基于雙RFID的電子設(shè)備管理手持機(jī)設(shè)計(jì)

劉曉東， 馬幸宇， 閆 昆， 許鴻博， 李 花， 饒預(yù)芳

（1.大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧大連110618；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲412000）

0 引 言

隨著高校電學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室小型電子設(shè)備數(shù)量、種類的增多，傳統(tǒng)的人工管理方式存在查詢設(shè)備信息復(fù)雜、設(shè)備狀態(tài)信息不明確、資源利用效率低、設(shè)備存放分散無序等弊端［1］。目前成熟的解決方式有利用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)建立校級設(shè)備管理信息系統(tǒng)［2-4］、從信息化管理內(nèi)涵建設(shè)與平臺構(gòu)建等方面提高實(shí)驗(yàn)室信息化［5］、建立智能化實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理系統(tǒng)［1］、基于手機(jī)APP開發(fā)設(shè)備管理系統(tǒng)［6］等，但未能從具體實(shí)驗(yàn)室管理者層面有效地解決設(shè)備日常使用狀態(tài)管理與存放查詢問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，射頻技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)［7-9］，利用雙RFID建立一套由設(shè)備管理平臺和設(shè)備管理手持機(jī)兩部分組成的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，將設(shè)備信息的盤點(diǎn)與借用人信息的登記整合為一個(gè)完整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備管理的信息化與自動(dòng)化，同時(shí)針對設(shè)備狀態(tài)信息與存放位置信息進(jìn)行跟蹤管理與快速查詢，系統(tǒng)可以充分利用電子設(shè)備資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的充分利用與全周期管理。

1 電子設(shè)備管理系統(tǒng)

電子設(shè)備管理系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、手持機(jī)、無線路由器、設(shè)備管理平臺與數(shù)據(jù)庫等組成。其系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 電子設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

電子標(biāo)簽粘貼在各個(gè)儀器設(shè)備上，記錄儀器設(shè)備名稱、使用狀態(tài)、存放位置等信息。手持機(jī)負(fù)責(zé)讀取與寫入設(shè)備電子標(biāo)簽的信息，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的登記與后續(xù)狀態(tài)查詢與變更，可獨(dú)立于設(shè)備管理平臺使用。同時(shí)，手持機(jī)是電子設(shè)備與設(shè)備管理平臺之間的橋梁，在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵作用。設(shè)備管理平臺負(fù)責(zé)所有設(shè)備狀態(tài)、盤點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一管理，并定期向管理員呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告。此系統(tǒng)可以充分將有限有效的電子設(shè)備資源流動(dòng)起來，并實(shí)現(xiàn)全周期資源管理。手持機(jī)通過無線局域網(wǎng)接收設(shè)備管理平臺發(fā)送的管理命令，對設(shè)備標(biāo)簽進(jìn)行讀取、寫入操作以完成對設(shè)備借用、歸還等實(shí)時(shí)狀態(tài)管理。

2 手持機(jī)硬件系統(tǒng)

手持機(jī)是電子設(shè)備管理系統(tǒng)的核心部分，由微處理器、超高頻RFID閱讀器、高頻RFID閱讀器、無線通信、攝像頭、觸摸屏、存儲卡和電源等模塊組成。手持機(jī)系統(tǒng)總體框圖如圖2 所示。

圖2 RFID手持機(jī)系統(tǒng)總體框圖

手持機(jī)設(shè)計(jì)中所用到的模塊清單如表1 所示。

表1 手持機(jī)主要模塊清單

2.1 主控模塊

系統(tǒng)主控模塊主要包括4 部分：MCU 最小系統(tǒng)、復(fù)位、電源指示和按鍵等電路。主控模塊以STM32F407 單片機(jī)為核心，它具有豐富的接口，可通過其控制多種外設(shè)并完成與手持機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。主控模塊最小系統(tǒng)電路如圖3 所示。

圖3 MCU最小系統(tǒng)電路圖

2.2 閱讀器模塊

手持機(jī)采用RFID 技術(shù)，它是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)，它的識別距離更長、抗污損能力更強(qiáng)且一次可同時(shí)盤點(diǎn)多個(gè)設(shè)備［11］。典型的RFID 系統(tǒng)由閱讀器、電子標(biāo)簽以及控制系統(tǒng)組成，其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電子標(biāo)簽采用被動(dòng)式無源標(biāo)簽，在閱讀器讀出范圍之內(nèi)時(shí)，閱讀器發(fā)出的射頻載波為電子標(biāo)簽提供工作所需要的直流電源，無須額外的供電電路，電路結(jié)構(gòu)簡單成本低廉。閱讀器是RFID 系統(tǒng)的核心部分，它通過天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)簽內(nèi)指定字段的讀寫操作。手持機(jī)設(shè)計(jì)中共采用高頻（High Frequency，HF）閱讀器和超高頻（Ultra High Frequency，UHF）閱讀器兩個(gè)不同頻段的非接觸式RFID模塊。高頻RFID模塊在3 cm 以內(nèi)可以讀取人員的校園卡信息；超高頻模塊讀寫距離為1 m左右，用來掃描設(shè)備的電子標(biāo)簽。

手持機(jī)掃描設(shè)備電子標(biāo)簽時(shí)使用的是JR2030 超高頻RFID 模塊，它支持EPC-C1G2 協(xié)議［12］。JR2030使用UART串口進(jìn)行通信，只有在讀寫器執(zhí)行完一條命令后，才能接收下一條命令。在讀寫器執(zhí)行命令期間，如果向讀寫器發(fā)送命令，命令將丟失。因此發(fā)送數(shù)據(jù)流時(shí)，每兩個(gè)相鄰Byte之間的發(fā)送時(shí)間間隔必須小于15 ms。

手持機(jī)掃描校園卡使用的高頻RFID 讀寫模塊MFRC522，讀寫距離在3 cm以內(nèi)。由于模塊內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動(dòng)讀寫器天線，接收器部分提供解調(diào)和解碼電路，不需要額外的電路就可完成與射頻卡的通信［13］。本系統(tǒng)采用的是SPI方式進(jìn)行通信，將單片機(jī)作為主機(jī)，MFRC522 作為從機(jī)。JR2030、MFRC522 和STM32 單片機(jī)的連接如圖5 所示。

圖5 閱讀器模塊電路圖

2.3 無線通信系統(tǒng)

常用無線通信方案有藍(lán)牙、WiFi、ZigBee 等，它們有各自的優(yōu)劣勢。藍(lán)牙適用于一對一通信，且傳輸距離較短；ZigBee 組網(wǎng)復(fù)雜，成本較高；WiFi 速度快，覆蓋范圍廣且可以實(shí)現(xiàn)多接入點(diǎn)接入。本設(shè)計(jì)選用WiFi通信方案。采用ESP8266 完成手持機(jī)與設(shè)備管理平臺間的無線通信。該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b／g／n 協(xié)議，有完整的TCP／IP 協(xié)議棧。模塊作為TCP客戶端與上位機(jī)相連，用于連接到無線網(wǎng)絡(luò)。利用串口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

In regards to the short term clinical outcomes, we studied the procedure time, the time to resume diet,the time to full ambulation, the duration of the total hospital stay and the complication rate.

初次使用要對其進(jìn)行初始化設(shè)置，配置為STA 模式，設(shè)置正確的SSID與密碼從而接入局域網(wǎng)。然后設(shè)置傳輸協(xié)議為TCP，和服務(wù)器端建立連接，開啟透傳模式后進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線收發(fā)［14-15］。ESP8266 與主控模塊電路連接圖如圖6 所示。

圖6 無線通信模塊電路圖

2.4 設(shè)備輔助定位功能設(shè)計(jì)

如圖7 所示，使用手持機(jī)借用設(shè)備時(shí)，通過設(shè)備輔助定位功能，可以在設(shè)備倉庫中快速確定所需設(shè)備位置范圍。同類設(shè)備放置于同一貨架上，每個(gè)貨架上配備有一個(gè)無線收發(fā)模塊，通過其控制外部LED，電源采用電池，不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)?？紤]到WiFi信號覆蓋問題，路由器應(yīng)在房間中心安置。

圖7 設(shè)備輔助定位示意圖

在ESP8266 中燒寫NodeMCU 固件后，能直接寫入腳本語言，不須額外控制器，可節(jié)約成本。把模塊接入局域網(wǎng)，可遠(yuǎn)程控制I／O 口輸出高低電平點(diǎn)亮或熄滅LED燈以指示設(shè)備位置。當(dāng)設(shè)備管理信息平臺批準(zhǔn)借用請求之后，系統(tǒng)會將設(shè)備信息發(fā)送至手持機(jī)，液晶屏上顯示設(shè)備的名稱以及存放位置。同時(shí)手持機(jī)會通過WiFi發(fā)送信息至設(shè)備柜上無線模塊，通過其控制LED燈閃爍進(jìn)行位置指示。這樣極大的縮小設(shè)備查找范圍，節(jié)約了查找時(shí)間。

3 手持機(jī)軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括RFID 數(shù)據(jù)信息接收與發(fā)送、與上位機(jī)無線通信、手持機(jī)界面顯示以及攝像頭和SD卡驅(qū)動(dòng)等。

3.1 手持機(jī)基本功能

作為實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的手持機(jī)，借助貼于設(shè)備上的電子標(biāo)簽，配合設(shè)備信息管理平臺主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的入庫、借用、歸還、損壞、維修等操作管理，以及借用人信息管理功能。手持機(jī)的整體功能結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 手持機(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖

可以將具體的操作分為“人員相關(guān)操作”“設(shè)備相關(guān)操作”“其他操作”3 大類?！叭藛T相關(guān)操作”包括對于初次使用本系統(tǒng)的人員信息進(jìn)行登記，以后亦可在手持機(jī)中查詢和關(guān)聯(lián)個(gè)人設(shè)備借用情況。“設(shè)備狀態(tài)操作”包括對新進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行入庫登記，將設(shè)備名稱與電子標(biāo)簽編碼記錄在數(shù)據(jù)庫中。若設(shè)備發(fā)生損壞、維修等情況及時(shí)更改其狀態(tài)?！霸O(shè)備日常操作”包括借用、歸還和掃描操作等?？梢娛殖謾C(jī)可以取代傳統(tǒng)的人工方式來完成電子設(shè)備的日常管理。

手持機(jī)系統(tǒng)UI界面如下圖9 所示。

圖9 手持機(jī)UI界面

3.2 多設(shè)備掃描中的防碰撞問題

在實(shí)際使用過程中，可能會有大量設(shè)備標(biāo)簽同時(shí)處于手持機(jī)的工作范圍內(nèi)。如果有2 個(gè)或2 個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，閱讀器就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，產(chǎn)生數(shù)據(jù)互相干擾的現(xiàn)象，即標(biāo)簽碰撞［16］。如圖10 所示，為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)中做了進(jìn)一步處理。

超高頻RFID 采用的是電磁耦合，原理符合雷達(dá)公式［17］：

圖10 防碰撞示意圖

式中：Pr為閱讀器接收功率；Pt為標(biāo)簽發(fā)射功率；G 為天線增益；λ 為載波信號波長；σ 為截面面積；L 為標(biāo)簽到閱讀器距離。

可知接收功率和距離有關(guān)，當(dāng)接收功率低于閾值時(shí)就無法檢測到信號。因此單位時(shí)間信號到達(dá)次數(shù)與掃描標(biāo)簽距離有關(guān)。

掃描多標(biāo)簽時(shí)將每次接收到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，完整的且未重復(fù)的數(shù)據(jù)幀保存在緩存數(shù)組中，并為其分配一個(gè)計(jì)數(shù)器。在下一次檢測到該標(biāo)簽時(shí)增加計(jì)數(shù)器的值，計(jì)數(shù)器值最高的標(biāo)簽則為當(dāng)前距離閱讀器最近的標(biāo)簽，將其保存。其他數(shù)據(jù)幀則舍棄，在多標(biāo)簽掃描中確定當(dāng)前標(biāo)簽。

4 實(shí)驗(yàn)測試

為測試手持機(jī)讀寫標(biāo)簽性能以及與設(shè)備管理平臺通信功能，對RFID手持機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)物如圖11所示。測試實(shí)驗(yàn)具體條件為：讀寫器發(fā)射功率設(shè)為最大功率27 dBm，頻率設(shè)為滿足協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的920 MHz，采用3 dBi增益的天線。

圖11 RFID手持機(jī)掃描標(biāo)簽實(shí)物圖

首先驗(yàn)證其對實(shí)驗(yàn)環(huán)境中電子標(biāo)簽的讀寫能力。在電子設(shè)備表面粘貼Alien-9662 電子標(biāo)簽，根據(jù)附著材料不同，讀取距離L會產(chǎn)生變化，如圖12 所示。

當(dāng)電子標(biāo)簽貼于紙質(zhì)物品表面時(shí)，讀寫距離最大，達(dá)到80 ～95 cm；當(dāng)電子標(biāo)簽貼于塑料物品表面時(shí)，讀寫距離在60 ～80 cm范圍內(nèi)，滿足設(shè)備管理需求；如果貼于金屬物品表面時(shí)，讀寫距離急劇下降至1 ～3 cm，嚴(yán)重影響使用?？梢圆扇≌迟N特殊的抗金屬標(biāo)簽進(jìn)行改進(jìn)，其單價(jià)較貴。

圖12 電子標(biāo)簽附著在不同材質(zhì)上的讀寫距離

為驗(yàn)證手持機(jī)與管理平臺之間的通信能力，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。操作人員在PC 上打開設(shè)備管理平臺，通過手持機(jī)掃描自己的ID 卡進(jìn)入設(shè)備入庫頁面。在填寫基本信息后，平臺將所需入庫設(shè)備名稱傳輸至手持機(jī)并在液晶屏上顯示設(shè)備名稱。掃描待入庫設(shè)備上標(biāo)簽，將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺EPC 編碼欄中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備入庫的過程。借用設(shè)備時(shí)，當(dāng)借用申請?jiān)诠芾砥脚_被批準(zhǔn)之后，平臺將信息發(fā)送給手持機(jī)，顯示設(shè)備名稱與存放地。手持機(jī)掃描完設(shè)備EPC 碼將其發(fā)送給管理平臺，平臺將對應(yīng)設(shè)備標(biāo)注為“已借出”，完成借用流程。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了手持機(jī)與設(shè)備管理平臺之間的通信準(zhǔn)確可靠。

圖13 獲取設(shè)備EPC編碼

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于雙RFID 的電子設(shè)備管理系統(tǒng)手持機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：手持機(jī)配合設(shè)備管理平臺可以完成對電子設(shè)備的全周期狀態(tài)管理，包含入庫、借用、維修及報(bào)廢等整個(gè)流程，達(dá)到預(yù)期要求；手持機(jī)可以完成電子設(shè)備信息和人員信息的讀取，并能及時(shí)與管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)備借用流程的規(guī)范化與無紙化管理，很好地解決了人工管理的不足；由于電子設(shè)備存放情況較復(fù)雜，對于一些強(qiáng)電磁干擾設(shè)備表面的電子標(biāo)簽不能很好地進(jìn)行讀取，這是下一步需要改善的地方。