基于無線射頻識別技術的工器具管理系統(tǒng)設計分析

吳發(fā)杰 化俞新 徐祗尚

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東省青島市 266111）

在現(xiàn)代化背景下，傳統(tǒng)工器具管理系統(tǒng)已無法良好滿足實際需求，呈現(xiàn)出諸多弊端，為更好地滿足現(xiàn)階段工器具庫存管理要求，可將物聯(lián)網(wǎng)技術作為基礎，在工器具管理系統(tǒng)設計過程中融入無線射頻識別技術，以先進技術為支撐，切實完善工器具管理系統(tǒng)功能，使工器具申領、規(guī)劃、報廢、臺賬、保管等工作規(guī)范有序進行。

1 無線射頻識別技術的原理與功能分析

1.1 技術原理

在無線射頻識別技術體系內，最關鍵的部分則為讀寫器與電子標簽，兩者可通過天線完成信息通訊，其系統(tǒng)構成如圖1 所示。讀寫器內部的天線能夠將射頻信號轉為電磁波，并發(fā)射給電子標簽，而電子標簽內天線能夠將電磁波能量轉為射頻電流能量，該部分能量將供應電子標簽天線的運行，同時，在電子標簽天線作用下，可其電子標簽內信息數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器，經(jīng)信息解碼轉化后，由讀寫器發(fā)送給個人計算機。在上述結構中，電子標簽天線屬于內置天線，而讀寫器則存在兩種天線，即分離式天線、集成式天線，其中集成天線多運用在高頻近距識別場景內，而分離式天線則在超高頻遠距識別中發(fā)揮出良好效果，此外，需運用阻抗匹配電纜連接天線與讀寫器。在無線射頻識別系統(tǒng)實際應用過程中，個人計算機將指令傳輸給讀寫器，指令以無線電波的形態(tài)由讀寫器傳輸給電子標簽內部的天線識別區(qū)，待接收電磁波并感應其中信息后，將其電子標簽存儲器內相關數(shù)據(jù)信息傳遞給讀寫器，后將電波解調后將信息闡述給主機系統(tǒng)。

圖1： 無線射頻識別系統(tǒng)構成

1.2 技術功能

（1）無線射頻識別技術最顯著的優(yōu)勢在于非接觸式識別信息，將其應用到工器具管理系統(tǒng)中后，能夠精準識別工器具的名稱、性質、用途、檢驗日期、使用日期、購買日期、生產日期、工具編號、保管人、歸屬人等信息。

（2）還可將工器具管理系統(tǒng)內無線射頻識別系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫對接，便于不同人員了解工器具庫存數(shù)量、在用數(shù)量、維護記錄、檢修記錄等，在精準化、全面化信息數(shù)據(jù)支撐下，高效開展工器具管理工作。

（3）在當前時代背景下，互聯(lián)網(wǎng)已實現(xiàn)大規(guī)模普及，工器具管理系統(tǒng)可依托于互聯(lián)網(wǎng)進行維護，并實現(xiàn)信息共享，同時還可對工器具信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整理與分類歸納。

（4）在無線射頻識別技術支撐下能夠實現(xiàn)工器具精準認證，使工器具信息查詢不再依靠傳統(tǒng)紙質標簽，同時還可依靠無線射頻識別技術設置失效保護，若工器具未及時校驗檢測，則會列入失效列表內，完成校驗檢測且性能參數(shù)達標后方可繼續(xù)應用。

2 工器具管理系統(tǒng)中融入無線射頻識別技術的設計分析

2.1 可行性分析

（1）技術可行性。無線射頻識別技術作為物理網(wǎng)技術的一種而日漸完善，且在多領域產業(yè)中發(fā)揮出優(yōu)異效果，且工器具管理模式已了解透徹，因此，將以無線射頻識別技術為支撐設計工器具管理系統(tǒng)具有技術可行性。

（2）經(jīng)濟可行性。相較于傳統(tǒng)管理辦法，采用管理系統(tǒng)的方式監(jiān)管工器具降低了財力成本與人力成本，且可提高工器具管理效率與質量，故該設計方式具有較強的經(jīng)濟可行性。

（3）用戶可行性。在工器具維護管理工作中，基本無高年齡管理人員，均可良好掌握計算機系統(tǒng)操作技巧，故完成工器具管理系統(tǒng)設計開發(fā)工作后，通過簡單培訓工作即可良好應用工器具管理系統(tǒng)，故該設計方式具有較強的用戶可行性。

2.2 功能需求分析

（1）要求系統(tǒng)能夠根據(jù)人員職務層級設置不同權限，確保工器具能夠被良好利用。

（2）工器具管理系統(tǒng)此需采用生命周期全過程管理辦法開展工作，從入庫登記到報廢處理，構建一個完整的工器具管理體系。

（3）要求工器具管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)精細化管理，對工器具進行準確識別，以此保障工器具管理工作效率與質量。

（4）該管理系統(tǒng)需能夠記錄工器具動態(tài)化信息，如日常維護、使用人員等，以此提高工器具管理效率。

2.3 設計原則分析

（1）便捷性?；跓o線射頻識別技術的工器具管理系統(tǒng)應用操作便捷，能夠采用簡單化操作完成工器具管理工作，無論工器具處于倉庫還是現(xiàn)場，相關人員均可憑借手持終端進行管理。

（2）全面性。要求工器具管理系統(tǒng)能夠滿足日常管理需求，功能全面，并符合管理流程，以此方可確保該系統(tǒng)的應用價值。

（3）兼容性。工器具管理系統(tǒng)需采用通用性系統(tǒng)接口。以此確保工器具管理系統(tǒng)內信息數(shù)據(jù)能夠對被有效讀取，且要求電子標簽、無線射頻讀寫器符合范標準，其可支持其他二次開發(fā)接口。

（4）延展性。工器具管理系統(tǒng)應能夠根據(jù)應用環(huán)境及要求的不同而進行功能刪減，并可根據(jù)不同產業(yè)類型實現(xiàn)個性化設計，以此不斷完善工器具管理系統(tǒng)功能。

（5）穩(wěn)定性。工器具管理系統(tǒng)需很好地在不同環(huán)境中發(fā)揮作用，可良好適應不同惡劣環(huán)境，例如：要求電子表現(xiàn)與讀寫器可在潮濕、高溫、強磁場、強電場等環(huán)境中仍可正常傳輸指令，使工器具管理系統(tǒng)能夠很好地適應不同環(huán)境，繼而實現(xiàn)穩(wěn)定性信息數(shù)據(jù)的傳輸與讀寫。

3 工器具管理系統(tǒng)設計要點

3.1 總體架構

圖2 為本次工器具管理系統(tǒng)總體架構情況，其以無線射頻識別技術為基礎，以無線射頻讀寫器為核心，在實際應用時，可在無線射頻讀寫器應用下進行工器具電子標簽的讀寫工作，并將其對接云端數(shù)據(jù)庫，使工器具管理系統(tǒng)獲得龐大的數(shù)據(jù)支撐，以此便于工器具信息數(shù)據(jù)的交換共享，并以此方式完成工器具的維護管理與監(jiān)督檢查。在應用現(xiàn)場中，相關人員可借助手持機終端掃描讀取工器具電子標簽，此時在云端數(shù)據(jù)庫、無線網(wǎng)絡的協(xié)同作用下即可完成信息交互，從云端數(shù)據(jù)庫內提取與電子標簽相符的信息，而在讀寫器與電子標簽的天線作用下，即可將工器具信息數(shù)據(jù)傳輸至手持終端機上，通過上述過程，現(xiàn)場人員則可準確獲取工器具詳細精準的信息數(shù)據(jù)，繼而以信息數(shù)據(jù)為支撐機型工器具管理與應用工作。

圖2： 工器具管理系統(tǒng)總體架構圖

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

按照上述總體架構設計工器具管理系統(tǒng)能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)管理辦法的弊端，且該管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

（1）唯一性標簽識別。該系統(tǒng)以無線射頻識別技術為支撐，各工器具均具有自身唯一性電子標簽，通過64 位數(shù)據(jù)編碼用于區(qū)分不同的工器具，以此即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼與工器具之間的一一對應，在唯一性標簽應用下，則可快速完成工器具的定位工作。

（2）便捷化工器具管理?；跓o線射頻識別技術的工器具管理系統(tǒng)結合了云端數(shù)據(jù)庫與電子標簽，在兩者的協(xié)同作用下，即可實現(xiàn)便捷化、實時性工器具管理工作。

（3）穩(wěn)固性電子標簽。區(qū)別于傳統(tǒng)紙質標簽，電子標簽存在固定化、微小化、信息化的特征，且可根據(jù)工器具結構特征，將電子標簽設置為多個形狀，以此即可將電子標簽穩(wěn)固地的固定在工器具上，且可有效避免電子標簽脫落、破損等問題，使相關人員可根據(jù)電子標簽便捷化獲得信息數(shù)據(jù)。

（4）強效化抗干擾能力。為最大限度地提高電子標簽的抗干擾能力，現(xiàn)階段出現(xiàn)了多類型標簽封裝形式，在實際應用期間，可依據(jù)工器具結構及種類預先封裝，使電子標簽能夠良好地適應各類惡劣環(huán)境。此外，按照國家標準來看，超高頻射頻識別工作頻率處于860 ～960 MHz 范圍內，該頻率可抵抗磁場干擾，進一步提高了射頻識別系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.3 軟件設計

在工器具管理系統(tǒng)中，軟件部分主要由計算機軟件（客戶端）、數(shù)據(jù)信息軟件（服務器端）、讀寫器軟件（手持端）等構成，其中數(shù)據(jù)信息軟件主要用戶維護、存儲、更新工具器的數(shù)據(jù)信息，并負責客戶端軟件的讀寫、下載、訪問等功能的，此外，為確保工器具信息數(shù)據(jù)能夠更好地呈現(xiàn)，需借助Linux、Unix 等軟件滿足軟件運行環(huán)境要求。計算機軟件能夠借助互聯(lián)網(wǎng)調取讀寫云端數(shù)據(jù)庫信息，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息更新維護工作，此外， 還可在讀寫器作用下完成電子標簽的暫停、作廢與認證工作。讀寫器軟件能夠實現(xiàn)高效化電子標簽讀取工作，且可交互云端數(shù)據(jù)庫，為信息共享互通奠定基礎，確保工器具相關信息數(shù)據(jù)能夠良好地傳輸至顯示屏上。

3.4 硬件安裝

在整個工器具管理系統(tǒng)內，除計算機設備外，最為關鍵的硬件裝置為讀寫器、電子標簽、讀寫手持設備。

（1）安裝電子標簽。電子標簽是識別工器具身份的主要硬件，應按照工器具結構及類型將電子標簽進行安裝固定。在系統(tǒng)測試期間，可由相關人員自行安裝，用于檢驗無線射頻識別效果，而在工器具管理系統(tǒng)正式投入使用后，需由專門的生產廠家進行固定安裝，以此確保電子標簽安裝穩(wěn)固性。

（2）安裝讀寫器。通常情況下，工器具多存儲在倉庫內，故為最大限度地保障工器具管理系統(tǒng)應用效果，可將讀寫器裝置安設在倉庫出入口處，以此確保工器具電子標簽能夠被良好識別。根據(jù)應用場景的不同，采用分體式讀寫器，其讀寫模塊與通信天線相分離，該類讀寫器能夠根據(jù)倉庫場地大小確定安裝數(shù)量，此外，還可選用一體式讀寫器，為需使讀寫器能量場能夠良好覆蓋電子標簽必經(jīng)區(qū)域，若無法實現(xiàn)完全覆蓋，則需安設分體式讀寫器在。在讀寫器實際安裝過程中，應對倉庫布線等因素綜合考量，對信號饋線技術參數(shù)與型號合理選擇，通常情況下，要求信號饋線衰減因數(shù)低于1.5dB/10m。

（3）安裝讀寫手持設備。該設備無需特定安裝，其多用于現(xiàn)場環(huán)境中，為確保讀寫手持設備能夠良好訪問與識別數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工器具信息交互與數(shù)據(jù)查閱，要求現(xiàn)場覆蓋無線網(wǎng)絡或移動通信，使云端數(shù)據(jù)庫可良好對接工器具管理系統(tǒng)。

3.5 功能模塊

工器具管理系統(tǒng)的功能模塊設置應符合實際需求，依靠無線射頻識別技術設計工器具管理系統(tǒng)時，應統(tǒng)籌分析系統(tǒng)功能，并以此為依據(jù)確定功能模塊。在本次工器具管理系統(tǒng)設計工作中，主要設置了以下功能模塊：

3.5.1 電子標簽管控模塊

依靠電子標簽管控模塊能夠編碼激活工器具電子標簽，并可進行認證、暫停與報廢，為便于工器具管理系統(tǒng)的應用，需以通信網(wǎng)絡為紐帶，銜接關聯(lián)工器具數(shù)據(jù)信息與電子標簽，以此確保電子標簽的有效識別。工器具管理系統(tǒng)內的電子標簽管控模塊可進行以下操作：借助讀寫器統(tǒng)一編碼工器具電子標簽，在此基礎上關聯(lián)云端數(shù)據(jù)庫與電子標簽，完成上述信息數(shù)據(jù)關聯(lián)后續(xù)激活認證電子標簽，未激活認證處理的電子標簽無法被讀寫器識別。通過上述分析可知，工器具電子標簽采用64 位數(shù)據(jù)編碼的方式進行設置，故其電子標簽具有唯一性，此時可確保云端數(shù)據(jù)庫與電子標簽之間的關聯(lián)關系同樣具有唯一性特征。考慮到工器具需進行預防性試驗與強制性能校驗工作，故在可電子標簽管控模塊內增設試驗校驗控制功能，在工器具管理系統(tǒng)內輸入失效日期，以此確保工器具能夠按照標準規(guī)范執(zhí)行試驗校驗工作。在電子標簽管控模塊功能設計過程中，將工器具試驗校驗日期及間隔期限輸入管理系統(tǒng)內，進一步將該試驗校驗日期定義為失效日期，若工器具未及時校驗檢測，則會列入失效列表內。當工器具進行預防性試驗與性能校驗時，需讀取識別工器具電子標簽，檢測校驗結果得出后可自動與該工器具關聯(lián)，此時失效日期將按照試驗校驗時間間隔順延。在工器具應用之前，可通過讀取電子標簽確認該工器具是否存在失效列表內，以此實現(xiàn)對工器具的有序規(guī)范管理。

3.5.2 工器具倉儲模塊

倉庫進出口位置設有讀寫器，當工器具進出時則會被讀寫器識別電子標簽，在讀寫器與電子標簽內的天線作用下，將工器具信息編碼傳輸給計算機終端，待計算機終端接收工器具信息編碼后，則會從所對接的云端數(shù)據(jù)庫訪問調取工器具相關信息數(shù)據(jù)，繼而完成工器具電子標簽的讀取工作。倉儲模塊能夠確保工器具的進出數(shù)據(jù)能夠被及時識別登記，有效保障了工器具的信息完整性，此外，依靠工器具倉儲模塊能夠確保倉管人員良好完成信息讀寫操作，實現(xiàn)工器具信息數(shù)據(jù)的更新與編輯。

3.5.3 安全保障模塊

安裝保障模塊是確保工器具管理系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本，在工器具應用之前，可借助手持讀寫器識別電子標簽，從云端數(shù)據(jù)庫內調取數(shù)據(jù)后，可進一步將數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏，以更為直觀便捷的方式呈現(xiàn)工器具信息數(shù)據(jù)，同時可根據(jù)信息數(shù)據(jù)判斷工器具是否有效合格。

3.5.4 資源管理模塊

在資源管理模塊作用下，可實現(xiàn)工器具信息數(shù)據(jù)的全面統(tǒng)計，按照工器具用途、年限等將工器具歸類，并可從庫存量、在用量兩方面顯示工器具數(shù)據(jù)，為工器具調撥配置工作提供依據(jù)，繼而實現(xiàn)工器具科學化管理。

3.5.5 權限分級模塊

按照上述工器具管理系統(tǒng)功能分析可見，為確保工器具能夠得到科學應用，需根據(jù)職務崗位進行工器具管理系統(tǒng)權限分級，通過分級管控減少工器具信息數(shù)據(jù)違規(guī)錄入、清除、修改操作，同時，在權限分級模塊運行期間，還可調取工器具信息數(shù)據(jù)錄入、清除、修改歷史記錄，通過操作痕跡追蹤，避免違規(guī)操作行為的發(fā)生。

3.5.6 維護管理模塊

該模塊主要為確保工器具管理系統(tǒng)延展性原則，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需求增減功能或系統(tǒng)調試，以此提高工器具管理系統(tǒng)的功能應用效果，此外，該模塊還負責系統(tǒng)的自動維護工作與應急預案運行工作，當有故障隱患問題發(fā)生時，可根據(jù)故障程度而啟動應急預案。

3.6 防碰撞算法

工器具電子標簽在識別讀取過程中可能會發(fā)生漏檢現(xiàn)象，產生該現(xiàn)象的原因如下：

（1）受到電磁干擾而導致讀寫器無法準確識別。為避免該現(xiàn)象，需將電子標簽固定在遠離工器具金屬部位的區(qū)域，或采用抗金屬電子標簽，而抗金屬電子標簽成本相對較高，在設計工器具管理系統(tǒng)時，應根據(jù)工器具結構材料及管理需求選擇電子標簽類型。

（2）電子標簽應識別讀取過程中存在遮擋現(xiàn)象，以此引發(fā)了無法識別現(xiàn)象。為防止電子標簽無法識別，應將電子標簽固定面朝向讀寫器天線。

（3）電子標簽輪詢操作過程中出現(xiàn)的漏檢，為防止上述現(xiàn)象，需運用防碰撞算法確定輪詢防碰撞機制。

將查詢次數(shù)設為“G”，標簽個數(shù)設為“n”，根據(jù)退避式算法來看，讀寫器需在輪詢期間查詢“T=2n-1”次，輪詢過程中每出現(xiàn)一次碰撞，則會減少查詢行為2 次，將碰撞次數(shù)設為“m”，則讀寫器所減少的查詢次數(shù)為“2m”，故可將查詢次數(shù)G 定義為“T-2m=2n-2m-1”。以上述查詢次數(shù)定義為基礎，進一步計算電子標簽準確識別所需的吞吐量（S），其計算公式如下：

在式（2）中， 與 分別為數(shù)據(jù)信息長度與查詢指令長度。按照式（1）、式（2）進行算法計算，在工器具管理系統(tǒng)內設置防碰撞算法，以此即可有效避免電子標簽輪詢操作過程中出現(xiàn)的漏檢問題。

3.7 應用效果

按照上述設計要點研發(fā)工器具管理系統(tǒng)，本次所設計的工器具管理系統(tǒng)容易實現(xiàn)，且電子標簽成本相對較低，故具有較強的經(jīng)濟性，為進一步驗證工器具管理系統(tǒng)功能應用效果而進行試運行，對應用效果進行總結，主要如下：

（1）實現(xiàn)了工器具統(tǒng)一管理，并可有效控制現(xiàn)有資源。在工器具管理系統(tǒng)應用下，能夠對不同用途、不同存儲區(qū)域的工器具進行統(tǒng)一化數(shù)據(jù)管理，有助于管理人員掌握工器具信息數(shù)據(jù)，并可根據(jù)工器具的實時數(shù)據(jù)信息進行資源調配，繼而使工器具管理決策的制定更為科學有效。

（2）依靠工器具管理系統(tǒng)實現(xiàn)了工器具的動態(tài)跟蹤，并有效把控工器具的預防性試驗與性能校驗信息，使工器具能夠始終處于有效期限內。此外，對于處于失效列表內的工器具，則會及時冗余警報處理，提醒相關人員盡快執(zhí)行試驗校驗工作。

（3）以工器具管理系統(tǒng)內的信息數(shù)據(jù)為支撐，能夠實現(xiàn)工器具的實時檢查，使相關管理人員可準確獲取工器具使用記錄，便于工器具安全稽查工作的開展，及時糾正不正當工器具操作，此外，還可在工器具使用之前檢查其性能，以此避免因失效工器具操作而引發(fā)的不良問題。

（4）根據(jù)工器具管理系統(tǒng)實現(xiàn)了工器具全過程追溯，可根據(jù)實際需求調取監(jiān)管人、保管人、經(jīng)手人、歸屬人信息，通過工器具的實時記錄明確其使用情況，若出現(xiàn)工器具故障還可實現(xiàn)全過程追溯跟蹤。

（5）依靠電子標簽能夠準確識別工器具，使工器具進出庫管理工作更為便捷可靠。

4 結束語

綜上所述，為解決傳統(tǒng)工器具管理辦法弊端，可基于無線射頻識別技術設計工器具管理系統(tǒng)，用于改善工器具管理模式，提高工器具管理工作的智能化程度。在設計系統(tǒng)設計過程中，應根據(jù)現(xiàn)有需求確定總體框架，明確系統(tǒng)優(yōu)勢，并做好軟件與硬件設計，在此基礎上構建工器具管理功能模塊，并完善標簽防碰撞算法。本次所設計的工器具管理系統(tǒng)經(jīng)實踐應用后發(fā)現(xiàn)其效果較好，具有應用價值。