基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統(tǒng)

盧依思，盤茂杰，鄭思晴，梁煥詩，魏縱橫

（廣東技術(shù)師范大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，廣州 510665）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，日常生活中需要使用的物品種類日益繁多，人們時常會遺忘或無法尋得自己所需物品。除此之外，一個人的生活態(tài)度也可從他所處環(huán)境的整潔程度反映出來。如何做好物品的存儲和管理工作，不僅是一個簡單的收納問題，更是一項人生的重要課題，收納對于提高人們生活便利是一件利大于弊的事情。因為物品都是有價值且被需要的，有必要將它們分類整理，并放置在合適的位置上。但是，傳統(tǒng)的物品收納只是依靠紙筆和便簽紙進行手工記錄，工作效率較低，而且容易出錯。在此背景下，如何利用智能設(shè)備進行物品收納管理成為人們關(guān)注的一個重要問題。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，智能設(shè)備可以為物品添加相關(guān)信息屬性，在提供查找物品便利的同時，讓用戶能及時了解某些物品的重要信息，例如：家居智能設(shè)備的運行情況，藥品或者食品是否過期，等等。為了實現(xiàn)以上的物品收納管理功能，本文通過調(diào)研獲得物品收納管理系統(tǒng)的相關(guān)需求，并開發(fā)出了基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 物品收納管理系統(tǒng)

目前市面上的物品收納管理系統(tǒng)，主要是針對貴重的、易丟失的物品，而這種系統(tǒng)大部分是面向需要管理物品較多的企業(yè)、行政機關(guān)單位或者是藏書較多的圖書館，只有極少部分是針對家庭收納管理的，而且成本較高，靈活性不足。

其中，魯金屏等設(shè)計的資產(chǎn)管理系統(tǒng)是用于事業(yè)單位的系統(tǒng)，支持手持閱讀器手動盤點、自動盤點設(shè)備遠程盤點這兩種資產(chǎn)盤點方式。唐贊淞等提出一種家庭物品智能管理系統(tǒng)方案，主要通過手機APP和RFID技術(shù)結(jié)合的模式，實現(xiàn)物品位置檢測及物品有效期提醒等功能。

1.2 4G

4G技術(shù)，即第四代無線通信技術(shù)，它擁有比3G更快的數(shù)據(jù)傳輸速度,以滿足傳輸多樣信息的需求，為人們的日常生活帶來極大的便利。

從2009年4G面世以來，信息技術(shù)行業(yè)在4G技術(shù)的推動下發(fā)生了翻天覆地的改變。高效的GPS，手機游戲的社交，汽車的智能化，電子媒體，短視頻，云計算和云存儲等技術(shù)在我國都得到了發(fā)展，這些技術(shù)被廣泛應(yīng)用在人們生活的方方面面，是一種成熟的遠距離無線通信技術(shù)。

1.3 RFID

RFID技術(shù)使用電子標簽來標志某個物品，再通過讀寫器對標簽上數(shù)據(jù)進行收集和處理。作為非接觸性自動識別技術(shù)，射頻識別（RFID）已在國內(nèi)外迅速發(fā)展。通過射頻信號可以捕獲靜態(tài)或者快速移動的物體相關(guān)信息，用來加以識別。與條形碼識別和直接標記技術(shù)相比，RFID技術(shù)有更長的讀取距離，更大的信息儲存容量，更高的防污染性能和可讀可寫的讀寫性能，并且能夠重復(fù)使用，在一個讀取過程中，可以同時閱讀多個電子標簽。目前，RFID技術(shù)在國內(nèi)外的物品管理中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在圖書管理和物流倉儲管理上。

2 需求分析

基于上述問題，本文從硬件和軟件兩方面對物品收納管理系統(tǒng)進行了詳細分析和設(shè)計，利用RFID技術(shù)，采用無線電信號識別的方式，無接觸式地讀取特定目標對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。在不影響管理效率的同時，最大程度地降低物品管理難度。

為應(yīng)對不同的應(yīng)用場景，我們將系統(tǒng)分為兩大功能模塊：單物品操作功能、多物品操作功能。

在物品管理過程中，系統(tǒng)會對單個物品進行操作，面對日常的添加、借出、歸還、盤點，本系統(tǒng)有：添加物品（入庫）、拿出物品、放入物品、查詢物品等功能，實現(xiàn)對單個物品的日常操作；面對多物品操作，本系統(tǒng)有：多物品識別、拿出物品、放入物品、盤點物品等功能。多物品操作可實現(xiàn)批量操作，在一定程度上提高了物品的識別效率和準確率。同時，當我們需要對所有物品進行日常盤點時，多物品操作功能的多物品識別可以識別出周邊粘貼RFID標簽的物品，在顯示屏顯示所識別出的若干物品，倉庫盤點人員只需點擊該功能幾次，進行對比即可，大大提高盤點效率。

同時，為應(yīng)對無區(qū)域網(wǎng)覆蓋的情況，我們在該系統(tǒng)加入了4G通信模塊，保證網(wǎng)絡(luò)的供給。用戶可根據(jù)需求，選擇加入或不加4G通信模塊。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。

圖1 按層次劃分的系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層由RFID電子標簽、RFID閱讀器芯片以及主控板樹莓派組成，用于識別物品并采集相關(guān)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層使用4G模塊將感知層采集數(shù)據(jù)上傳至云端；應(yīng)用層則提供了一套樹莓派上位機系統(tǒng)和一套Web應(yīng)用程序，用戶使用相應(yīng)系統(tǒng)即可實現(xiàn)對物品的各種操作。

3.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

本系統(tǒng)共提供了兩套應(yīng)用軟件，系統(tǒng)整體的功能劃分如圖2所示，分為登錄注冊模塊、物品管理模塊、借還記錄模塊和盤點統(tǒng)計模塊，其中Web端實現(xiàn)了登錄注冊模塊、物品管理模塊的借出物品、歸還物品、借還記錄和盤點統(tǒng)計等功能；上位機軟件則實現(xiàn)了物品管理的所有功能以及借還記錄和盤點統(tǒng)計等功能。

圖2 系統(tǒng)功能劃分圖

4 硬件設(shè)計

4.1 硬件選型

此系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備主要有：樹莓派、RFID模塊、4G模塊。下面將詳細介紹各硬件特點及選擇原因。

樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，以MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，擁有多個USB接口和I/O口，具有所有PC的基本功能，可以安裝系統(tǒng)，做服務(wù)器等，價格卻比計算機便宜許多，體積又小。因此，本系統(tǒng)選用了型號為PI4B-2GB的樹莓派。

RFID模塊包括了閱讀器芯片、天線和電子標簽。RFID具有電子標簽存儲信息量大、信息可修改、安全性高、無線傳播，以及信息傳輸范圍廣等優(yōu)點。閱讀器芯片可以通過天線實現(xiàn)與電子標簽的無線通信，實現(xiàn)對標簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出和寫入操作。

4G模塊是基于4G網(wǎng)絡(luò)來進行通信的，是指支持TD-LTE和FDD-LTE等LTE網(wǎng)絡(luò)制式的統(tǒng)稱，具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點。本系統(tǒng)采用的4G模塊為SIM7600CE 4G HAT。

4.2 硬件模塊搭建

樹莓派主板擁有多個USB接口和I/O口，因此本系統(tǒng)硬件層搭建只需將4G模塊通過樹莓派USB口相連，RFID閱讀器通過GPIO引腳口與樹莓派相連，硬件層具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件架構(gòu)圖

5 軟件設(shè)計

5.1 軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于RFID和樹莓派的物品管理系統(tǒng)在軟件方面主要由三部分組成：第一部分為樹莓派終端的以Python為腳本的物品管理程序，是本系統(tǒng)的核心軟件；第二部分為B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序，提供給用戶更加便利的物品管理頁面，輔助樹莓派終端軟件，提升用戶體驗感；第三部分為組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的云數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

云數(shù)據(jù)庫具有低成本、高可靠和輕松部署等優(yōu)點，在本套系統(tǒng)中起到了軟件中間件的作用。云數(shù)據(jù)庫是一個非常可靠又重要的中間件，它不僅能對樹莓派上傳的數(shù)據(jù)進行加工處理和保存，還可以與樹莓派終端軟件、Web端軟件實時連接，進行數(shù)據(jù)交互。通過使用云數(shù)據(jù)庫，兩套軟件系統(tǒng)之間形成了一條高效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路。

樹莓派終端和Web網(wǎng)頁通過共同連接到云數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)物品數(shù)據(jù)共享，從而相輔相成地實現(xiàn)有序、合理的物品管理，實現(xiàn)物品管理的數(shù)據(jù)化、可視化。

5.2 樹莓派終端軟件設(shè)計

樹莓派終端軟件采用Qt設(shè)計UI界面，基于RFID模塊、4G模塊和樹莓派等硬件基礎(chǔ)，使用Python語言進行開發(fā)，通過感知層采集數(shù)據(jù)，并實時與云端進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)物品管理各項功能。

5.3 B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序設(shè)計

Web采用 了Spring+SpringMVC+Mybaits的 框架加上Maven管理項目結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)前后端分離，并實時獲取云端數(shù)據(jù)，對云端數(shù)據(jù)進行查看修改，實現(xiàn)對物品管理數(shù)據(jù)的可視化。

5.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)采用MySQL語言進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的需求分析與總體設(shè)計，為實現(xiàn)物品的各項管理操作，共設(shè)計有用于存儲物品信息的data表、用于存儲借出記錄的table_out_storage表、用于存儲歸還記錄的table_in_storage表共三張數(shù)據(jù)表。各表詳細結(jié)構(gòu)如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 data表

圖6 table_out_storage表

圖7 table_in_storage表

6 系統(tǒng)實現(xiàn)

6.1 硬件功能實現(xiàn)

通過RFID模塊實現(xiàn)的功能主要是識別RFID標簽的EPC以及個數(shù)。利用射頻信號和空間耦合，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID模塊通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對標簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌．斠慌_粘貼RFID標簽的物品進入某一特定區(qū)域，可立即被RFID模塊自動識別，同時串口將對應(yīng)讀卡器號碼以及相應(yīng)標簽信息內(nèi)碼實時傳遞發(fā)送至樹莓派，從而展開批量入庫、出庫、清點等工作。RFID模塊識別到的標簽效果如圖8所示。

圖8 RFID模塊識別標簽效果圖

通過4G模塊實現(xiàn)的功能主要是提供網(wǎng)絡(luò)給樹莓派，輔助信息的上傳，應(yīng)對周圍無區(qū)域網(wǎng)覆蓋的情況，在一定程度上降低了該系統(tǒng)的使用限制。

關(guān)于樹莓派使用串口發(fā)送命令，控制4G模塊的核心代碼如下所示：

4G模塊實現(xiàn)流程圖如圖9所示。

圖9 4G模塊實現(xiàn)流程圖

6.2 軟件實現(xiàn)

樹莓派終端軟件系統(tǒng)中，使用RFID閱讀器作為傳感器采集數(shù)據(jù)，通過樹莓派結(jié)合4G模塊上傳至云端并進行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)入庫、借還、識別、盤點等物品管理操作。樹莓派終端軟件擁有Web軟件所沒有的RFID模塊，因此終端軟件擁有特有的入庫和RFID識別功能。當使用入庫、RFID識別或借還功能時，樹莓派將通過串口向RFID模塊發(fā)送讀取等命令，而RFID閱讀器則將接收的標簽信息返回給程序，程序?qū)Σ杉畔⑦M行處理和再加工后，與云數(shù)據(jù)庫進行交互，從而實現(xiàn)各個功能。樹莓派終端的軟件流程見圖10。

圖10 樹莓派終端的軟件流程圖

樹莓派終端軟件主界面如圖11所示，主界面包含了各個功能按鈕，供用戶進行相應(yīng)的物品管理操作。

圖11 主界面（菜單）

若用戶點擊“添加物品”按鈕，則系統(tǒng)識別一定范圍內(nèi)的標簽，并生成如圖12所示的入庫表單，用戶補充物品信息即可完成物品入庫。物品借出、物品歸還與入庫功能的實現(xiàn)基本一致。

圖12 入庫表單

若用戶點擊“多物品識別”按鈕，則系統(tǒng)識別一定范圍內(nèi)的標簽，并將各標簽及其對應(yīng)物品信息生成如圖13所示的資產(chǎn)情況表格。若用戶點擊“盤點物品”按鈕，則系統(tǒng)將顯示如圖14所示的現(xiàn)有物品情況表格，該盤點界面還提供數(shù)據(jù)圖表化的按鈕，供用戶直觀地查看各類物品數(shù)據(jù)。

圖13 RFID識別功能示意圖

圖14 盤點功能示意圖

由于B/S架構(gòu)具有無需安裝，只要有能上網(wǎng)電腦、手機就可使用的特點，本系統(tǒng)也設(shè)計了B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序提供了物品管理功能、借還記錄的查詢功能和物品數(shù)據(jù)圖表化功能等。Web端根據(jù)需求劃分的功能框架圖如圖15所示。

圖15 Web端軟件整體架構(gòu)圖

Web端軟件意在為用戶提供一條更方便的管理物品的渠道，輔助樹莓派終端軟件的使用。當用戶只需查看物品、修改物品或刪除物品等非RFID識別相關(guān)功能時，可直接使用本應(yīng)用程序，從而達到簡單快捷的管理效果。

Web端的主要頁面如圖16至圖18所示。

圖16 登錄頁面

圖17 首頁（物品管理頁面）

圖18 物品數(shù)據(jù)圖表化

7 結(jié)語

本系統(tǒng)充分利用了RFID標簽成本低、壽命長和數(shù)據(jù)存儲量大等特點，解決了當前市面使用較多的條形碼存在的問題。本研究為用戶提供了兩套應(yīng)用軟件，用戶可以通過樹莓派終端、PC端和手機端等設(shè)備對物品進行有序、高效的管理。

經(jīng)過實踐，本系統(tǒng)對用戶的物品收納管理起到了一定的作用，能夠做到對物品數(shù)據(jù)的有效監(jiān)控，大大提高了物品管理的效率，并解決了用戶對物品的閑置、遺忘問題，減少物品浪費，減輕用戶壓力。