“互聯(lián)網(wǎng)+計(jì)量”模式下樣品動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)研究

楊葉花，黃鋒，沈仁怡，黃楊清，張志宏，符俊

（廣州計(jì)量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州510030）

0 引言

現(xiàn)有計(jì)量流程中，計(jì)量樣品的狀態(tài)查詢是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，大部分計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)被檢樣品采用人工或半自動(dòng)化條形碼標(biāo)簽管理方式，由于交接環(huán)節(jié)多、工作量大，這兩種方式均會(huì)造成被檢樣品丟失、樣品追蹤缺乏信息化、人員依賴性強(qiáng)和信息更新不及時(shí)等問題。當(dāng)前，我國正處于不斷加強(qiáng)“互聯(lián)網(wǎng)+計(jì)量”公共服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)階段，適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的計(jì)量服務(wù)流程需要靠產(chǎn)品和服務(wù)的數(shù)字化來保障［1-4］。為了降低被檢計(jì)量器具管理成本、加強(qiáng)樣品管控、優(yōu)化樣品追蹤流程、加強(qiáng)數(shù)字化計(jì)量建設(shè)，開發(fā)了一種基于無線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）的樣品動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)。

RFID是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器、標(biāo)簽和閱讀器之間的通信，具有成本低、無需人工干預(yù)完成信息輸入和處理、可重復(fù)使用、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)［6-10］，廣泛應(yīng)用于企業(yè)資產(chǎn)追蹤與管理、醫(yī)院對(duì)患者的實(shí)時(shí)定位、物流等領(lǐng)域。文中主要研究RFID在計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)對(duì)待檢樣品的動(dòng)態(tài)追蹤與管理的應(yīng)用，其原理是把一個(gè)微型、具有唯一身份標(biāo)識(shí)的電子標(biāo)簽附在待檢樣品表面，通過路標(biāo)激勵(lì)器和閱讀器實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢樣接收、入庫、出庫、送檢等全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和信息自動(dòng)更新。

本文介紹了樣品動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、路標(biāo)激勵(lì)器、半有源電子標(biāo)簽、閱讀器的具體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的測試。

1 動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由（激勵(lì)器、電子標(biāo)簽、閱讀器）三元雙頻RFID系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成。路標(biāo)激勵(lì)器把無線載波通過125 kHz低頻天線向外輻射；送檢樣品佩戴電子標(biāo)簽在輻射天線的輻射范圍內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽被激勵(lì)喚醒，接收路標(biāo)激勵(lì)器的定位信息和命令，進(jìn)入預(yù)設(shè)的工作狀態(tài)，將自身的ID號(hào)、激勵(lì)器的ID號(hào)、電源電壓和場強(qiáng)強(qiáng)度等信息打包，通過2.4 GHz高頻天線發(fā)送給閱讀器；閱讀器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，傳送到應(yīng)用系統(tǒng)；應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)激勵(lì)器ID號(hào)、場強(qiáng)強(qiáng)度和電子標(biāo)簽ID號(hào)，判斷哪些標(biāo)簽（即送檢樣品）經(jīng)過或處在該ID號(hào)的激勵(lì)器附近。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 路標(biāo)激勵(lì)器

為滿足計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)內(nèi)不同存放區(qū)域的需要，路標(biāo)激勵(lì)器分為通過式激勵(lì)器和存儲(chǔ)式激勵(lì)器。通過式激勵(lì)器的目的是標(biāo)記RFID電子標(biāo)簽的物流流向，用于識(shí)別樣品進(jìn)入了哪個(gè)場所（實(shí)驗(yàn)區(qū)）安裝在電梯口、過道和實(shí)驗(yàn)室門口；存儲(chǔ)式激勵(lì)器的目的是標(biāo)記電子標(biāo)簽的放置位置，用于識(shí)別樣品處在哪個(gè)具體位置安裝在倉庫貨架上，激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。激勵(lì)器通過串口連接PC，主要接收上位機(jī)的控制命令，并對(duì)外發(fā)射125 kHz的無線射頻信號(hào)，有電子標(biāo)簽進(jìn)入125 kHz激發(fā)區(qū)時(shí)，將電子標(biāo)簽喚醒，并將激勵(lì)器的ID號(hào)、命令、參數(shù)信息發(fā)送給電子標(biāo)簽。125 kHz激勵(lì)器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)2～3 m的定位精度，結(jié)合場強(qiáng)強(qiáng)度可以對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行準(zhǔn)確定位。存儲(chǔ)式激勵(lì)器還帶有2.4 GHz模塊，主要是對(duì)電子標(biāo)簽程序進(jìn)行無線升級(jí)。

圖2 激勵(lì)器結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 半有源電子標(biāo)簽

圖3 是電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)原理圖，半有源電子標(biāo)簽采用了雙頻電子標(biāo)簽技術(shù)，即在一張電子標(biāo)簽上實(shí)現(xiàn)了125 kHz低頻和2.4 GHz高頻雙頻率的集成。半有源電子標(biāo)簽平時(shí)處于待機(jī)低功耗狀態(tài)，只有進(jìn)入激勵(lì)器的激發(fā)區(qū)域，125 kHz部分被動(dòng)接收激勵(lì)器發(fā)出的信號(hào)時(shí)，才由低頻部分激活微控制器和2.4 GHz高頻部分，進(jìn)入主動(dòng)狀態(tài)，接收激勵(lì)器的ID號(hào)、命令、參數(shù)信息后，合并半有源電子標(biāo)簽的ID號(hào)、電池電量、場強(qiáng)強(qiáng)度、參數(shù)信息，并對(duì)外發(fā)射2.4 GHz的無線射頻信號(hào)，一旦電子標(biāo)簽離開激勵(lì)器的激發(fā)區(qū)域，電子標(biāo)簽重新進(jìn)入待機(jī)低功耗狀態(tài)，主控芯片選用超低功耗的MSP430微控制器，因此，耗電量極低，其中整機(jī)休眠電流6μA，可大約延長電子標(biāo)簽電池一倍以上的使用壽命。

圖3 電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)原理圖

實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)電子標(biāo)簽程序進(jìn)行適當(dāng)更新，傳統(tǒng)應(yīng)用程序的升級(jí)采用有線方式，升級(jí)過程中要拆卸電子標(biāo)簽，由于待檢樣品數(shù)量繁多，使用的電子標(biāo)簽數(shù)量多，為了彌補(bǔ)電子標(biāo)簽程序傳統(tǒng)更新方式的不足，提高程序升級(jí)效率，本設(shè)計(jì)對(duì)電子標(biāo)簽應(yīng)用程序的升級(jí)采取無線方式。

選用2.4 G模塊收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多發(fā)送數(shù)據(jù)，激勵(lì)器通過向電子標(biāo)簽發(fā)送要更新的應(yīng)用程序，可穩(wěn)定、快捷地完成多個(gè)電子標(biāo)簽程序的升級(jí)。實(shí)現(xiàn)機(jī)制是在電子標(biāo)簽的MSP430芯片中放置兩段代碼:一段為應(yīng)用程序，另一段為bootloader程序，兩者分開存儲(chǔ)，利用bootloader程序擦除應(yīng)用程序并寫入新的代碼，并且保證 bootloader程序不會(huì)被擦除，還需要做中斷映射。

將要升級(jí)的應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，并生成txt文件，打開上位機(jī)軟件，如圖4所示，當(dāng)上位機(jī)與電子標(biāo)簽建立通信后，選擇要升級(jí)的txt的應(yīng)用程序，點(diǎn)擊發(fā)送文件，待升級(jí)完成并校驗(yàn)成功后，點(diǎn)擊退出即完成本次升級(jí)。

1.3 閱讀器

圖4 電子標(biāo)簽無線升級(jí)的管理系統(tǒng)

閱讀器采用中斷的方式，通過2.4 GHz高頻模塊接收電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)通過網(wǎng)口模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用系統(tǒng)，閱讀器的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。網(wǎng)口模塊是將TCP/UDP數(shù)據(jù)包與RS232/RS485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸，具有功耗低、速度快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

圖5 閱讀器結(jié)構(gòu)原理圖

2 樣品動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)的測試

2.1 電子標(biāo)簽待機(jī)電流

電子標(biāo)簽由3.3 V恒壓源供電，電流表串聯(lián)在電源輸出端和電子標(biāo)簽電源輸入端，電子標(biāo)簽開機(jī)后通過2.4 G發(fā)送信息給閱讀器驗(yàn)證其處于正常工作狀態(tài)，隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，經(jīng)測試，啟用低功耗設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽待機(jī)狀態(tài)下的電流為6μA。

2.2 準(zhǔn)確性和防碰撞測試實(shí)驗(yàn)

圖6所示為搭建的管理系統(tǒng)測試裝置圖。路標(biāo)激勵(lì)器的供電電壓為5 V，閱讀器的供電電壓為12 V，電子標(biāo)簽由CR2032供電，電子標(biāo)簽放置在離路標(biāo)激勵(lì)器2 m的貨架上，閱讀器與電子標(biāo)簽相隔30 m，路標(biāo)激勵(lì)器通過125 kHz低頻天線定時(shí)發(fā)送“呼喚”命令，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，受到激勵(lì)器的觸發(fā)時(shí)，電子標(biāo)簽被喚醒、判斷接收的數(shù)據(jù)進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。接收命令正確，電子標(biāo)簽將自身ID、激勵(lì)器ID、命令及場強(qiáng)強(qiáng)度等信息通過2.4 G發(fā)送到閱讀器，并通過網(wǎng)口模塊傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)，隨后回到低功耗待機(jī)狀態(tài)。分別進(jìn)行單個(gè)電子標(biāo)簽和多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)被激勵(lì)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 準(zhǔn)確性和防碰撞性測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測試表明，單個(gè)電子標(biāo)簽被激勵(lì)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)誤判、漏讀現(xiàn)象；200張電子標(biāo)簽同時(shí)被激勵(lì)時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)誤讀現(xiàn)象，但平均漏讀率為5‰，即對(duì)200個(gè)標(biāo)簽同時(shí)激勵(lì)1000次，每個(gè)標(biāo)簽有5次以內(nèi)的漏讀，995次正常接收。這是由于多標(biāo)簽同時(shí)發(fā)出2.4 G應(yīng)答信號(hào)，在空間發(fā)生碰撞，導(dǎo)致閱讀器不能識(shí)別，而只有一個(gè)標(biāo)簽不會(huì)碰撞。因此，電子標(biāo)簽需啟動(dòng)防碰撞機(jī)制。樣品佩戴的電子標(biāo)簽受通過式和存儲(chǔ)式激勵(lì)器兩種方式激勵(lì)，通過式激勵(lì)器是在樣品運(yùn)送過程中激勵(lì)電子標(biāo)簽，此時(shí)樣品在手推車上，樣品數(shù)量一般不超過30件（其中對(duì)小件樣品，如壓力表、玻璃溫度計(jì)，實(shí)驗(yàn)室一般按批次進(jìn)行樣品交接識(shí)別），同時(shí)激勵(lì)區(qū)一般有4 m的區(qū)域，手推車行進(jìn)速度約4 km/h，通過這個(gè)區(qū)域耗時(shí)超過3 s，通過式激勵(lì)器的激勵(lì)頻率為1次/s，標(biāo)簽?zāi)苁盏?次激勵(lì)。30件樣品中的某一件連續(xù)3次激勵(lì)都不成功的機(jī)率極低，按數(shù)據(jù)仿真在百萬分之一內(nèi)，漏讀風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍。倉儲(chǔ)式激勵(lì)器觸發(fā)區(qū)樣品數(shù)量由貨架的層數(shù)及擺放方式?jīng)Q定，可能達(dá)到200個(gè)，但樣品在貨架上的停留時(shí)間以小時(shí)作為單位，為了省電，按10 min激勵(lì)一次的方案，樣品存放2 h內(nèi)可以收到12次的激勵(lì)，只要其中一次激勵(lì)成功，就可定位，因此漏讀風(fēng)險(xiǎn)同樣極低。如果樣品存放時(shí)間短，說明樣品已被取走，定位識(shí)別是否成功已沒有實(shí)際作用。

圖6 管理系統(tǒng)測試裝置圖

3 結(jié)論

樣品動(dòng)態(tài)追蹤管理系統(tǒng)將RFID技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)和待計(jì)量樣品管理結(jié)合起來，更新管理理念、優(yōu)化管理流程，為數(shù)字化計(jì)量的建設(shè)提供技術(shù)支持。其中電子標(biāo)簽的應(yīng)用程序采用2.4 GHz無線升級(jí)方式，可大大提高程序升級(jí)效率。通過測試表明，采用低功耗設(shè)計(jì)的半有源電子標(biāo)簽的待機(jī)電流為6μA，可大大延長電池的使用壽命；單個(gè)電子標(biāo)簽被激勵(lì)時(shí)，誤判率、漏讀率均為0%；200個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)被激勵(lì)時(shí)，誤判率為0%，漏讀率為5‰，經(jīng)驗(yàn)證，該管理系統(tǒng)的漏讀率極低，可以應(yīng)用于計(jì)量樣品中。