基于雙頻RFID技術的載體管理系統設計

孫 宇，羅 丹

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

在各類科研院所、政府機關和軍警部門日常工作中，存在大量重要載體[1]在單位內部場所、外場工作環境流轉的情況，對載體進行精準管控十分必要。傳統載體管理主要通過手工記錄、人工計算等方式進行，存在信息化程度低、信息更新不及時、差錯風險等問題，管理者難以及時、準確地了解載體流轉情況，造成信息安全隱患和人力資源的浪費。

RFID（射頻識別）技術是一種非接觸式自動識別技術，可以通過無線電波識別、處理包含在一個或多個移動設備中的信息[2]。近些年，該技術已被廣泛應用于零售、制造、醫療、物流倉儲等領域，在提高物品管理效率方面發揮出顯著的效果[3]。

目前，應用RFID技術實現物品或載體管控的系統多采用單一頻段標簽[4-5]，不能滿足載體在內、外場流轉過程的全生命周期管理需求。針對載體數量多、檢查難、使用環境復雜、易丟失等情況，本文設計了一種基于雙頻RFID技術的載體管理系統，該系統結合了UHF RFID、HF RFID的技術特點，解決了單一頻段標簽在載體管理中的局限性，實現了載體從產生、交接到銷毀的全過程管控。

1 載體管理系統組成及工作原理

載體管理系統主要包括雙頻RFID標簽、數據采集模塊、系統控制模塊、數據存儲模塊、報警模塊以及傳輸模塊。基于雙頻RFID技術的智能載體管理系統組成如圖1所示。

1.1 雙頻RFID標簽

RFID標簽由標簽芯片及天線組成，標簽芯片擁有唯一的電子編碼，可以標識相應物體，完成識別。RFID標簽的功能模塊構成如圖2所示，其主要由射頻模擬前端、數字控制器、存儲器等組成[6]。

（1）射頻模擬前端主要包括對信號的調制和解調，對數字部分提供時鐘以及對標簽芯片提供電源管理；

（2）數字控制器主要完成防沖突控制、安全認證、CRC校驗、收發以及接口控制；

（3）存儲器用于存儲用戶數據、廠商信息和UID等信息。

圖1 基于雙頻RFID技術的智能載體管理系統組成

圖2 RFID標簽的功能模塊構成

本系統所采用的標簽為HF/UHF頻段無源雙頻RFID標簽，如圖3所示。標簽由EM4423芯片HF標簽天線以及UHF標簽天線構成，可以實現批量標簽遠距離的讀取以及近距離單一標簽的數據交換。

1.2 數據采集模塊

數據采集需借助系統中的RFID標簽信號采集端，其由不同頻段的RFID讀寫器構成。

圖3 HF/UHF雙頻RFID標簽構成示意圖

RFID讀寫器用于讀寫應答信息，是RFID系統的信息處理設備，主要利用射頻信號以空間耦合的方式進行非接觸式信息傳遞[7]。頻率較低、識別距離較近的RFID系統讀寫器的耦合方式為基于變壓器模型的電感耦合（應用于本系統HF頻段）；頻率較高、識別距離較遠的RFID系統讀寫器的耦合方式為基于雷達原理的電磁反向散射耦合（應用于本系統UHF頻段）。RFID讀寫器組成如圖4所示[8]。

圖4 RFID讀寫器組成

本系統根據不同應用場景將數據采集塊分為本地載體RFID數據采集模塊以及外場載體RFID數據采集模塊。本地載體RFID標簽數據采集模塊主要包括UHF RFID讀寫器、HF/NFC讀寫器，分別實現本地載體的群識別以及單一載體信息交互功能；外場載體RFID數據采集模塊主要包括HF/NFC終端（NFC手機），可實現外場載體RFID數據交互功能。

1.3 傳輸模塊和數據存儲模塊

傳輸模塊為系統提供數據信息傳輸和控制信息傳輸功能，數據存儲模塊用于存儲系統內部所有的業務數據。

對于本地載體RFID標簽信息的傳輸主要采用有線局域網、無線透傳模塊等，信息的存儲主要采用本地數據存儲單元；對于外場載體RFID標簽信息的傳輸主要采用WiFi模塊，或4G、5G移動通信網絡模塊等；信息的存儲主要采用云端數據存儲單元，可實現載體信息的遠程操作。

1.4 系統控制模塊以及報警模塊

系統控制模塊具有載體管理控制以及數據信息處理功能，主要完成載體RFID編碼管理、系統報警、數據信息以及控制信號處理等。報警模塊為系統提供載體狀態異常報警功能，執行系統控制模塊發送的報警指令。

2 系統軟件設計

載體管理系統軟件平臺包括三種使用權限，分別為一般職員、保密員以及管理員，平臺根據數據處理狀態采用三層結構，如圖5所示。

（1）感知層：使用雙頻RFID無源標簽對每個需要管理的載體進行標識以及后臺數據庫設置，通過跟蹤點讀寫器、盤檢、入庫讀寫器從標簽獲取相關載體信息，或者將信息寫入載體標簽。

（2）網絡層：可以根據實際使用需求選擇無線局域網、無線廣域網等進行傳輸覆蓋，負責RFID讀寫器與載體管理平臺之間的雙向數據傳輸。

（3）應用層：該層由共享數據庫、共享信息存儲、系統功能及用戶API組成，提供載體管理、標簽管理、盤檢管理、統計分析等多項業務功能，該層基于多個權限的用戶模型設計，可為多個部門同時提供智能載體管理服務。

圖5 系統軟件架構

系統軟件部分主要包括數據庫系統、載體管理平臺、載體監控平臺、數據處理中間件等。載體監控平臺完成對目標載體標簽數據的實時獲取，并對數據庫進行實時更新。載體管理平臺將根據不同的應用，對數據庫中的信息進行相應算法處理，實現對應功能。數據處理中間件軟件系統完成對大量標簽數據的冗余算法處理，確保標簽信息的準確率以及批量讀取標簽信息的讀取速率。

3 系統典型應用分析

基于雙頻RFID技術的載體管理系統應用示意如圖6所示。

圖6 系統應用示意圖

系統典型工作過程如下：

（1）為新制作的重要載體粘貼雙頻RFID標簽；

（2）通過NFC讀寫器識別該載體標簽，在系統控制模塊中輸入相應載體信息，為載體建立入庫臺帳，信息確認無誤后，系統控制模塊將相應的載體信息存儲到本地數據存儲模塊以及外場數據存儲模塊中；

（3）將載體放入載體柜中，此時管理系統會識別柜內載體數量的變化，并將最新柜內載體信息保存到本地數據存儲模塊中以及外場數據存儲模塊中；

（4）當有外場任務需要攜帶該載體外出時，工作人員從載體柜中取出載體，關上載體柜后，系統控制模塊識別出柜內載體減少一份，此時告警系統啟動；

（5）工作人員通過系統控制模塊調用NFC讀寫器，對該載體進行出庫登記，告警系統關閉，載體被帶出，本地數據存儲模塊以及外場數據存儲模塊將對載體狀態信息進行更新；

（6）在攜帶載體外出過程中，工作人員通過NFC手機以及外場傳輸模塊實時更新載體的狀態信息，管理人員能夠在系統控制模塊中查詢到外出載體狀態。

4 結 語

本文提出了一種基于雙頻RFID技術的載體管理系統設計方案，實現從產生、交接到銷毀的全過程管控。在受控載體表面粘貼雙頻RFID標簽，通過NFC讀寫器實現載體的入庫、出庫管理。將載體存儲在安裝有UHF RFID讀寫器的載體柜時，用戶能夠在系統控制模塊中實時獲取柜內所有載體信息；系統控制模塊通過對比數據存儲模塊中的歷史載體信息和柜內實時載體信息，完成載體狀態判斷，狀態異常時報警。攜帶載體外出時，可以通過NFC手機實時上報載體信息；在外場制作涉密載體，可以通過NFC手機端即時為載體建立臺帳，管理人員能夠在系統控制模塊中完成對外出載體的遠程有效管控。