基于低功耗RFID電子標簽技術的重要物品管理系統設計

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

在各類軍警部門、科研院所及企事業單位日常工作中，經常面臨著對重要儀器儀表、物資裝備及涉密資產等重要物品的管理[1]。這類物品由于本身承載著重要信息，在實際管理過程中因為其使用場所較分散、工作區域內及區域外流轉率高等特點，使其集中管控實現困難[2]。依靠記賬、人工流程派單等傳統管理方式導致管理滯后、監管程度低以及重要物品丟失等安全隱患依然存在。

隨著移動互聯網及信息傳感技術的不斷發展、迭代，利用信息傳感設備和互聯網通過某種協議將任一物品連接起來，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理方式的“物聯網”模式[3]已被廣泛應用到物流跟蹤、物資管理、智慧農業、食品追溯等眾多領域，在提高面向大量目標集群、分布式管理效率方面發揮了顯著作用[4]。

基于物聯網技術的物品管理已在智能制造、智能倉儲及智慧物流等典型物聯網應用領域逐步實現[5]，其中多基于有源、無源RFID標簽技術[6]、NFC技術以及條碼標簽技術[7]實現對物品的識別及管控。本文根據重要物品的實際特點，設計了基于低功耗RFID電子標簽的重要物品管理系統。該系統采用可復用、多種識別方式的標簽技術對重要物品從產生到流轉各環節進行有效實時管控。

1 低功耗RFID電子標簽設計

1.1 RFID系統組成

RFID（射頻識別）系統主要由電子標簽、閱讀器和數據管理系統組成[8]。RFID系統組成框圖如圖1所示。

圖1 RFID系統組成框圖

（1）電子標簽

電子標簽內含有唯一識別碼，用來標示其所附著的對象。當電子標簽接收到閱讀器的發射信號時，電子標簽被“喚醒”，同時根據射頻指令完成相應的動作，并將響應信息反饋給閱讀器。

（2）閱讀器

閱讀器將“喚醒”信號和指令信號射頻傳遞給電子標簽，從接收到的電子標簽所反饋信息中對信號進行解碼、初步過濾、去冗余等處理，完成對電子標簽信息的獲取和解析，將有用的數據通過網絡和數據管理系統交互。

（3）數據管理系統

數據管理系統主要完成數據信息的存儲及管理。在RFID系統中，根據電子標簽獲得能量的方式，系統主要分為有源RFID系統和無源RFID系統[9]。本文所設計的RFID系統為有源RFID系統，系統中所使用的標簽為有源RFID標簽。

1.2 低功耗RFID電子標簽

本文所設計的RFID電子標簽為有源電子條碼標簽，集成了2.45 GHz頻段、HF頻段、二維碼等識別模式通信接口，通過2.45 GHz RFID讀寫器、HF RFID讀寫器、NFC讀寫器和掃碼槍等多種識別終端可對其進行操作。低功耗RFID電子標簽結構原理框圖如圖2所示。

低功耗RFID電子標簽由電源模塊、條碼顯示電子紙模塊、CC2500射頻收發模塊、開關模塊、NFC近場通信模塊、STM32主控制器模塊及天線模塊構成。用戶通過NFC終端、標簽中的NFC近場通信模塊及NFC天線模塊實現對物品標簽中的電子紙顯示條碼信息的控制，通過STM32主控模塊對開關模塊的設置實現CC2500射頻收發模塊的激活、休眠及關閉模式間的切換，實現合理降耗。

圖2 低功耗RFID電子標簽結構原理框圖

2 重要物品管理系統的設計與實現

2.1 系統組成

本文所設計的重要物品管理系統主要包括低功耗RFID電子標簽、數據采集模塊、傳輸模塊、系統控制模塊、數據存儲模塊和報警模塊。基于低功耗RFID電子標簽技術的重要物品管理系統框圖如圖3所示。

圖3 基于低功耗RFID電子標簽技術的重要物品管理系統框圖

系統中數據采集模塊為標簽信號采集端，包括本地標簽信號集群采集端、本地近場標簽信號采集端和外場標簽信號采集端，由不同頻段的RFID閱讀器、二維碼掃碼器、移動掃碼終端及移動NFC終端構成。每一件受管控的重要物品表面均固定一枚低功耗RFID電子標簽，通過NFC數據采集端或者二維碼數據采集端進行本地近場信號采集實現物品的入庫、出庫管理，將物品放入管控區域中，通過固定2.45 GHz RFID數據采集端，用戶能夠在系統控制模塊中實時讀取到有限空間內所有物品的標簽信息，系統控制模塊通過對比數據存儲模塊中歷史物品標簽信息與實時空間內的標簽信息對當前物品狀態進行判斷，狀態異常時將啟動報警裝置。當工作人員攜帶重要物品外出時，通過移動掃碼或移動NFC數據采集端實時上報重要物品信息，當在外場產生重要物品時，工作人員通過移動數據采集端即時為需要管控的物品建立入庫臺賬，管理人員在系統控制模塊中對外場重要物品進行遠程管控。系統中的信號交互都通過傳輸模塊，根據本地傳輸以及遠端傳輸實際要求來完成。傳輸方式主要包括有線網、無線局域網及移動通信網絡。

2.2 系統網絡架構

重要物品管理系統實際應用中的典型網絡拓撲結構[10]如圖4所示。它主要由管理應用單元、數據交互單元、服務器單元、應用單元、重要物品管理單元、邊界控制單元和區域定位單元組成。

圖4 重要物品管理系統實際應用中的典型網絡拓撲結構

（1）管理應用單元。該單元中用戶使用系統控制模塊對重要物品進行入庫、出庫等操作，并能夠實現重要物品狀態的實時查詢以及管理平臺系統的基本設置。

（2）數據交互單元。該單元實現各單元間的數據交互。

（3）服務器單元。該單元實現重要物品數據的存儲、維護及業務功能。

（4）應用單元。該單元由數據采集終端、低功耗RFID標簽、接口轉換設備以及報警器等硬件元素組成。根據平臺實現的不同功能，應用單元主要分為三部分：重要物品管理單元、邊界控制單元以及區域定位單元。

（5）重要物品管理單元。該單元實現重要物品標簽的入庫以及重要物品狀態信息的實時讀取等功能。

（6）邊界控制單元。該單元對越界重要物品進行實時數據捕獲，對未授權越界重要物品進行告警。

（7）區域定位單元。該單元實時采集流動重要物品的位置信息并上傳服務器，結合數據庫以及RFID定位算法對流動重要物品進行有效區域控制并定位。

2.3 系統軟件設計

重要物品管理系統軟件功能設計部分主要包括物品庫管理、系統管理、安全管理以及接口管理四部分。物品管理系統軟件功能如圖5所示。

圖5 物品管理系統軟件功能

3 重要物品管理系統應用過程分析

基于低功耗RFID電子標簽技術的物品管理系統應用示意如圖6所示。

物品管理系統典型工作過程如下。

（1）為新產生的重要物品固定一個低功耗RFID電子標簽，電子標簽上顯示的條形碼及對應的標簽編碼內容由系統控制模塊通過NFC讀寫器、掃碼器等傳入標簽內，由電子標簽顯示出來。

圖6 基于低功耗RFID電子標簽技術的物品管理系統應用示意

（2）通過掃碼槍或NFC閱讀器識別該重要物品標簽，在系統控制模塊中輸入相應的重要物品信息，為重要物品建立入庫臺賬，信息確認無誤后，系統控制模塊將相應的重要物品信息存儲到本地數據存儲模塊，以及外場數據存儲模塊中，打開標簽中2.45 GHz射頻信號開關，設置為頻率喚醒模式（WOR），設置標簽偵聽模式及休眠模式的周期，標簽將根據WOR模式下設置的休眠模式與偵聽模式相互轉換的時間進行不同模式的周期性轉換。

（3）將重要物品放入管控區域內，標簽處于偵聽模式時得到管理系統分配的信道信息，將轉換為2.45 GHz信號發送、接收工作模式，將相關物品信息以及標簽信息通過2.45 GHz頻段射頻信號發出，管理系統中會識別到區域內受管控物品數量變化，并將區域內最新的物品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某重要物品時，工作人員從管控區域中取出目標物品，通過手持NFC終端或掃碼終端，關掉目標物品中2.45 GHz射頻信號開關，系統控制模塊將識別出區域內物品的變化情況，此時告警系統啟動。

（5）工作人員通過系統控制模塊、手持NFC終端或掃碼終端，對該物品進行出庫登記，告警系統關閉，目標物品被帶出，本地以及外場數據存儲模塊將對重要物品狀態信息進行更新。

（6）在攜帶目標物品外出過程中，工作人員通過手機掃碼或NFC手機實時更新物品的狀態信息，管理人員能夠在系統控制模塊中查詢到外出物品狀態。

（7）當外場產生重要物品時，工作人員為新產生的重要物品固定外出時攜帶的備用低功耗RFID電子標簽，通過掃碼/NFC手機上傳該物品信息至數據存儲模塊對目標物品建賬，管理人員可通過系統實時跟蹤新產生的重要物品狀態。

（8）當一個低功耗RFID電子標簽需要為一個新的物品進行標識時，管理人員通過系統控制模塊以及RFID閱讀器對標簽的ID進行更改，并將相應的條碼以及數字顯示到電子紙顯示模塊上，同時通過更改數據存儲模塊中的相關信息對標簽對應的新入賬物品進行系統注冊。打開標簽中2.45 GHz射頻信號開關并設置該頻段內的相關狀態參數，使2.45 GHz射頻信號模式激活，標簽能夠開始使用，達到標簽復用的效果。

4 結 語

本文提出并設計一種基于低功耗RFID電子標簽技術的重要物品管理系統設計方案，對內、外場工作中流轉的重要儀器儀表、物資裝備及涉密資產實現了全過程管控。低功耗RFID電子標簽采用了多種識別模式通信接口，通過電子標簽技術使被附著對象的ID編碼可視化、可變化，滿足條碼標簽的復用需求。重要物品管理系統基于低功耗RFID電子標簽設計，擴大了接入系統的終端種類及數量，既能實現一定區域內重要物品的集群式實時管控，也能夠對重要物品進行遠程移動式管理。