基于RFID的分布式工具監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張?zhí)靿眩瑒?銘，程慈航

（北京交通大學 計算機與信息技術(shù)學院 交通數(shù)據(jù)分析與挖掘北京市重點實驗室，北京 100044）

0 引 言

隨著新型工業(yè)化進程的不斷深化，越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)環(huán)境、高端裝備需要進行定時檢修與維護。隨著檢修流程的日益復雜和所涉及的專業(yè)工具不斷增多，需要對作業(yè)環(huán)境中所涉及的工具進行實時監(jiān)管，以提升作業(yè)效率，增強作業(yè)過程的安全性。目前，在傳統(tǒng)的電力線路檢修、高速公路維護和新型的5G物聯(lián)網(wǎng)基建、新能源汽車充電樁的部署等大量建設(shè)、維護場景中，都有對作業(yè)現(xiàn)場中工具進行實時監(jiān)管的需求，以適應(yīng)較高安全性的要求。

在“新基建”“交通強國建設(shè)”等國家政策的引領(lǐng)下，我國高鐵運營、在建里程持續(xù)快速增長，為國民經(jīng)濟發(fā)展不斷注入新動能。而基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)環(huán)境的安全性一直是現(xiàn)代交通運輸體系的核心需求[1]。為了嚴格落實安全生產(chǎn)主體責任，強化安全基礎(chǔ)建設(shè)，高鐵檢修工人會在天窗期（一般為凌晨0點到4點）對鐵軌進行檢查與維護。圖1展示了一次典型的高鐵巡道、檢修作業(yè)中線路車間工人所需隨身攜帶的專業(yè)工具。在檢修的天窗期內(nèi)，巡道工人需要使用專業(yè)儀器對鐵軌線路、枕木、道岔等重要設(shè)施進行檢測，作業(yè)范圍通常超過數(shù)千米。若檢測中發(fā)現(xiàn)安全隱患，則需要對相應(yīng)的設(shè)備、設(shè)施進行保養(yǎng)、維護或者更換。整個巡道和檢修作業(yè)過程均在夜間進行，環(huán)境光線不足、作業(yè)范圍大、檢修時間較為緊迫，有可能出現(xiàn)疏漏，容易將所攜帶的工具遺落在鐵路線上，給高鐵行車造成安全威脅。因此一旦發(fā)現(xiàn)工具遺失，需要返回作業(yè)區(qū)域進行尋找，排除安全隱患。然而夜間光線不足、作業(yè)范圍較大導致尋回遺失工具的難度很高。因此，高鐵檢修過程中急需一套能夠布設(shè)在作業(yè)現(xiàn)場的、對所使用工具進行實時監(jiān)管的系統(tǒng)來協(xié)助作業(yè)人員管理攜帶的設(shè)備和工具，防止工具遺落。鑒于此，本文以高鐵檢修場景所面臨的實際需求為背景，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于分布式RFID讀寫器的現(xiàn)場工具智能監(jiān)管系統(tǒng)。

圖1 一次典型高鐵檢修作業(yè)時攜帶的工具

近年來，RFID技術(shù)憑借著其讀取速度快、非接觸、非可視等良好特性得到了充分的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于車輛自動識別[2]、物流跟蹤[3]、門禁系統(tǒng)[4]、圖書管理[5]、藥品追溯[6]、室內(nèi)定位[7]等各個領(lǐng)域。通過將每個檢修工具與一個RFID的電子標簽綁定，則可以在作業(yè)過程中利用RFID技術(shù)的無線清點功能對設(shè)備進行高頻次的查找，實時監(jiān)控每個工具是否處于作業(yè)范圍之內(nèi)，以實現(xiàn)在作業(yè)現(xiàn)場對工具的實時監(jiān)管，提升作業(yè)過程的安全性和效率。

1 RFID技術(shù)

一個典型的RFID系統(tǒng)包括三個部分：射頻讀寫器、電子標簽（也稱作射頻標簽）和控制系統(tǒng)，其邏輯關(guān)系如圖2所示。射頻讀寫器通過天線發(fā)射電磁波讀取周圍電子標簽攜帶的信息，也可以向指定標簽寫入信息。電子標簽由收發(fā)無線信號的天線和存儲信息的芯片組成，用于唯一標識待識別的物品?？刂葡到y(tǒng)是用戶操作射頻讀寫器的中介，可以通過它向射頻讀寫器發(fā)送特定的指令以及展示閱讀器讀取標簽的信息。

圖2 典型的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID系統(tǒng)工作的典型流程為[8]：首先，通過控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件操控讀寫器，讀寫器通過天線發(fā)射一定頻率的射頻信號，這一過程被稱為查詢（Interrogation）；其次，電子標簽接收讀寫器的信號被激活后將存儲在芯片中的信息通過天線發(fā)射出去，這一過程被稱為應(yīng)答（Response）；最后，讀寫器接收到電子標簽發(fā)射的信號后解碼并傳輸給控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理。通常地，用戶無法直接執(zhí)行射頻讀寫器的指令，因此控制系統(tǒng)扮演了與用戶交互的角色。控制系統(tǒng)和射頻讀寫器共同完成了查詢的進程。

射頻讀寫器與電子標簽通過天線進行耦合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。耦合方式有兩種：電感耦合和電磁反向散射耦合。電感耦合依據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合。這種耦合方式一般適用于近距離通信，常用的工作頻率有125 kHz、225 kHz、13.56 MHz。電磁反向散射耦合類似于雷達的通信原理，即射頻讀寫器通過天線發(fā)射的電磁波遇到電子標簽后攜帶標簽內(nèi)部芯片中的數(shù)據(jù)并反射。這種耦合方式一般適用于遠距離的數(shù)據(jù)通信，典型的工作頻率有433 MHz、915 MHz、2.45 GHz和 5.8 GHz。

電子標簽是RFID系統(tǒng)的核心組成部分之一，由天線和芯片兩部分組成。天線用于接收來自射頻讀寫器的信號以及發(fā)送芯片存儲信息調(diào)制后的信號。芯片存儲了被識別物體的數(shù)據(jù)信息，通常是獨一無二的。電子標簽內(nèi)部芯片的存儲容量可達296以上，它突破了條形碼和二維碼在容量上的限制。當電子標簽與生產(chǎn)線上的產(chǎn)品綁定后，那么每一個產(chǎn)品都因此具有獨一無二的身份，可以非常容易地實現(xiàn)對物品的管理與追溯。在實際應(yīng)用中，標簽可根據(jù)供電需求分為有源標簽、無源標簽。有源標簽帶有電池為自身供電，其工作可靠性高、信號傳輸距離遠，但是由于存在供電電路，其體積較大，生產(chǎn)成本以及使用管理的成本較高；而無源標簽內(nèi)部沒有任何供電設(shè)備，它利用來自射頻讀寫器的射頻信號為自身提供能量，因此具有體積小、成本低、易維護等優(yōu)點，被資產(chǎn)盤點、物流監(jiān)管、產(chǎn)品溯源、物品定位等新興場景廣泛采用。

典型的射頻讀寫器由射頻模塊、讀寫模塊、天線等組成。射頻模塊包含振蕩器、處理器、接收器等元器件，它負責生成高頻能量來激活電子標簽并可以為無源標簽提供能量，也對發(fā)送的指令進行調(diào)制以及對來自電子標簽的信號進行解調(diào)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計與通信協(xié)議

在現(xiàn)有的多數(shù)RFID應(yīng)用中，射頻讀寫器是被固定在某一監(jiān)測區(qū)域的，其體積較為龐大，布設(shè)相對復雜，采用固定方式供電，不適用于作業(yè)地點頻繁移動、作業(yè)范圍靈活多變的高鐵維護檢修的場景。本文采用便攜式射頻讀寫器，使用無線方式與手持無線終端相連，具有良好的便攜性和使用的靈活性。每個檢修工具與一個無源電子標簽綁定，并將標簽信息注冊到數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)對工具領(lǐng)用、使用、歸還等進行全周期的管理。在作業(yè)過程中，便攜式的射頻讀寫器通過實時掃描周圍的電子標簽，以確保工具處于作業(yè)范圍之內(nèi)。一旦發(fā)現(xiàn)電子標簽消失，則手持移動終端會向作業(yè)人員發(fā)出警告，提示及時尋回可能遺失的工具。

圖3展示了本文所設(shè)計現(xiàn)場工具的實時監(jiān)管系統(tǒng)，主要包括三部分：手持移動終端、射頻讀寫器、工具與電子標簽。手持移動終端包含應(yīng)用軟件和告警設(shè)備，負責控制射頻讀寫器的行為以及當工具狀態(tài)異常時及時提醒工人。電子標簽與工具進行一對一綁定，且向芯片中寫入唯一標識該工具的ID信息。手持移動終端通過無線通信協(xié)議與射頻讀寫器進行通信，射頻讀寫器通過EPC C1G2協(xié)議[8]與綁定在工具或者其他設(shè)備上的電子標簽進行通信。

圖3 本文設(shè)計的現(xiàn)場工具智能監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

在到達作業(yè)現(xiàn)場后，檢修人員通過手持移動終端開啟系統(tǒng)的實時監(jiān)管功能。手持移動終端首先通過無線方式與射頻讀寫器進行連接，然后每隔t秒向射頻讀寫器發(fā)送“Inventory”指令來請求讀取周圍的電子標簽的ID信息。射頻讀寫器發(fā)出的電磁波所提供的能量會將電子標簽激活。之后，電子標簽會將芯片中存儲的ID信息調(diào)制之后通過天線發(fā)射出去。當射頻讀寫器收到電子標簽的ID信息后，會將其傳遞給手持移動終端。而后，終端將讀寫器所接收的電子標簽ID信息與數(shù)據(jù)庫中注冊的ID信息進行對比。若數(shù)據(jù)庫中注冊的ID集合是接收ID集合的一個子集，那么證明當前所有電子標簽均在作業(yè)場地范圍內(nèi)；否則，說明有工具遺失在作業(yè)現(xiàn)場，移動終端將向用戶發(fā)出警告。

2.2 基于多個RFID讀寫器的分布式監(jiān)管方法

由于RFID技術(shù)利用射頻信號空間耦合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所以當射頻讀寫器與電子標簽存在大型遮擋物時，傳輸信號會受到干擾，影響識別的準確率。具體到本文的工具監(jiān)管場景中，當射頻讀寫器與電子標簽之間存在遮擋物時，即使檢修工具綁定的電子標簽處在射頻讀寫器的工作范圍內(nèi)，也有可能因為遮擋物影響查詢或應(yīng)答的信號，導致發(fā)生錯誤的告警。為了解決這個問題，本文提出基于多個RFID讀寫器對電子標簽進行協(xié)同清點的分布式監(jiān)管方法。如圖4所示，該方法采用在不同空間位置分布式部署的多臺射頻讀寫器，從不同的空間位置發(fā)射RFID的查詢信號并監(jiān)聽其響應(yīng)，實時判斷盤點工具是否還處于系統(tǒng)監(jiān)管范圍之內(nèi)。當開始對工具開展監(jiān)管時，在一定時間內(nèi)電子標簽至少被一臺射頻讀寫器掃描到，即可以認為工具處于監(jiān)管范圍之內(nèi)，判定為狀態(tài)正常。反之，若系統(tǒng)超過一定時間都未接收到工具上電子標簽的應(yīng)答信號，則可以認為工具不在監(jiān)管范圍之內(nèi)，可能發(fā)生工具遺失。需要說明的是，本方案采用了多個分布式布設(shè)的、協(xié)同工作的RFID射頻讀寫器，其布設(shè)位置可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境的具體需要進行靈活選擇，形成一個能夠良好覆蓋作業(yè)區(qū)域的監(jiān)管信號范圍，以適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

圖4 基于多個RFID讀寫器的分布式監(jiān)管方法

2.3 射頻讀寫器的多連接算法

為了實現(xiàn)上面提出的基于多個RFID讀寫器協(xié)同清點的分布式監(jiān)管方法，本文設(shè)計了一種靈活可擴展的、適用于一般商用射頻讀寫器使用規(guī)范的多讀寫器連接方法。具體地，本文考慮最一般的場景假設(shè)，即手持移動終端在同一時刻僅能與一臺射頻讀寫器建立通信鏈路，以降低本文所提出方法對于硬件規(guī)格和無線連接協(xié)議的要求，增強本文所提出方法的通用性。不失一般性地，考慮某監(jiān)管系統(tǒng)包含1臺手持智能終端和N臺射頻讀寫器，需要對M個工具（對應(yīng)于M個電子標簽）進行實時監(jiān)管，通常N<

本設(shè)計中，移動終端將采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式與多個RFID讀寫器逐一建立無線連接。圖5展示了多RFID讀寫器輪詢盤點的時隙分配。在一個清點周期（也稱盤點周期）內(nèi)，手持移動終端依次與N個讀寫器進行數(shù)據(jù)通信來傳遞現(xiàn)場工具的實時狀態(tài)信息，在盤點周期末端執(zhí)行工具清點，判斷是否有工具遺失。手持移動終端與射頻讀寫器建立連接后，每隔s秒執(zhí)行一次子盤點，共執(zhí)行n次子盤點。子盤點包含讀寫器發(fā)送詢問指令和接收電子標簽應(yīng)答信息等過程。一次子盤點的時間包含詢問指令的時長、詢問間隙、應(yīng)答信息的時長、應(yīng)答間隙、子盤點時間間隔等。其中子盤點時間間隔決定了監(jiān)管的實時性。為了防止由于無線信道環(huán)境的影響導致詢問或者應(yīng)答進程執(zhí)行失敗，使用重復執(zhí)行n次子盤點的方法，以減少因信道變化導致的錯誤告警，提升監(jiān)管系統(tǒng)的魯棒性。為提升監(jiān)管系統(tǒng)的實時性，將每次子盤點的結(jié)果異步傳輸?shù)绞殖忠苿咏K端并及時渲染展示。

圖5 多RFID讀寫器盤點時隙分配

手持移動終端與射頻讀寫器之間的鏈路測試通過后，利用上述多連接算法操控N臺射頻讀寫器開展協(xié)同監(jiān)管。為增強監(jiān)管系統(tǒng)的通用性，設(shè)手持移動終端同時連接射頻讀寫器的最大數(shù)量為P。當N>P時，采用先進先出的淘汰策略斷開暫時不需要連接的射頻讀寫器。本文針對讀寫器的連接默認采用了輪詢盤點的使用策略。輪詢盤點即按照用戶選擇的排序方式將所有的射頻讀寫器加入到一個單向循環(huán)隊列中，從隊列頭部開始依次連接射頻讀寫器，若連接數(shù)量超過最大連接數(shù)，則斷開最早建立連接的射頻讀寫器。輪詢盤點時，與所有的讀寫器都要通信一次，因此適用于對環(huán)境、范圍、安全性要求較高的監(jiān)管場景。然而一些對安全性要求相對較低、監(jiān)管范圍較小的場景也可以采用隨機盤點的策略，即從讀寫器集合中隨機挑選一批用于盤點的現(xiàn)場工具。在不影響監(jiān)管功能的前提下，采用隨機盤點的策略能夠降低監(jiān)管系統(tǒng)的功率消耗，延長監(jiān)管設(shè)備的工作時長。

圖6展示了本文提出的基于多RFID閱讀器的電子標簽清點算法流程。讀寫器依次與手持終端進行通信，每次通信重復執(zhí)行多次子盤點的過程再切換為下一個讀寫器，直到邏輯上手持移動終端與所有的讀寫器都通信一次。當所有的子盤點完成之后，對掃描到的電子標簽ID集合S1再次去重匯總，與數(shù)據(jù)庫中注冊的電子標簽ID集合S2進行匹配。若S1是S2的一個子集，則所有電子標簽均被掃描到，工具未丟失；若S1不是S2的子集，則再隨機選取r個射頻讀寫器重新執(zhí)行一次子盤點，若仍然未掃描到“丟失”的電子標簽集合，則判定為工具已丟失并發(fā)出告警，提醒作業(yè)人員及時 查找。

圖6 基于多RFID閱讀器的電子標簽清點算法流程

3 系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)上一章提出的方案，本文使用了商用貨架產(chǎn)品（Commercial Off-The-Shelf, COTS）設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于RFID技術(shù)的分布式現(xiàn)場工具監(jiān)管系統(tǒng)，以證明所提方案的有效性。

3.1 硬件實現(xiàn)

在硬件層面，本文選擇深坂科技生產(chǎn)的手持式藍牙超高頻RFID讀寫器，型號為BT-800[9]。采用藍牙2.0/4.0與手持終端進行通信，搭載5 dBi超高頻天線，協(xié)議標準為EPC Global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C/6B，工作頻率為902～928 MHz/865～868 MHz，輸出功率為0～33 dBm，讀取范圍約為8 m，一次最多可以讀取超過200個電子標簽。本文選擇了符合國際通信標準EPC G2 ISO18000-6C的電子標簽，其中集成了ALIEN H3 IC芯片，工作頻率為860～960 MHz。手持移動終端選擇使用搭載Android 6.0及以上操作系統(tǒng)的智能設(shè)備，集成有音頻設(shè)備和振動馬達，以實現(xiàn)實時報警。使用射頻讀寫器、電子標簽、工具、手持終端部署硬件如圖7所示，每個工具都綁定一個電子標簽且電子標簽內(nèi)部芯片寫入了唯一標識該工具的ID，三臺射頻讀寫器分布式部署，從不同的角度捕獲電子標簽中的信息。

圖7 系統(tǒng)硬件的部署

3.2 軟件實現(xiàn)

在軟件層面上，本文基于Android操作系統(tǒng)設(shè)計了手持移動終端管理系統(tǒng)。如圖8所示，該系統(tǒng)包括設(shè)備連接、讀寫器管理、射頻讀寫器指令集合、數(shù)據(jù)庫、工具實時監(jiān)管等五個模塊。其中，設(shè)備連接模塊負責查找、連接、斷開射頻讀寫器設(shè)備，為射頻讀寫器管理提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。為了克服無線信道帶來的不確定因素，在設(shè)備連接模塊加入重試機制以增強系統(tǒng)的可用性。射頻讀寫器管理模塊利用多連接算法實現(xiàn)在實時監(jiān)管過程中的射頻讀寫器設(shè)備選擇決策。射頻讀寫器指令集合模塊將控制讀寫器的指令封裝為簡單的函數(shù)調(diào)用。例如“Inventory”指令為讀寫器發(fā)送一次盤點并接收盤點到的電子標簽數(shù)據(jù)。基于“Inventory”指令派生出了不同的盤點功能，如一次盤點、持續(xù)盤點、持續(xù)定時盤點等功能。實時監(jiān)管模塊與射頻讀寫器管理模塊、射頻讀寫器指令集合模塊、數(shù)據(jù)庫模塊均通過函數(shù)調(diào)用進行交互，向射頻讀寫器管理模塊傳遞讀寫器切換策略參數(shù)獲取讀寫器的MAC地址等信息并進行連接；向射頻讀寫器指令集合模塊傳遞不同的盤點指令參數(shù)來啟動讀寫器完成不同的盤點功能并將盤點結(jié)果回傳；向數(shù)據(jù)庫模塊傳遞寫入或者讀取參數(shù)來注冊電子標簽ID或者讀取電子標簽ID。

圖8 手持移動終端應(yīng)用軟件架構(gòu)

根據(jù)上述設(shè)計，開發(fā)平臺采用Android Studio 3.3[10]，使用Gradle 4.10.1[11]構(gòu)建項目，開發(fā)語言為JAVA 1.8。實時監(jiān)管模塊是系統(tǒng)中的核心模塊，對監(jiān)管方式進行了頂層抽象，并實現(xiàn)了單讀寫器工作模式和多讀寫器工作模式，它結(jié)合其他模塊提供的服務(wù)共同完成監(jiān)管的功能。射頻讀寫器管理模塊采用單例的設(shè)計模式，定義了一種單向循環(huán)隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲讀寫器指令。射頻讀寫器指令集合模塊采用多線程實現(xiàn)盤點功能，通過函數(shù)回調(diào)的方式將盤點獲取的標簽ID回傳給實時監(jiān)管模塊。數(shù)據(jù)庫采用內(nèi)嵌Android操作系統(tǒng)中輕量級的SQLite。

3.3 參數(shù)設(shè)置

本文所設(shè)計的方案具有一般性，能夠通過設(shè)置不同的參數(shù)適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。在一個子盤點過程中，發(fā)送“Inventory”命令的時間間隔s的默認值為2 s，命令發(fā)送次數(shù)n的默認值為5次，發(fā)現(xiàn)有工具丟失，隨機選擇重試盤點的讀寫器數(shù)量r的默認值為1。因此，一個子盤點的周期時長為s×n秒，子盤點周期時長與工具監(jiān)管的實時性成反比。n的值越大，則讀取周圍電子標簽的次數(shù)越多，結(jié)果更穩(wěn)定，但付出的代價是消耗更多的電源，降低射頻讀寫器的工作時長。實時監(jiān)管模塊對“監(jiān)管”功能進行了抽象，具體實現(xiàn)的實例有單連接監(jiān)管和多連接監(jiān)管，單連接監(jiān)管適用于將待監(jiān)管工具注冊到本地數(shù)據(jù)庫中，多連接監(jiān)管適用于較大的監(jiān)管場地且有遮擋物干擾信號的場景。射頻讀寫器指令集合模塊對底層命令作了進一步封裝，默認以開啟子線程的方式發(fā)送“Inventory”。射頻讀寫器管理模塊封裝了對讀寫器選擇的邏輯，根據(jù)用戶選擇的決策方式實施不同的方法。設(shè)備連接則是屏蔽了藍牙底層連接的細節(jié)，為射頻讀寫器模塊提供一個簡單且穩(wěn)定的方法。最終的實施監(jiān)管界面正常狀態(tài)如圖9所示，所有工具狀態(tài)均正常。圖10展示了工具“扳手-1”發(fā)生異常狀態(tài)，此時系統(tǒng)會向用戶告警。

圖9 受監(jiān)管工具正常狀態(tài)

圖10 受監(jiān)管工具異常狀態(tài)

3.4 設(shè)備連接耗時評估

在實際使用過程中，主要消耗時間的模塊是設(shè)備連接，因此對設(shè)備連接消耗用時進行了性能評估。使用手持移動終端系統(tǒng)通電后首次與射頻讀寫器連接消耗大約1 000～3 000 ms，再次連接消耗約426 ms，時間損耗上對實時監(jiān)管系統(tǒng)功能影響基本可以忽略不計。實驗證明，本文設(shè)計的基于分布式的現(xiàn)場工具實時監(jiān)管系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)視是否有工具遺失，無論在白天還是夜間，該系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定可靠地工作。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)一個基于RFID技術(shù)的現(xiàn)場工具智能監(jiān)管系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)管高鐵檢修工具的狀態(tài)，便于高鐵檢修工人管理攜帶的工具，顯著提升了檢修作業(yè)的效率以及增強作業(yè)過程中的安全性。該系統(tǒng)采用基于多個RFID讀寫器的分布式監(jiān)管方法，擴大了監(jiān)管范圍以及提升了系統(tǒng)的魯棒性。除了高鐵檢修場景之外，該系統(tǒng)也適用于電力線路檢修、高速公路維修、5G物聯(lián)網(wǎng)基建、新能源汽車充電樁的部署等大量建設(shè)、維護場景，具有廣泛的應(yīng)用前景。