基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統(tǒng)

盧依思，盤茂杰，鄭思晴，梁煥詩(shī)，魏縱橫

（廣東技術(shù)師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣州 510665）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，日常生活中需要使用的物品種類日益繁多，人們時(shí)常會(huì)遺忘或無(wú)法尋得自己所需物品。除此之外，一個(gè)人的生活態(tài)度也可從他所處環(huán)境的整潔程度反映出來(lái)。如何做好物品的存儲(chǔ)和管理工作，不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的收納問(wèn)題，更是一項(xiàng)人生的重要課題，收納對(duì)于提高人們生活便利是一件利大于弊的事情。因?yàn)槲锲范际怯袃r(jià)值且被需要的，有必要將它們分類整理，并放置在合適的位置上。但是，傳統(tǒng)的物品收納只是依靠紙筆和便簽紙進(jìn)行手工記錄，工作效率較低，而且容易出錯(cuò)。在此背景下，如何利用智能設(shè)備進(jìn)行物品收納管理成為人們關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，智能設(shè)備可以為物品添加相關(guān)信息屬性，在提供查找物品便利的同時(shí)，讓用戶能及時(shí)了解某些物品的重要信息，例如：家居智能設(shè)備的運(yùn)行情況，藥品或者食品是否過(guò)期，等等。為了實(shí)現(xiàn)以上的物品收納管理功能，本文通過(guò)調(diào)研獲得物品收納管理系統(tǒng)的相關(guān)需求，并開發(fā)出了基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 物品收納管理系統(tǒng)

目前市面上的物品收納管理系統(tǒng)，主要是針對(duì)貴重的、易丟失的物品，而這種系統(tǒng)大部分是面向需要管理物品較多的企業(yè)、行政機(jī)關(guān)單位或者是藏書較多的圖書館，只有極少部分是針對(duì)家庭收納管理的，而且成本較高，靈活性不足。

其中，魯金屏等設(shè)計(jì)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)是用于事業(yè)單位的系統(tǒng)，支持手持閱讀器手動(dòng)盤點(diǎn)、自動(dòng)盤點(diǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程盤點(diǎn)這兩種資產(chǎn)盤點(diǎn)方式。唐贊淞等提出一種家庭物品智能管理系統(tǒng)方案，主要通過(guò)手機(jī)APP和RFID技術(shù)結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)物品位置檢測(cè)及物品有效期提醒等功能。

1.2 4G

4G技術(shù)，即第四代無(wú)線通信技術(shù)，它擁有比3G更快的數(shù)據(jù)傳輸速度,以滿足傳輸多樣信息的需求，為人們的日常生活帶來(lái)極大的便利。

從2009年4G面世以來(lái)，信息技術(shù)行業(yè)在4G技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)生了翻天覆地的改變。高效的GPS，手機(jī)游戲的社交，汽車的智能化，電子媒體，短視頻，云計(jì)算和云存儲(chǔ)等技術(shù)在我國(guó)都得到了發(fā)展，這些技術(shù)被廣泛應(yīng)用在人們生活的方方面面，是一種成熟的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)。

1.3 RFID

RFID技術(shù)使用電子標(biāo)簽來(lái)標(biāo)志某個(gè)物品，再通過(guò)讀寫器對(duì)標(biāo)簽上數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理。作為非接觸性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別（RFID）已在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展。通過(guò)射頻信號(hào)可以捕獲靜態(tài)或者快速移動(dòng)的物體相關(guān)信息，用來(lái)加以識(shí)別。與條形碼識(shí)別和直接標(biāo)記技術(shù)相比，RFID技術(shù)有更長(zhǎng)的讀取距離，更大的信息儲(chǔ)存容量，更高的防污染性能和可讀可寫的讀寫性能，并且能夠重復(fù)使用，在一個(gè)讀取過(guò)程中，可以同時(shí)閱讀多個(gè)電子標(biāo)簽。目前，RFID技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的物品管理中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在圖書管理和物流倉(cāng)儲(chǔ)管理上。

2 需求分析

基于上述問(wèn)題，本文從硬件和軟件兩方面對(duì)物品收納管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，利用RFID技術(shù)，采用無(wú)線電信號(hào)識(shí)別的方式，無(wú)接觸式地讀取特定目標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。在不影響管理效率的同時(shí)，最大程度地降低物品管理難度。

為應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，我們將系統(tǒng)分為兩大功能模塊：?jiǎn)挝锲凡僮鞴δ?、多物品操作功能?/p>

在物品管理過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)單個(gè)物品進(jìn)行操作，面對(duì)日常的添加、借出、歸還、盤點(diǎn)，本系統(tǒng)有：添加物品（入庫(kù)）、拿出物品、放入物品、查詢物品等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)物品的日常操作；面對(duì)多物品操作，本系統(tǒng)有：多物品識(shí)別、拿出物品、放入物品、盤點(diǎn)物品等功能。多物品操作可實(shí)現(xiàn)批量操作，在一定程度上提高了物品的識(shí)別效率和準(zhǔn)確率。同時(shí)，當(dāng)我們需要對(duì)所有物品進(jìn)行日常盤點(diǎn)時(shí)，多物品操作功能的多物品識(shí)別可以識(shí)別出周邊粘貼RFID標(biāo)簽的物品，在顯示屏顯示所識(shí)別出的若干物品，倉(cāng)庫(kù)盤點(diǎn)人員只需點(diǎn)擊該功能幾次，進(jìn)行對(duì)比即可，大大提高盤點(diǎn)效率。

同時(shí)，為應(yīng)對(duì)無(wú)區(qū)域網(wǎng)覆蓋的情況，我們?cè)谠撓到y(tǒng)加入了4G通信模塊，保證網(wǎng)絡(luò)的供給。用戶可根據(jù)需求，選擇加入或不加4G通信模塊。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。

圖1 按層次劃分的系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層由RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器芯片以及主控板樹莓派組成，用于識(shí)別物品并采集相關(guān)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層使用4G模塊將感知層采集數(shù)據(jù)上傳至云端；應(yīng)用層則提供了一套樹莓派上位機(jī)系統(tǒng)和一套Web應(yīng)用程序，用戶使用相應(yīng)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的各種操作。

3.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

本系統(tǒng)共提供了兩套應(yīng)用軟件，系統(tǒng)整體的功能劃分如圖2所示，分為登錄注冊(cè)模塊、物品管理模塊、借還記錄模塊和盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模塊，其中Web端實(shí)現(xiàn)了登錄注冊(cè)模塊、物品管理模塊的借出物品、歸還物品、借還記錄和盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)等功能；上位機(jī)軟件則實(shí)現(xiàn)了物品管理的所有功能以及借還記錄和盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖2 系統(tǒng)功能劃分圖

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件選型

此系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備主要有：樹莓派、RFID模塊、4G模塊。下面將詳細(xì)介紹各硬件特點(diǎn)及選擇原因。

樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，以MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，擁有多個(gè)USB接口和I/O口，具有所有PC的基本功能，可以安裝系統(tǒng)，做服務(wù)器等，價(jià)格卻比計(jì)算機(jī)便宜許多，體積又小。因此，本系統(tǒng)選用了型號(hào)為PI4B-2GB的樹莓派。

RFID模塊包括了閱讀器芯片、天線和電子標(biāo)簽。RFID具有電子標(biāo)簽存儲(chǔ)信息量大、信息可修改、安全性高、無(wú)線傳播，以及信息傳輸范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。閱讀器芯片可以通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)與電子標(biāo)簽的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出和寫入操作。

4G模塊是基于4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行通信的，是指支持TD-LTE和FDD-LTE等LTE網(wǎng)絡(luò)制式的統(tǒng)稱，具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的4G模塊為SIM7600CE 4G HAT。

4.2 硬件模塊搭建

樹莓派主板擁有多個(gè)USB接口和I/O口，因此本系統(tǒng)硬件層搭建只需將4G模塊通過(guò)樹莓派USB口相連，RFID閱讀器通過(guò)GPIO引腳口與樹莓派相連，硬件層具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件架構(gòu)圖

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于RFID和樹莓派的物品管理系統(tǒng)在軟件方面主要由三部分組成：第一部分為樹莓派終端的以Python為腳本的物品管理程序，是本系統(tǒng)的核心軟件；第二部分為B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序，提供給用戶更加便利的物品管理頁(yè)面，輔助樹莓派終端軟件，提升用戶體驗(yàn)感；第三部分為組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的云數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

云數(shù)據(jù)庫(kù)具有低成本、高可靠和輕松部署等優(yōu)點(diǎn)，在本套系統(tǒng)中起到了軟件中間件的作用。云數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)非?？煽坑种匾闹虚g件，它不僅能對(duì)樹莓派上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理和保存，還可以與樹莓派終端軟件、Web端軟件實(shí)時(shí)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過(guò)使用云數(shù)據(jù)庫(kù)，兩套軟件系統(tǒng)之間形成了一條高效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路。

樹莓派終端和Web網(wǎng)頁(yè)通過(guò)共同連接到云數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)物品數(shù)據(jù)共享，從而相輔相成地實(shí)現(xiàn)有序、合理的物品管理，實(shí)現(xiàn)物品管理的數(shù)據(jù)化、可視化。

5.2 樹莓派終端軟件設(shè)計(jì)

樹莓派終端軟件采用Qt設(shè)計(jì)UI界面，基于RFID模塊、4G模塊和樹莓派等硬件基礎(chǔ)，使用Python語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，通過(guò)感知層采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)物品管理各項(xiàng)功能。

5.3 B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Web采用 了Spring+SpringMVC+Mybaits的 框架加上Maven管理項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前后端分離，并實(shí)時(shí)獲取云端數(shù)據(jù)，對(duì)云端數(shù)據(jù)進(jìn)行查看修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品管理數(shù)據(jù)的可視化。

5.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MySQL語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的需求分析與總體設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)物品的各項(xiàng)管理操作，共設(shè)計(jì)有用于存儲(chǔ)物品信息的data表、用于存儲(chǔ)借出記錄的table_out_storage表、用于存儲(chǔ)歸還記錄的table_in_storage表共三張數(shù)據(jù)表。各表詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 data表

圖6 table_out_storage表

圖7 table_in_storage表

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

6.1 硬件功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)RFID模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是識(shí)別RFID標(biāo)簽的EPC以及個(gè)數(shù)。利用射頻信號(hào)和空間耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID模塊通過(guò)天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌．?dāng)一臺(tái)粘貼RFID標(biāo)簽的物品進(jìn)入某一特定區(qū)域，可立即被RFID模塊自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)串口將對(duì)應(yīng)讀卡器號(hào)碼以及相應(yīng)標(biāo)簽信息內(nèi)碼實(shí)時(shí)傳遞發(fā)送至樹莓派，從而展開批量入庫(kù)、出庫(kù)、清點(diǎn)等工作。RFID模塊識(shí)別到的標(biāo)簽效果如圖8所示。

圖8 RFID模塊識(shí)別標(biāo)簽效果圖

通過(guò)4G模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是提供網(wǎng)絡(luò)給樹莓派，輔助信息的上傳，應(yīng)對(duì)周圍無(wú)區(qū)域網(wǎng)覆蓋的情況，在一定程度上降低了該系統(tǒng)的使用限制。

關(guān)于樹莓派使用串口發(fā)送命令，控制4G模塊的核心代碼如下所示：

4G模塊實(shí)現(xiàn)流程圖如圖9所示。

圖9 4G模塊實(shí)現(xiàn)流程圖

6.2 軟件實(shí)現(xiàn)

樹莓派終端軟件系統(tǒng)中，使用RFID閱讀器作為傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)樹莓派結(jié)合4G模塊上傳至云端并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)入庫(kù)、借還、識(shí)別、盤點(diǎn)等物品管理操作。樹莓派終端軟件擁有Web軟件所沒有的RFID模塊，因此終端軟件擁有特有的入庫(kù)和RFID識(shí)別功能。當(dāng)使用入庫(kù)、RFID識(shí)別或借還功能時(shí)，樹莓派將通過(guò)串口向RFID模塊發(fā)送讀取等命令，而RFID閱讀器則將接收的標(biāo)簽信息返回給程序，程序?qū)Σ杉畔⑦M(jìn)行處理和再加工后，與云數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。樹莓派終端的軟件流程見圖10。

圖10 樹莓派終端的軟件流程圖

樹莓派終端軟件主界面如圖11所示，主界面包含了各個(gè)功能按鈕，供用戶進(jìn)行相應(yīng)的物品管理操作。

圖11 主界面（菜單）

若用戶點(diǎn)擊“添加物品”按鈕，則系統(tǒng)識(shí)別一定范圍內(nèi)的標(biāo)簽，并生成如圖12所示的入庫(kù)表單，用戶補(bǔ)充物品信息即可完成物品入庫(kù)。物品借出、物品歸還與入庫(kù)功能的實(shí)現(xiàn)基本一致。

圖12 入庫(kù)表單

若用戶點(diǎn)擊“多物品識(shí)別”按鈕，則系統(tǒng)識(shí)別一定范圍內(nèi)的標(biāo)簽，并將各標(biāo)簽及其對(duì)應(yīng)物品信息生成如圖13所示的資產(chǎn)情況表格。若用戶點(diǎn)擊“盤點(diǎn)物品”按鈕，則系統(tǒng)將顯示如圖14所示的現(xiàn)有物品情況表格，該盤點(diǎn)界面還提供數(shù)據(jù)圖表化的按鈕，供用戶直觀地查看各類物品數(shù)據(jù)。

圖13 RFID識(shí)別功能示意圖

圖14 盤點(diǎn)功能示意圖

由于B/S架構(gòu)具有無(wú)需安裝，只要有能上網(wǎng)電腦、手機(jī)就可使用的特點(diǎn)，本系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序提供了物品管理功能、借還記錄的查詢功能和物品數(shù)據(jù)圖表化功能等。Web端根據(jù)需求劃分的功能框架圖如圖15所示。

圖15 Web端軟件整體架構(gòu)圖

Web端軟件意在為用戶提供一條更方便的管理物品的渠道，輔助樹莓派終端軟件的使用。當(dāng)用戶只需查看物品、修改物品或刪除物品等非RFID識(shí)別相關(guān)功能時(shí)，可直接使用本應(yīng)用程序，從而達(dá)到簡(jiǎn)單快捷的管理效果。

Web端的主要頁(yè)面如圖16至圖18所示。

圖16 登錄頁(yè)面

圖17 首頁(yè)（物品管理頁(yè)面）

圖18 物品數(shù)據(jù)圖表化

7 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用了RFID標(biāo)簽成本低、壽命長(zhǎng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，解決了當(dāng)前市面使用較多的條形碼存在的問(wèn)題。本研究為用戶提供了兩套應(yīng)用軟件，用戶可以通過(guò)樹莓派終端、PC端和手機(jī)端等設(shè)備對(duì)物品進(jìn)行有序、高效的管理。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，本系統(tǒng)對(duì)用戶的物品收納管理起到了一定的作用，能夠做到對(duì)物品數(shù)據(jù)的有效監(jiān)控，大大提高了物品管理的效率，并解決了用戶對(duì)物品的閑置、遺忘問(wèn)題，減少物品浪費(fèi)，減輕用戶壓力。