基于RFID的危險品管理系統

賴玨竹，原溪晨，劉致躍，薛峰軍

（1.天津工業大學 電子與信息工程學院 天津 300380；2.武漢奔跑吧教育研究院 武漢 430000）

0 引言

隨著社會的發展和科學技術的不斷進步，由于工業生產或科學研究的需要，人們接觸與使用的危險物品（如：化學藥品、易燃易爆危險品等）越來越多。日前，高校化學實驗室爆炸、易燃易爆品倉庫失火等由于危險品引發的事故頻發。所以，危險品該如何管理的問題受到越來越多人的關注。

隨著物聯網的興起，RFID 技術已廣泛應用于智能安保、生產自動化、公共交通等領域[1]。本文設計并實現了運用RFID 技術對危險品進行實時監控，提前發現問題，避免危險事故的發生，或在危險發生時能及時發現危險源，以便進行及時有效的控制。

圖1 系統框圖Fig.1 System block

1 簡介

1.1 RFID概述

RFID 是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象，并獲取相關數據信息[2]。RFID 系統一般由電子標簽、讀寫器、應用接口、RFID 中間件與管理系統等構成。標簽由天線和芯片組成，天線在標簽及讀卡器之間起到傳遞射頻信號的作用，芯片里面保存每個標簽具有的唯一電子編碼和用戶數據。每個標簽都具有全球唯一的ID—UID，UID 不能被用戶修改，用戶可對用戶數據區進行讀寫、覆蓋等操作。讀寫器是讀取（或寫入）標簽信息的設備，可對標簽進行識別、讀取、寫入操作。RFID中間件是將底層RFID 硬件和上層應用結合在一起的媒介，具有提供安全讀寫操作、數據傳輸等功能。

1.2 創新點

通過查閱相關資料，RFID 在國內危險品管理方面較多的是對燃氣瓶的管理。上海市為實現燃氣瓶的監控和管理，在全市數以萬計的鋼瓶上都粘貼了RFID 電子標簽[3]；2014 年鄭州市在全市的車載燃氣瓶上推廣應用RFID 標簽；同年，太原市也將RFID 技術應用到液化氣鋼瓶上。這些應用為RFID 在危險品管理領域的運用打下了堅實的基礎，保證了燃氣瓶供應鏈的安全[4]。但是與先進國家智能化、全方位的管理系統相比，國內的RFID 技術在危險品管理領域的研究和應用依然存在較大差距[5]。本設計主要解決了以下問題：

1）解決了局域網對管理場合的限制，進一步保護了管理者的生命安全。

2）解決了人員使用信息管理不全，不詳細。

3）解決目前超高頻射頻技術由于輻射距離過遠造成的電子標簽識別誤差。

4）降低了成本。

5）遠距離（＞20cm）靈敏地判斷危險品信息。

6）隨時隨地訪問，實時數據顯示，系統更加智能化。

2 系統硬件結構設計

本系統硬件部分由危險品存放柜、超高頻RFID 讀寫器、低頻RFID 讀寫器、控制器MCU、PC 機或Android 手機組成。系統框圖如圖1 所示。

2.1 危險品存放柜

本系統使用鐵皮柜子作為危險品存放柜，一是由于鐵皮柜子具有較強的抗壓性及抗腐蝕性；其次，利用鐵皮柜子的屏蔽特性，使貼有電子標簽的危險品一旦被開柜取出，就無法被柜內的讀卡器識別到。這樣即可準確、實時地反映危險品使用時間、擺放位置等信息。

2.2 超高頻RFID讀寫器

使用超高頻且功率較低的Magic RF系列的讀寫器芯片，與其他同類型、同功能的芯片相比，具有低電壓、低功耗、小尺寸、低成本等諸多優點。采用此讀寫器通過尋址的方式對多天線進行尋址，并讀取掛于危險品上的電子標簽。例如，在一個多層鐵皮柜子中放置一個RFID 讀寫器，在柜子每一層放置一個天線，讀卡器通過對天線尋址進而得知每一層放置的所有危險品信息。

由于本系統采用的是低功率的Magic RF QM100 讀寫器芯片，其識別距離在3m 左右，可以識別到一個鐵皮柜子中所有的危險品。并且，其信號可以被鐵皮柜子所屏蔽，一旦物品被取走便無法識別，既滿足了設計需求，又降低了成本。

2.3 低頻RFID讀寫器

使用低頻RFID 讀寫器作為危險品存放柜上的電子密碼鎖，用來識別打開柜子的操作人員信息。采用MFRC522非接觸式（13.56MHz）讀寫器芯片，讀寫距離在10cm 之內；使用S50 非接觸式無源IC 卡，自帶天線，容量為8K位EEPROM，且每張卡具有唯一序列號（32 位）。

操作人員每人對應一張IC 卡，在使用危險品時，先刷卡解鎖，此時人員信息被錄入系統。同理，使用后歸還時信息同樣被記錄。這樣便實現了危險物品存取的實名制管理。

2.4 機智云平臺

機智云平臺是致力于物聯網、智能硬件云服務的開放平臺。機智云云端提供了產品的定義、產品數據點定義、虛擬設備調試、M2M 服務、API 服務等功能，為設備、應用接入提供云服務。設備端的模組系統GAgent，通過使用GAgent，根據機智云提供的協議與GAgent 對接，使設備可以快速接入。目前，已兼容國內主流的WIFI 模塊、移動網絡模塊。機智云提供了基于iOS、Android 系統的IOT SDK。通過SDK 可快速實現APP 開發，無縫接入機智云，并根據SDK 獲取機智云平臺逐步推出的新服務。

2.5 主控制器

系統以STM32F103 為主控制器，STM32 和旗連讀寫器（超高頻讀寫器）通過串行口進行數據交互，讀取危險品信息。STM32 與低頻讀寫器MFRC522 進行SPI 通信，讀取操作人員信息，并通過STM32 和WIFI 模塊將讀取的標簽數據上傳到云端和PC 端，可以通過手機或PC 端登錄局域網進行實時監控。

3 算法設計及功能實現

3.1 危險品出入庫管理及信息的獲取與傳輸

為實現對危險品進出時間和操作人員信息的嚴格管理，需要實時獲得存放柜中每件危險品的狀態、密碼鎖的狀態。

1）庫內管理

采用多天線尋址的方式獲得危險品的實時狀態。將讀卡器與天線進行有線連接后對天線按照順序進行尋址訪問，讀寫器通過天線獲得標簽信息，每個天線對應不同的柜子編號。因此，系統能準確顯示每個小柜子內的危險品的名稱以及該危險品所在位置。

2）出庫管理

當操作人員用IC 卡打開存放柜外的電子密碼鎖時，非接觸式低頻RFID 讀寫器讀取IC 卡信息，即系統記入操作人員信息。由于柜子對射頻信號傳播的屏蔽性，當柜內物品被操作人員取出時，柜內讀寫器無法接收到物品已被取出柜子的信息，記錄此刻時間，即為危險品被取出的時間。因此，每個危險品出庫時，均可以準確獲取操作人員信息、出庫時間。

3）入庫管理

同理，操作人員將危險品放回，打開存放柜時其身份信息被記入，危險品放回原位置，柜內讀寫器又可以獲得標簽信息，這一時刻被記作危險品入庫時間。這樣，危險品入庫時同樣可以獲取操作人員信息及入庫時間信息。

具體算法如下：超高頻讀寫器t 時刻對天線進行尋址，判斷第i 個天線是否返回數據，若返回數據，則讀寫器通過串口將數據傳給單片機，單片機對串口數據進行解碼并通過WIFI 上傳至云端；若未返回數據，則第i 個的危險品被取走，單片機將取走危險品信息進行上傳。同時，柜外的低頻讀寫器讀取t 時刻標簽信息，將信息傳給單片機，單片機將數據解碼得到操作人員訪問信息，上傳至云端。這樣，危險品的實時信息均保存至云端，可通過手機端與PC 端隨時進行訪問，獲取數據。系統總體算法流程圖如圖2 所示。

3.2 PC端訪問數據

PC 端上位機軟件基于Visual Studio Code 平臺開發。通過建立窗體、建立按鈕、文本框的方式實現軟件界面，通過引入time 控件，建立定時器，實現對傳輸數據的讀取。打開PC 端軟件，輸入IP 號后，點擊開始監聽即可得到此時存放柜內危險品的信息。

3.3 手機端APP訪問數據

圖2 系統總體算法流程圖Fig.2 System overall algorithm flowchart

在Android Studio 平臺上利用java 語言進行開發。Android 端軟件具有界面設計簡潔，操作簡單，可以實時進行數據的查看等優點，適合于本系統的設計要求。程序分為：登陸云端服務器，獲取云端數據及頁面顯示三部分。手機端不僅可以隨時隨地對危險品的數據進行實時訪問，獲取信息，還能通過云端訪問歷史數據，使得管理更加方便快捷。

4 結束語

本系統主要用于易燃易爆的危險品、腐蝕品及貴重器材的管理，可以確保操作人員及管理人員的人身安全，提高管理效率，具有廣泛應用。例如，可應用于存放化學試劑或的貴重儀器儀表的高校實驗室，或存儲易燃易爆物品的倉庫等。其優點在于具有較好的實時性，打破了局域網的限制。具有較好的實時性體現在危險品信息的實時獲取及顯示，管理人員可以隨時查看危險品情況，做到有危險早發現；打破局域網的限制是指可以在移動端隨時隨地訪問數據，假設倉庫發生火災時消防員可在手機APP 上遠程查看到倉庫危險品的分布信息，盡快確定起火源頭。盡管RFID 技術提高了危險品管理的效率，但仍存在RFID 標準不統一和存在輻射等問題。但相信隨著科技和經濟的發展，這些問題將會得到解決，RFID 將會有廣闊的發展前景。