基于雙RFID的電子設備管理手持機設計

劉曉東， 馬幸宇， 閆 昆， 許鴻博， 李 花， 饒預芳

（1.大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧大連110618；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲412000）

0 引 言

隨著高校電學相關實驗室小型電子設備數量、種類的增多，傳統的人工管理方式存在查詢設備信息復雜、設備狀態信息不明確、資源利用效率低、設備存放分散無序等弊端［1］。目前成熟的解決方式有利用數據庫和網絡建立校級設備管理信息系統［2-4］、從信息化管理內涵建設與平臺構建等方面提高實驗室信息化［5］、建立智能化實驗預約管理系統［1］、基于手機APP開發設備管理系統［6］等，但未能從具體實驗室管理者層面有效地解決設備日常使用狀態管理與存放查詢問題。隨著物聯網技術的快速發展，射頻技術（Radio Frequency Identification，RFID）優勢逐漸顯現［7-9］，利用雙RFID建立一套由設備管理平臺和設備管理手持機兩部分組成的實驗室設備管理系統，將設備信息的盤點與借用人信息的登記整合為一個完整系統，實現電子設備管理的信息化與自動化，同時針對設備狀態信息與存放位置信息進行跟蹤管理與快速查詢，系統可以充分利用電子設備資源，實現設備資源的充分利用與全周期管理。

1 電子設備管理系統

電子設備管理系統由電子標簽、手持機、無線路由器、設備管理平臺與數據庫等組成。其系統總體框圖如圖1 所示。

圖1 電子設備管理系統結構示意圖

電子標簽粘貼在各個儀器設備上，記錄儀器設備名稱、使用狀態、存放位置等信息。手持機負責讀取與寫入設備電子標簽的信息，實現電子設備的登記與后續狀態查詢與變更，可獨立于設備管理平臺使用。同時，手持機是電子設備與設備管理平臺之間的橋梁，在整個系統中承擔著數據交互的關鍵作用。設備管理平臺負責所有設備狀態、盤點結果進行統一管理，并定期向管理員呈現統計報告。此系統可以充分將有限有效的電子設備資源流動起來，并實現全周期資源管理。手持機通過無線局域網接收設備管理平臺發送的管理命令，對設備標簽進行讀取、寫入操作以完成對設備借用、歸還等實時狀態管理。

2 手持機硬件系統

手持機是電子設備管理系統的核心部分，由微處理器、超高頻RFID閱讀器、高頻RFID閱讀器、無線通信、攝像頭、觸摸屏、存儲卡和電源等模塊組成。手持機系統總體框圖如圖2 所示。

圖2 RFID手持機系統總體框圖

手持機設計中所用到的模塊清單如表1 所示。

表1 手持機主要模塊清單

2.1 主控模塊

系統主控模塊主要包括4 部分：MCU 最小系統、復位、電源指示和按鍵等電路。主控模塊以STM32F407 單片機為核心，它具有豐富的接口，可通過其控制多種外設并完成與手持機之間的數據傳輸。主控模塊最小系統電路如圖3 所示。

圖3 MCU最小系統電路圖

2.2 閱讀器模塊

手持機采用RFID 技術，它是一種非接觸式的自動識別技術。不同于傳統的條形碼技術，它的識別距離更長、抗污損能力更強且一次可同時盤點多個設備［11］。典型的RFID 系統由閱讀器、電子標簽以及控制系統組成，其組成結構框圖如圖4 所示。

圖4 RFID系統結構框圖

電子標簽采用被動式無源標簽，在閱讀器讀出范圍之內時，閱讀器發出的射頻載波為電子標簽提供工作所需要的直流電源，無須額外的供電電路，電路結構簡單成本低廉。閱讀器是RFID 系統的核心部分，它通過天線與電子標簽進行無線通信，實現了對標簽內指定字段的讀寫操作。手持機設計中共采用高頻（High Frequency，HF）閱讀器和超高頻（Ultra High Frequency，UHF）閱讀器兩個不同頻段的非接觸式RFID模塊。高頻RFID模塊在3 cm 以內可以讀取人員的校園卡信息；超高頻模塊讀寫距離為1 m左右，用來掃描設備的電子標簽。

手持機掃描設備電子標簽時使用的是JR2030 超高頻RFID 模塊，它支持EPC-C1G2 協議［12］。JR2030使用UART串口進行通信，只有在讀寫器執行完一條命令后，才能接收下一條命令。在讀寫器執行命令期間，如果向讀寫器發送命令，命令將丟失。因此發送數據流時，每兩個相鄰Byte之間的發送時間間隔必須小于15 ms。

手持機掃描校園卡使用的高頻RFID 讀寫模塊MFRC522，讀寫距離在3 cm以內。由于模塊內部發送器部分可驅動讀寫器天線，接收器部分提供解調和解碼電路，不需要額外的電路就可完成與射頻卡的通信［13］。本系統采用的是SPI方式進行通信，將單片機作為主機，MFRC522 作為從機。JR2030、MFRC522 和STM32 單片機的連接如圖5 所示。

圖5 閱讀器模塊電路圖

2.3 無線通信系統

常用無線通信方案有藍牙、WiFi、ZigBee 等，它們有各自的優劣勢。藍牙適用于一對一通信，且傳輸距離較短；ZigBee 組網復雜，成本較高；WiFi 速度快，覆蓋范圍廣且可以實現多接入點接入。本設計選用WiFi通信方案。采用ESP8266 完成手持機與設備管理平臺間的無線通信。該模塊支持標準的IEEE802.11b／g／n 協議，有完整的TCP／IP 協議棧。模塊作為TCP客戶端與上位機相連，用于連接到無線網絡。利用串口實現與單片機之間的數據傳輸。

In regards to the short term clinical outcomes, we studied the procedure time, the time to resume diet,the time to full ambulation, the duration of the total hospital stay and the complication rate.

初次使用要對其進行初始化設置，配置為STA 模式，設置正確的SSID與密碼從而接入局域網。然后設置傳輸協議為TCP，和服務器端建立連接，開啟透傳模式后進行數據的無線收發［14-15］。ESP8266 與主控模塊電路連接圖如圖6 所示。

圖6 無線通信模塊電路圖

2.4 設備輔助定位功能設計

如圖7 所示，使用手持機借用設備時，通過設備輔助定位功能，可以在設備倉庫中快速確定所需設備位置范圍。同類設備放置于同一貨架上，每個貨架上配備有一個無線收發模塊，通過其控制外部LED，電源采用電池，不工作時處于休眠狀態。考慮到WiFi信號覆蓋問題，路由器應在房間中心安置。

圖7 設備輔助定位示意圖

在ESP8266 中燒寫NodeMCU 固件后，能直接寫入腳本語言，不須額外控制器，可節約成本。把模塊接入局域網，可遠程控制I／O 口輸出高低電平點亮或熄滅LED燈以指示設備位置。當設備管理信息平臺批準借用請求之后，系統會將設備信息發送至手持機，液晶屏上顯示設備的名稱以及存放位置。同時手持機會通過WiFi發送信息至設備柜上無線模塊，通過其控制LED燈閃爍進行位置指示。這樣極大的縮小設備查找范圍，節約了查找時間。

3 手持機軟件系統

系統軟件設計主要包括RFID 數據信息接收與發送、與上位機無線通信、手持機界面顯示以及攝像頭和SD卡驅動等。

3.1 手持機基本功能

作為實驗室管理系統的手持機，借助貼于設備上的電子標簽，配合設備信息管理平臺主要實現設備的入庫、借用、歸還、損壞、維修等操作管理，以及借用人信息管理功能。手持機的整體功能結構框圖如圖8所示。

圖8 手持機功能結構框圖

可以將具體的操作分為“人員相關操作”“設備相關操作”“其他操作”3 大類。“人員相關操作”包括對于初次使用本系統的人員信息進行登記，以后亦可在手持機中查詢和關聯個人設備借用情況。“設備狀態操作”包括對新進的設備進行入庫登記，將設備名稱與電子標簽編碼記錄在數據庫中。若設備發生損壞、維修等情況及時更改其狀態。“設備日常操作”包括借用、歸還和掃描操作等。可見手持機可以取代傳統的人工方式來完成電子設備的日常管理。

手持機系統UI界面如下圖9 所示。

圖9 手持機UI界面

3.2 多設備掃描中的防碰撞問題

在實際使用過程中，可能會有大量設備標簽同時處于手持機的工作范圍內。如果有2 個或2 個以上的標簽同時向閱讀器發送數據，閱讀器就會出現數據沖突，產生數據互相干擾的現象，即標簽碰撞［16］。如圖10 所示，為了解決這個問題，本設計中做了進一步處理。

超高頻RFID 采用的是電磁耦合，原理符合雷達公式［17］：

圖10 防碰撞示意圖

式中：Pr為閱讀器接收功率；Pt為標簽發射功率；G 為天線增益；λ 為載波信號波長；σ 為截面面積；L 為標簽到閱讀器距離。

可知接收功率和距離有關，當接收功率低于閾值時就無法檢測到信號。因此單位時間信號到達次數與掃描標簽距離有關。

掃描多標簽時將每次接收到的標簽數據進行比對，完整的且未重復的數據幀保存在緩存數組中，并為其分配一個計數器。在下一次檢測到該標簽時增加計數器的值，計數器值最高的標簽則為當前距離閱讀器最近的標簽，將其保存。其他數據幀則舍棄，在多標簽掃描中確定當前標簽。

4 實驗測試

為測試手持機讀寫標簽性能以及與設備管理平臺通信功能，對RFID手持機系統進行測試，實物如圖11所示。測試實驗具體條件為：讀寫器發射功率設為最大功率27 dBm，頻率設為滿足協議標準的920 MHz，采用3 dBi增益的天線。

圖11 RFID手持機掃描標簽實物圖

首先驗證其對實驗環境中電子標簽的讀寫能力。在電子設備表面粘貼Alien-9662 電子標簽，根據附著材料不同，讀取距離L會產生變化，如圖12 所示。

當電子標簽貼于紙質物品表面時，讀寫距離最大，達到80 ～95 cm；當電子標簽貼于塑料物品表面時，讀寫距離在60 ～80 cm范圍內，滿足設備管理需求；如果貼于金屬物品表面時，讀寫距離急劇下降至1 ～3 cm，嚴重影響使用。可以采取粘貼特殊的抗金屬標簽進行改進，其單價較貴。

圖12 電子標簽附著在不同材質上的讀寫距離

為驗證手持機與管理平臺之間的通信能力，進行如下實驗。操作人員在PC 上打開設備管理平臺，通過手持機掃描自己的ID 卡進入設備入庫頁面。在填寫基本信息后，平臺將所需入庫設備名稱傳輸至手持機并在液晶屏上顯示設備名稱。掃描待入庫設備上標簽，將獲取的數據發送到平臺EPC 編碼欄中，實現設備入庫的過程。借用設備時，當借用申請在管理平臺被批準之后，平臺將信息發送給手持機，顯示設備名稱與存放地。手持機掃描完設備EPC 碼將其發送給管理平臺，平臺將對應設備標注為“已借出”，完成借用流程。該實驗驗證了手持機與設備管理平臺之間的通信準確可靠。

圖13 獲取設備EPC編碼

5 結 語

本文設計的基于雙RFID 的電子設備管理系統手持機，實驗結果表明：手持機配合設備管理平臺可以完成對電子設備的全周期狀態管理，包含入庫、借用、維修及報廢等整個流程，達到預期要求；手持機可以完成電子設備信息和人員信息的讀取，并能及時與管理平臺進行數據交互，實現設備借用流程的規范化與無紙化管理，很好地解決了人工管理的不足；由于電子設備存放情況較復雜，對于一些強電磁干擾設備表面的電子標簽不能很好地進行讀取，這是下一步需要改善的地方。