“互聯網+計量”模式下樣品動態追蹤管理系統研究

楊葉花，黃鋒，沈仁怡，黃楊清，張志宏，符俊

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州510030）

0 引言

現有計量流程中，計量樣品的狀態查詢是一個重要環節。目前，大部分計量技術機構對被檢樣品采用人工或半自動化條形碼標簽管理方式，由于交接環節多、工作量大，這兩種方式均會造成被檢樣品丟失、樣品追蹤缺乏信息化、人員依賴性強和信息更新不及時等問題。當前，我國正處于不斷加強“互聯網+計量”公共服務平臺的建設階段，適應“互聯網+”時代的計量服務流程需要靠產品和服務的數字化來保障［1-4］。為了降低被檢計量器具管理成本、加強樣品管控、優化樣品追蹤流程、加強數字化計量建設，開發了一種基于無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）的樣品動態追蹤管理系統。

RFID是一種非接觸自動識別技術，通過射頻信號實現激勵器、標簽和閱讀器之間的通信，具有成本低、無需人工干預完成信息輸入和處理、可重復使用、定位精度高等優點［6-10］，廣泛應用于企業資產追蹤與管理、醫院對患者的實時定位、物流等領域。文中主要研究RFID在計量檢定機構對待檢樣品的動態追蹤與管理的應用，其原理是把一個微型、具有唯一身份標識的電子標簽附在待檢樣品表面，通過路標激勵器和閱讀器實現對待檢樣接收、入庫、出庫、送檢等全過程進行實時監測和信息自動更新。

本文介紹了樣品動態追蹤管理系統的設計原理、路標激勵器、半有源電子標簽、閱讀器的具體結構和系統的測試。

1 動態追蹤管理系統設計

動態追蹤管理系統結構如圖1所示，系統由（激勵器、電子標簽、閱讀器）三元雙頻RFID系統和應用系統組成。路標激勵器把無線載波通過125 kHz低頻天線向外輻射；送檢樣品佩戴電子標簽在輻射天線的輻射范圍內時，電子標簽被激勵喚醒，接收路標激勵器的定位信息和命令，進入預設的工作狀態，將自身的ID號、激勵器的ID號、電源電壓和場強強度等信息打包，通過2.4 GHz高頻天線發送給閱讀器；閱讀器對數據進行譯碼，傳送到應用系統；應用系統根據激勵器ID號、場強強度和電子標簽ID號，判斷哪些標簽（即送檢樣品）經過或處在該ID號的激勵器附近。

圖1 系統結構圖

1.1 路標激勵器

為滿足計量技術機構內不同存放區域的需要，路標激勵器分為通過式激勵器和存儲式激勵器。通過式激勵器的目的是標記RFID電子標簽的物流流向，用于識別樣品進入了哪個場所（實驗區）安裝在電梯口、過道和實驗室門口；存儲式激勵器的目的是標記電子標簽的放置位置，用于識別樣品處在哪個具體位置安裝在倉庫貨架上，激勵器的結構如圖2所示。激勵器通過串口連接PC，主要接收上位機的控制命令，并對外發射125 kHz的無線射頻信號，有電子標簽進入125 kHz激發區時，將電子標簽喚醒，并將激勵器的ID號、命令、參數信息發送給電子標簽。125 kHz激勵器技術可實現2～3 m的定位精度，結合場強強度可以對電子標簽進行準確定位。存儲式激勵器還帶有2.4 GHz模塊，主要是對電子標簽程序進行無線升級。

圖2 激勵器結構原理圖

1.2 半有源電子標簽

圖3 是電子標簽的結構原理圖，半有源電子標簽采用了雙頻電子標簽技術，即在一張電子標簽上實現了125 kHz低頻和2.4 GHz高頻雙頻率的集成。半有源電子標簽平時處于待機低功耗狀態，只有進入激勵器的激發區域，125 kHz部分被動接收激勵器發出的信號時，才由低頻部分激活微控制器和2.4 GHz高頻部分，進入主動狀態，接收激勵器的ID號、命令、參數信息后，合并半有源電子標簽的ID號、電池電量、場強強度、參數信息，并對外發射2.4 GHz的無線射頻信號，一旦電子標簽離開激勵器的激發區域，電子標簽重新進入待機低功耗狀態，主控芯片選用超低功耗的MSP430微控制器，因此，耗電量極低，其中整機休眠電流6μA，可大約延長電子標簽電池一倍以上的使用壽命。

圖3 電子標簽結構原理圖

實際應用中，需要對電子標簽程序進行適當更新，傳統應用程序的升級采用有線方式，升級過程中要拆卸電子標簽，由于待檢樣品數量繁多，使用的電子標簽數量多，為了彌補電子標簽程序傳統更新方式的不足，提高程序升級效率，本設計對電子標簽應用程序的升級采取無線方式。

選用2.4 G模塊收發器，可實現一對多發送數據，激勵器通過向電子標簽發送要更新的應用程序，可穩定、快捷地完成多個電子標簽程序的升級。實現機制是在電子標簽的MSP430芯片中放置兩段代碼:一段為應用程序，另一段為bootloader程序，兩者分開存儲，利用bootloader程序擦除應用程序并寫入新的代碼，并且保證 bootloader程序不會被擦除，還需要做中斷映射。

將要升級的應用程序進行編譯，并生成txt文件，打開上位機軟件，如圖4所示，當上位機與電子標簽建立通信后，選擇要升級的txt的應用程序，點擊發送文件，待升級完成并校驗成功后，點擊退出即完成本次升級。

1.3 閱讀器

圖4 電子標簽無線升級的管理系統

閱讀器采用中斷的方式，通過2.4 GHz高頻模塊接收電子標簽發送的數據信息，并及時通過網口模塊將信息轉發給應用系統，閱讀器的結構原理如圖5所示。網口模塊是將TCP/UDP數據包與RS232/RS485接口實現數據透明傳輸，具有功耗低、速度快、穩定性高的特點。

圖5 閱讀器結構原理圖

2 樣品動態追蹤管理系統的測試

2.1 電子標簽待機電流

電子標簽由3.3 V恒壓源供電，電流表串聯在電源輸出端和電子標簽電源輸入端，電子標簽開機后通過2.4 G發送信息給閱讀器驗證其處于正常工作狀態，隨后進入待機狀態，經測試，啟用低功耗設計的電子標簽待機狀態下的電流為6μA。

2.2 準確性和防碰撞測試實驗

圖6所示為搭建的管理系統測試裝置圖。路標激勵器的供電電壓為5 V，閱讀器的供電電壓為12 V，電子標簽由CR2032供電，電子標簽放置在離路標激勵器2 m的貨架上，閱讀器與電子標簽相隔30 m，路標激勵器通過125 kHz低頻天線定時發送“呼喚”命令，當電子標簽進入待機狀態，受到激勵器的觸發時，電子標簽被喚醒、判斷接收的數據進入相應的工作狀態。接收命令正確，電子標簽將自身ID、激勵器ID、命令及場強強度等信息通過2.4 G發送到閱讀器，并通過網口模塊傳輸到應用系統，隨后回到低功耗待機狀態。分別進行單個電子標簽和多個電子標簽同時被激勵的實驗，實驗結果如表1所示。

表1 準確性和防碰撞性測試實驗結果

測試表明，單個電子標簽被激勵時，不會出現誤判、漏讀現象；200張電子標簽同時被激勵時，也不會出現誤讀現象，但平均漏讀率為5‰，即對200個標簽同時激勵1000次，每個標簽有5次以內的漏讀，995次正常接收。這是由于多標簽同時發出2.4 G應答信號，在空間發生碰撞，導致閱讀器不能識別，而只有一個標簽不會碰撞。因此，電子標簽需啟動防碰撞機制。樣品佩戴的電子標簽受通過式和存儲式激勵器兩種方式激勵，通過式激勵器是在樣品運送過程中激勵電子標簽，此時樣品在手推車上，樣品數量一般不超過30件（其中對小件樣品，如壓力表、玻璃溫度計，實驗室一般按批次進行樣品交接識別），同時激勵區一般有4 m的區域，手推車行進速度約4 km/h，通過這個區域耗時超過3 s，通過式激勵器的激勵頻率為1次/s，標簽能收到3次激勵。30件樣品中的某一件連續3次激勵都不成功的機率極低，按數據仿真在百萬分之一內，漏讀風險在可接受范圍。倉儲式激勵器觸發區樣品數量由貨架的層數及擺放方式決定，可能達到200個，但樣品在貨架上的停留時間以小時作為單位，為了省電，按10 min激勵一次的方案，樣品存放2 h內可以收到12次的激勵，只要其中一次激勵成功，就可定位，因此漏讀風險同樣極低。如果樣品存放時間短，說明樣品已被取走，定位識別是否成功已沒有實際作用。

圖6 管理系統測試裝置圖

3 結論

樣品動態追蹤管理系統將RFID技術、網絡技術、軟件技術和待計量樣品管理結合起來，更新管理理念、優化管理流程，為數字化計量的建設提供技術支持。其中電子標簽的應用程序采用2.4 GHz無線升級方式，可大大提高程序升級效率。通過測試表明，采用低功耗設計的半有源電子標簽的待機電流為6μA，可大大延長電池的使用壽命；單個電子標簽被激勵時，誤判率、漏讀率均為0%；200個電子標簽同時被激勵時，誤判率為0%，漏讀率為5‰，經驗證，該管理系統的漏讀率極低，可以應用于計量樣品中。