號(hào)傳遞信息，利用空間集電極和變壓器采集的信息來識(shí)別磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)?，F(xiàn)在RFID系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各大行業(yè)，并且種類繁多：?jiǎn)涡酒娮訕?biāo)簽、多電子標(biāo)簽識(shí)讀、無(wú)線可讀可寫、無(wú)源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離識(shí)別、適應(yīng)高速度移動(dòng)物體的射頻識(shí)別技術(shù)與產(chǎn)品正在成為現(xiàn)實(shí)并逐漸應(yīng)用。2011～2017年，中國(guó)RFID行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模呈不斷上漲趨勢(shì)，且增速保持較快。

無(wú)線通信主要是不用導(dǎo)線、電纜、光線等有線介質(zhì)，而是用空間來傳遞電磁信號(hào)的通信方式?，F(xiàn)代科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了全球通信業(yè)的突飛猛進(jìn)。自從1967年第一套無(wú)線通訊設(shè)備在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生以來，無(wú)線通信便逐步成為全球通訊行業(yè)的一個(gè)重要組成部分，它的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)占有率呈逐年上漲趨勢(shì)。

近兩年，可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)離不開藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展。隨著藍(lán)牙4.x的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的崛起，藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用也從手機(jī)、平板等便攜式設(shè)備向物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)展，許多基于移動(dòng)平臺(tái)的藍(lán)牙應(yīng)用為整個(gè)無(wú)線市場(chǎng)帶來新的機(jī)遇。

基站定位一般應(yīng)用于手機(jī)用戶。定位的基本原理是：手機(jī)測(cè)量不同基站下鏈路的導(dǎo)頻信號(hào)，得到不同基站下鏈路的導(dǎo)頻或TDOA。根據(jù)測(cè)量結(jié)果和基站的坐標(biāo)，可以利用三角形的公式類別計(jì)算出手機(jī)的位置。本文基于2017年入學(xué)申報(bào)的國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)主要成員研究和學(xué)習(xí)方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。該項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目歷時(shí)兩年，在安徽中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)藥信息工程學(xué)院老師的幫助和支持下，現(xiàn)已成功結(jié)題，擁有實(shí)物成果一項(xiàng)，論文一篇。研究?jī)?nèi)容涉及藥房的藥物管理以及無(wú)人藥房理念的實(shí)現(xiàn)，充分結(jié)合了學(xué)校特色和專業(yè)特色。

1? 研究方法

1.1? 硬件方面

無(wú)線電技術(shù)的原理是改變導(dǎo)體無(wú)線電波中電流的強(qiáng)度。利用這一現(xiàn)象，信息可以通過調(diào)制被充電到無(wú)線電波中。如果電波穿過房間傳到接收端，電波產(chǎn)生的電磁場(chǎng)就在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。通過對(duì)當(dāng)前變化的信息進(jìn)行解調(diào)，達(dá)到信息傳輸?shù)哪康?。我們可以通過室內(nèi)架設(shè)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的方式通過Wi-Fi傳遞信息[1]，也可以在室內(nèi)安裝藍(lán)牙標(biāo)簽，在手機(jī)上打開藍(lán)牙通信接入網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)通過接收藍(lán)牙標(biāo)簽信號(hào)的強(qiáng)度，判斷所在位置。我們還可以通過RFID射頻技術(shù)，在室內(nèi)安裝天線，在物品上貼電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送傳遞和接收，最后再把信息發(fā)送給手機(jī)[2]。

1.2? 軟件方面

我們可以在手機(jī)上制作APP，繪制場(chǎng)地的地圖，把接收到的信息進(jìn)行解碼，在繪制的地圖上實(shí)現(xiàn)定位。

1.3? 技術(shù)方面

我們的室內(nèi)定位技術(shù)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和RFID技術(shù)即射頻識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)[3]。特殊物體可以通過無(wú)線電信號(hào)來識(shí)別，相關(guān)數(shù)據(jù)可以在識(shí)別系統(tǒng)和特定目標(biāo)之間沒有任何機(jī)械或光學(xué)接觸的情況下讀寫。我們可以在藥房上藥的過程中將每一種藥貼上相應(yīng)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽與電腦系統(tǒng)或是手機(jī)APP相連，快速定位那一種類藥物的位置[4]，與此同時(shí)，還可通過電腦系統(tǒng)和手機(jī)軟件看到藥物的使用量和剩余量，讓藥房的工作更加智能化。這樣可以幫助藥師快速找藥，減少他們?cè)跓o(wú)意義勞動(dòng)上所花費(fèi)的力氣，提高工作效率，同時(shí)也能提高病患的滿意度，甚至可以挽救病患生命，因?yàn)橐恍┘膊。ㄈ纾盒呐K?。┑陌l(fā)生需要藥物及時(shí)供給才有生的希望。RFID在室內(nèi)定位技術(shù)雖然出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但是應(yīng)用很廣泛，它是非接觸的，標(biāo)簽可以長(zhǎng)時(shí)間存放，不會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于藥物的室內(nèi)定位具有很大的實(shí)際意義。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于尋找物品開發(fā)的軟件尚無(wú)前例，所以筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)于這個(gè)軟件開發(fā)的前景是十分可觀的;國(guó)外對(duì)于這個(gè)軟件已有一定基礎(chǔ)的研究，將為本團(tuán)隊(duì)的研究提供非常好的借鑒。與筆者團(tuán)隊(duì)研究方向相同的有已經(jīng)成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)——IndoorStar室內(nèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（IDS），適用于GPS信號(hào)未覆蓋或GPS系統(tǒng)不適用的精確實(shí)時(shí)定位、導(dǎo)航等一系列定位服務(wù)。智能終端在覆蓋區(qū)域的導(dǎo)航定位部署，通過在房間或區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建“內(nèi)部衛(wèi)星”，建立區(qū)域三維通信網(wǎng)絡(luò)。另外，從中我們可以了解到電子瓷片的應(yīng)用，該設(shè)備不僅適合丟失東西的用戶，也適合那些意識(shí)到自己缺乏存儲(chǔ)和安排能力的用戶，他們對(duì)這種匱乏感到擔(dān)憂和痛苦?，F(xiàn)在有一些連接的設(shè)備。但沒有一個(gè)是完美的。Tile是目前可以買到的最好的設(shè)備，這是一個(gè)1.5英寸的帶鎖塑料盒，內(nèi)置電池、Bluth4.0芯片，可以將它連接到移動(dòng)應(yīng)用程序，并將其連接到鑰匙鏈、背包、錢包或任何不想丟失的東西上[5]。

本產(chǎn)品屬于軟硬件結(jié)合領(lǐng)域，即實(shí)體硬件與線上APP（小程序）相結(jié)合的產(chǎn)品，目前在市面上所銷售的同類型產(chǎn)品應(yīng)用的大多是藍(lán)牙技術(shù)且支持的是大范圍、長(zhǎng)距離物體定位跟蹤，其特點(diǎn)有應(yīng)用成本高、體積大、耗電快等特點(diǎn)，而本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品運(yùn)用的是RFID無(wú)線射頻技術(shù)，主要應(yīng)用在小范圍、短距離的物品尋找，即室內(nèi)尋物方面，其成本低廉、體積小巧且基本不需要能源供給，所以在短距離尋物方面，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，沒有太大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 軟件框架結(jié)構(gòu)

定位系統(tǒng)主要由手機(jī)后臺(tái)，未知位置點(diǎn)和已知位置點(diǎn)構(gòu)成，手機(jī)后臺(tái)與參考位置點(diǎn)之間以聲音定位算法為依據(jù)進(jìn)行小距離位置識(shí)別定位[6]。

在此種模式下，未知位置點(diǎn)接收已知位置點(diǎn)（小范圍內(nèi)確定的四個(gè)位置點(diǎn)）的發(fā)射信號(hào)，采用串口通信，把信號(hào)強(qiáng)度傳遞給手機(jī)后臺(tái)，后臺(tái)執(zhí)行定位算法，及時(shí)定位未知位置點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)未知位置點(diǎn)的位置。

2.1.1? 位置標(biāo)記

未知位置點(diǎn)：在實(shí)驗(yàn)室的貴重儀器和標(biāo)本上，學(xué)生的水卡、飯卡或銀行卡上，藥房的藥物上，快遞物品上，老年人的公交卡和老年證上貼上含有物品信息的RFID芯片。

已知位置點(diǎn)：在房間的四個(gè)角放置讀卡器。讀卡器選取YXU1861-8 dbi。YXU1861-8 dbi是一款高性能的遠(yuǎn)距離讀卡器，識(shí)別距離遠(yuǎn)，具有多種數(shù)據(jù)接口，工作性能可靠。以廣譜跳頻（FHSS）或定頻發(fā)射方式工作[7]。

每個(gè)已知位置點(diǎn)不斷地向外界發(fā)送ID和位置信息，當(dāng)未知位置點(diǎn)進(jìn)入射頻范圍，就可以接收該位置點(diǎn)的信息。當(dāng)接受的次數(shù)達(dá)到某個(gè)設(shè)定值就對(duì)其取平均值，將位置點(diǎn)的信息通過串口通信發(fā)送給手機(jī)后臺(tái)，手機(jī)后臺(tái)進(jìn)行定位算法。

EPC C1G2電子標(biāo)簽存儲(chǔ)器在邏輯上分為四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域由一個(gè)或更多的存儲(chǔ)字組成。四個(gè)儲(chǔ)存區(qū)分別為：

EPC區(qū)域：EPC存儲(chǔ)的區(qū)域。根據(jù)這個(gè)遠(yuǎn)程讀卡器的規(guī)定，最大容量是15個(gè)EPC碼，是可讀和可寫的。

TID區(qū)：儲(chǔ)存電子標(biāo)簽制造商所設(shè)定的身份ID。目前有兩種身份ID：4字和8字，可讀不可寫。

用戶區(qū)（User）：不同廠商該區(qū)不一樣。Inpinj公司的G2電子標(biāo)簽沒有用戶區(qū)。Philips公司有28字，可讀可寫。

保留區(qū)（Password）：前兩個(gè)字是Kill Password，后兩個(gè)字是Access Password，可讀可寫。

四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)均可寫保護(hù)。寫保護(hù)意味著該區(qū)永不可寫或在非安全狀態(tài)下不可寫;讀只有密碼區(qū)可設(shè)置為讀保護(hù)，即不可讀[8]。

2.1.2? 串口通信

串行接口是將接收到的并行數(shù)據(jù)字符從CPU轉(zhuǎn)換成連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流并將其發(fā)送出去，同時(shí)將接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)字符提供給CPU的一種設(shè)備。串口逐位發(fā)送和接收字節(jié)。雖然它比字節(jié)并行通信慢，但串口可以在使用一條線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，另一條線接收數(shù)據(jù)。它非常簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。如IEEE-488定義并行交通狀態(tài)時(shí)，設(shè)備線路總長(zhǎng)度不超過20米，任意兩個(gè)設(shè)備之間的長(zhǎng)度不超過2米，串口長(zhǎng)度可達(dá)1200米。通常，串行接口用于ASCII字符的傳輸。通信用3根線，即地線、傳輸線和接收線。由于串行通信是異步的，所以端口可以在一行上發(fā)送數(shù)據(jù)，在另一行上接收數(shù)據(jù)。其他線路用于握手，但不需要串行通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)，對(duì)于要通信的兩個(gè)端口，這些參數(shù)必須匹配。

2.2? 定位算法

定位算法是該手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的基本功能提供了重要的支持。以下是定位算法的理論分析和計(jì)算。

根據(jù)平臺(tái)要求，A，B，C，D為聲音接收的四個(gè)已知位置點(diǎn)，該算法對(duì)元坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換，以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo)系，未知位置點(diǎn)N（X，Y）至點(diǎn)A，B，C，D的距離之差為一常數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型：

3? 結(jié)? 論

在這次平臺(tái)設(shè)計(jì)中，曾經(jīng)無(wú)數(shù)次的困難和技術(shù)難關(guān)，但在老師和同學(xué)的幫助下，所面臨的技術(shù)問題都一步一步地解決了?；赗FID射頻識(shí)別技術(shù)的尋找物品平臺(tái)的構(gòu)建是一個(gè)創(chuàng)新的想法，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。學(xué)術(shù)研究開發(fā)不是一件簡(jiǎn)單的事情，需要設(shè)計(jì)者具有全面的專業(yè)知識(shí)、嚴(yán)密的思維、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度以及細(xì)致的分析解決問題的能力，而我們?cè)诤芏喾矫孢€有欠缺。最后，基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)的尋找物品平臺(tái)的構(gòu)建前端搭建已經(jīng)完成，尚要解決的問題是后端部分連接實(shí)現(xiàn)的問題。我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為RFID將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和小范圍定位技術(shù)的“新星”，筆者對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)在“無(wú)人藥房”的實(shí)現(xiàn)將進(jìn)行深入研究。

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作者簡(jiǎn)介：聶壹琦（1998-），女，漢族，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù);通訊作者：金力（1979-），男，漢族，安徽合肥人，講師，碩士研究生，主要研究方向：信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。