基于雙頻RFID技術(shù)的載體管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 宇，羅 丹

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

在各類科研院所、政府機(jī)關(guān)和軍警部門日常工作中，存在大量重要載體[1]在單位內(nèi)部場(chǎng)所、外場(chǎng)工作環(huán)境流轉(zhuǎn)的情況，對(duì)載體進(jìn)行精準(zhǔn)管控十分必要。傳統(tǒng)載體管理主要通過手工記錄、人工計(jì)算等方式進(jìn)行，存在信息化程度低、信息更新不及時(shí)、差錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)等問題，管理者難以及時(shí)、準(zhǔn)確地了解載體流轉(zhuǎn)情況，造成信息安全隱患和人力資源的浪費(fèi)。

RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以通過無線電波識(shí)別、處理包含在一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)設(shè)備中的信息[2]。近些年，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于零售、制造、醫(yī)療、物流倉儲(chǔ)等領(lǐng)域，在提高物品管理效率方面發(fā)揮出顯著的效果[3]。

目前，應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品或載體管控的系統(tǒng)多采用單一頻段標(biāo)簽[4-5]，不能滿足載體在內(nèi)、外場(chǎng)流轉(zhuǎn)過程的全生命周期管理需求。針對(duì)載體數(shù)量多、檢查難、使用環(huán)境復(fù)雜、易丟失等情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于雙頻RFID技術(shù)的載體管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了UHF RFID、HF RFID的技術(shù)特點(diǎn)，解決了單一頻段標(biāo)簽在載體管理中的局限性，實(shí)現(xiàn)了載體從產(chǎn)生、交接到銷毀的全過程管控。

1 載體管理系統(tǒng)組成及工作原理

載體管理系統(tǒng)主要包括雙頻RFID標(biāo)簽、數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊以及傳輸模塊?；陔p頻RFID技術(shù)的智能載體管理系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 雙頻RFID標(biāo)簽

RFID標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片及天線組成，標(biāo)簽芯片擁有唯一的電子編碼，可以標(biāo)識(shí)相應(yīng)物體，完成識(shí)別。RFID標(biāo)簽的功能模塊構(gòu)成如圖2所示，其主要由射頻模擬前端、數(shù)字控制器、存儲(chǔ)器等組成[6]。

（1）射頻模擬前端主要包括對(duì)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，對(duì)數(shù)字部分提供時(shí)鐘以及對(duì)標(biāo)簽芯片提供電源管理；

（2）數(shù)字控制器主要完成防沖突控制、安全認(rèn)證、CRC校驗(yàn)、收發(fā)以及接口控制；

（3）存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、廠商信息和UID等信息。

圖1 基于雙頻RFID技術(shù)的智能載體管理系統(tǒng)組成

圖2 RFID標(biāo)簽的功能模塊構(gòu)成

本系統(tǒng)所采用的標(biāo)簽為HF/UHF頻段無源雙頻RFID標(biāo)簽，如圖3所示。標(biāo)簽由EM4423芯片HF標(biāo)簽天線以及UHF標(biāo)簽天線構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)批量標(biāo)簽遠(yuǎn)距離的讀取以及近距離單一標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交換。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集需借助系統(tǒng)中的RFID標(biāo)簽信號(hào)采集端，其由不同頻段的RFID讀寫器構(gòu)成。

圖3 HF/UHF雙頻RFID標(biāo)簽構(gòu)成示意圖

RFID讀寫器用于讀寫應(yīng)答信息，是RFID系統(tǒng)的信息處理設(shè)備，主要利用射頻信號(hào)以空間耦合的方式進(jìn)行非接觸式信息傳遞[7]。頻率較低、識(shí)別距離較近的RFID系統(tǒng)讀寫器的耦合方式為基于變壓器模型的電感耦合（應(yīng)用于本系統(tǒng)HF頻段）；頻率較高、識(shí)別距離較遠(yuǎn)的RFID系統(tǒng)讀寫器的耦合方式為基于雷達(dá)原理的電磁反向散射耦合（應(yīng)用于本系統(tǒng)UHF頻段）。RFID讀寫器組成如圖4所示[8]。

圖4 RFID讀寫器組成

本系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景將數(shù)據(jù)采集塊分為本地載體RFID數(shù)據(jù)采集模塊以及外場(chǎng)載體RFID數(shù)據(jù)采集模塊。本地載體RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集模塊主要包括UHF RFID讀寫器、HF/NFC讀寫器，分別實(shí)現(xiàn)本地載體的群識(shí)別以及單一載體信息交互功能；外場(chǎng)載體RFID數(shù)據(jù)采集模塊主要包括HF/NFC終端（NFC手機(jī)），可實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)載體RFID數(shù)據(jù)交互功能。

1.3 傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

傳輸模塊為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息傳輸和控制信息傳輸功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

對(duì)于本地載體RFID標(biāo)簽信息的傳輸主要采用有線局域網(wǎng)、無線透?jìng)髂K等，信息的存儲(chǔ)主要采用本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；對(duì)于外場(chǎng)載體RFID標(biāo)簽信息的傳輸主要采用WiFi模塊，或4G、5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模塊等；信息的存儲(chǔ)主要采用云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，可實(shí)現(xiàn)載體信息的遠(yuǎn)程操作。

1.4 系統(tǒng)控制模塊以及報(bào)警模塊

系統(tǒng)控制模塊具有載體管理控制以及數(shù)據(jù)信息處理功能，主要完成載體RFID編碼管理、系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)信息以及控制信號(hào)處理等。報(bào)警模塊為系統(tǒng)提供載體狀態(tài)異常報(bào)警功能，執(zhí)行系統(tǒng)控制模塊發(fā)送的報(bào)警指令。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

載體管理系統(tǒng)軟件平臺(tái)包括三種使用權(quán)限，分別為一般職員、保密員以及管理員，平臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)處理狀態(tài)采用三層結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

（1）感知層：使用雙頻RFID無源標(biāo)簽對(duì)每個(gè)需要管理的載體進(jìn)行標(biāo)識(shí)以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫設(shè)置，通過跟蹤點(diǎn)讀寫器、盤檢、入庫讀寫器從標(biāo)簽獲取相關(guān)載體信息，或者將信息寫入載體標(biāo)簽。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：可以根據(jù)實(shí)際使用需求選擇無線局域網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)等進(jìn)行傳輸覆蓋，負(fù)責(zé)RFID讀寫器與載體管理平臺(tái)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

（3）應(yīng)用層：該層由共享數(shù)據(jù)庫、共享信息存儲(chǔ)、系統(tǒng)功能及用戶API組成，提供載體管理、標(biāo)簽管理、盤檢管理、統(tǒng)計(jì)分析等多項(xiàng)業(yè)務(wù)功能，該層基于多個(gè)權(quán)限的用戶模型設(shè)計(jì)，可為多個(gè)部門同時(shí)提供智能載體管理服務(wù)。

圖5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、載體管理平臺(tái)、載體監(jiān)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理中間件等。載體監(jiān)控平臺(tái)完成對(duì)目標(biāo)載體標(biāo)簽數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，并對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。載體管理平臺(tái)將根據(jù)不同的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行相應(yīng)算法處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。數(shù)據(jù)處理中間件軟件系統(tǒng)完成對(duì)大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的冗余算法處理，確保標(biāo)簽信息的準(zhǔn)確率以及批量讀取標(biāo)簽信息的讀取速率。

3 系統(tǒng)典型應(yīng)用分析

基于雙頻RFID技術(shù)的載體管理系統(tǒng)應(yīng)用示意如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

系統(tǒng)典型工作過程如下：

（1）為新制作的重要載體粘貼雙頻RFID標(biāo)簽；

（2）通過NFC讀寫器識(shí)別該載體標(biāo)簽，在系統(tǒng)控制模塊中輸入相應(yīng)載體信息，為載體建立入庫臺(tái)帳，信息確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)控制模塊將相應(yīng)的載體信息存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及外場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中；

（3）將載體放入載體柜中，此時(shí)管理系統(tǒng)會(huì)識(shí)別柜內(nèi)載體數(shù)量的變化，并將最新柜內(nèi)載體信息保存到本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中以及外場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中；

（4）當(dāng)有外場(chǎng)任務(wù)需要攜帶該載體外出時(shí)，工作人員從載體柜中取出載體，關(guān)上載體柜后，系統(tǒng)控制模塊識(shí)別出柜內(nèi)載體減少一份，此時(shí)告警系統(tǒng)啟動(dòng)；

（5）工作人員通過系統(tǒng)控制模塊調(diào)用NFC讀寫器，對(duì)該載體進(jìn)行出庫登記，告警系統(tǒng)關(guān)閉，載體被帶出，本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及外場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將對(duì)載體狀態(tài)信息進(jìn)行更新；

（6）在攜帶載體外出過程中，工作人員通過NFC手機(jī)以及外場(chǎng)傳輸模塊實(shí)時(shí)更新載體的狀態(tài)信息，管理人員能夠在系統(tǒng)控制模塊中查詢到外出載體狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于雙頻RFID技術(shù)的載體管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)生、交接到銷毀的全過程管控。在受控載體表面粘貼雙頻RFID標(biāo)簽，通過NFC讀寫器實(shí)現(xiàn)載體的入庫、出庫管理。將載體存儲(chǔ)在安裝有UHF RFID讀寫器的載體柜時(shí)，用戶能夠在系統(tǒng)控制模塊中實(shí)時(shí)獲取柜內(nèi)所有載體信息；系統(tǒng)控制模塊通過對(duì)比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的歷史載體信息和柜內(nèi)實(shí)時(shí)載體信息，完成載體狀態(tài)判斷，狀態(tài)異常時(shí)報(bào)警。攜帶載體外出時(shí)，可以通過NFC手機(jī)實(shí)時(shí)上報(bào)載體信息；在外場(chǎng)制作涉密載體，可以通過NFC手機(jī)端即時(shí)為載體建立臺(tái)帳，管理人員能夠在系統(tǒng)控制模塊中完成對(duì)外出載體的遠(yuǎn)程有效管控。