鋼結構構件運輸有源電子標簽設計

摘要：鋼結構倉儲是鋼結構加工后物流中的關鍵環節，冶金施工現場鋼結構運輸大多是依靠汽車運輸。電子標簽的信息采集和通信的可靠性對于鋼結構倉儲物流管理至關重要。文章通過設計基于STM32的有源電子標簽，用于鋼結構倉儲物流，通過433MHz射頻通信與標簽識別器交換信息，提高倉儲管理效率。

關鍵詞：鋼結構倉儲；有源電子標簽；RFID；STM32；433MHz

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0085-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

1 課題來源及意義

鋼結構生產和安裝對于項目進度和順利投產具有至關重要的作用。目前公司承擔的冶金項目中，鋼結構制作、安裝的體量巨大。通過對多個煉鋼、連鑄工程項目的鋼結構安裝總量進行匯總和對比，我們發現，一個煉鋼、連鑄生產線的鋼結構總量在2萬噸左右，其構件數量約為3萬件。如何確保這數萬件構件能夠按照項目安裝進度相互匹配，是一個亟待解決的問題。RFID物流系統可以運用RFID標簽作為鋼結構物流系統的一部分，在鋼結構構件生產過程中嵌入RFID標簽，與物聯網緊密結合的物流系統能夠顯著提升每個環節的效率，使每個環節在高效性、準確性與安全性方面都取得重大進步[1]。

物聯網已經被視為一種必然的發展趨勢，其中，日本、韓國、美國等發達國家在這一領域處于領先地位，其物聯網研究工作走在世界前列[2]。

要實現企業的數字化轉型，物流管理轉型是首要步驟。在物流倉儲數字化建設中，智能化的傳感器技術、窄帶物聯網技術以及當前如火如荼的5G技術都是數字化建設的重要組成部分[3]。

鋼結構倉儲是現場物流中的關鍵環節。在鋼結構倉儲信息化方面，倉儲信息的采集和傳遞是基礎且重要的工作。倉儲信息的攜帶和傳遞由電子標簽完成，電子標簽對信息的采集和信息傳遞功能是否有效、可靠，直接關系到整個鋼結構物流倉儲環節的管理和運營[4]。

2 電子標簽的基本原理

有源電子標簽的結構中，最主要的部分是微控制器和射頻前端，此外還包括一些輔助部分，如天線、存儲器和電源模塊等。微控制器和射頻前端選擇不同的芯片，其功能和作用范圍也將有所不同。有源電子標簽的基本工作過程如下：與電子標簽進行通信的是閱讀器，閱讀器在與有源電子標簽連接后，首先會讀取標簽的信息。在系統正式開始工作后，會首先配置射頻前端的狀態，讓其處于接收狀態，以接收電子標簽的信息。當感應到電子標簽的存在后，再由微控制器決定是否接收數據。在此期間，射頻前端需要等待來自微控制器的命令，若收到命令，則接收來自電子標簽的信息，并同時給微控制器一個應答，以防止重復發送命令導致系統故障。

3 方案設計

3.1 本設計方案概述

射頻識別技術已經是一種相對成熟的非接觸式識別技術，是物聯網的關鍵技術之一。它通過電磁耦合的方式對標簽進行自動識別，識別過程是非接觸的。隨著射頻識別技術的不斷發展和市場的日益擴大，越來越多的制造商正在推出各種功能的識別系統，并逐漸將其擴展到運輸行業領域[5]。

基于電子標簽的基本讀取過程，本設計包含以下幾個方面，如圖1所示。

3.2 硬件設計

硬件部分是整個基于STM32設計的有源電子標簽的基礎，也是最重要的部分之一。本文完成了電源電路設計、STM32最小系統電路設計（包含串行電路設計、復位電路設計、LED指示燈電路設計和晶振電路設計） 、按鍵及蜂鳴器電路設計、通信接口電路設計、下載及調試接口電路設計和天線接口電路設計。

3.2.1 電源電路設計

本設計中的STM32具有多個電源引腳，典型工作電壓為3.3V。由于外置的+5V電源無法直接適配芯片，因此通過一個轉換器將+5V 直流電壓轉換為+3.3V，以提供合適的電源電壓。當電源穩定供電時，電源LED中的藍燈會亮起，以起到提示作用。發光二極管LED1用于指示電源狀態。其他保護元件，如F1 保險管，用于過流保護；電容C1、C3用于防止自激振蕩，抵消電感效應；電容C2、C4用于改善負載的瞬態響應，對高頻噪聲和振蕩有很好的抑制作用，同時防止電壓不穩定時對系統造成損害。

3.2.2 STM32最小系統設計

存儲方式：STM32單片機開發板支持多種存儲方式，本設計中采用串行FLASH芯片作為開發板的存儲方式。開發板集成了一個容量為128Mbit（共16M字節） 的串行FLASH，型號為W25Q128FVSIG，掛載在STM32的PA5、PA6、PA7和PA13接口上。電路設計圖如圖2所示。

復位電路：對于STM32微控制器，當復位引腳處于低電平時，微控制器進入復位狀態。按鍵按下時，微控制器的引腳變為低電平，實現復位功能；不需要復位時，按鍵處于彈開狀態，系統進入正常工作狀態。按鍵按下時可能會產生抖動，導致電壓出現不平滑的毛刺信號，此時需要一個濾波電容來過濾電壓變化，使其趨于平緩。當開關打開，7端口為高電平，復位結束。

LED指示燈電路：當單片機正常工作時，LED指示燈點亮。電容和電阻起到平穩電壓的作用，避免指示燈閃爍導致對系統狀態的錯誤判斷。按下復位鍵時，LED燈的正向端口接地，LED燈熄滅；復位鍵未被按下時，LED燈的正向端口有電源供電，LED燈點亮。

晶振電路：STM32 微控制器需要兩個外部時鐘源，分別為高速外部時鐘源（HSE）和低速外部時鐘源（LSE）。由于外部時鐘更加穩定精確，程序一般默認使用外部時鐘；若無外部時鐘，則采用內部時鐘源。本設計中均選取外部時鐘源。高速外部時鐘源通過產生精確的主時鐘來驅動外部設備；低速外部時鐘源為片內時鐘提供時鐘源，要求功耗低且精確度高。選擇接入電容以及1K歐姆的電阻，確保晶振能夠正常起振并維持時鐘穩定。本設計中選用20pF 電容作為HSE的負載電容，10pF電容作為LSE的負載電容。

3.2.3 按鍵及蜂鳴器電路設計

由于蜂鳴器的工作電流較大，STM32無法直接提供如此大的電流，因此使用三極管進行驅動。電阻R10主要用于防止蜂鳴器誤發聲。由于三極管的特性，其基極必須串接電阻，否則容易造成電路故障，并可能影響STM32微控制器的IO口。發射極也需要串接電阻，用于在高阻態輸入時保護電路，使其可靠截止。在GPIO處同樣適用，此處不再贅述。

3.2.4 通信接口電路設計

C1101是本設計選用的通信接口電路的芯片，它可以處理數據包、緩沖數據，快速處置數據傳輸并且對電磁波方面的激發也可以進行處理，它是一個高集成、多功能、低功耗的射頻芯片。通信接口電路如圖3 所示。

3.2.5 下載及調試通信接口電路設計

BOOT0和BOOT1是STM32微控制器最基本的引腳，這兩個引腳會產生三種電平狀態，用以控制微控制器在復位后的程序執行區域和工作模式。通常情況下，BOOT0和BOOT1引腳接地，無須特殊設置。

下載及調試通信接口電路由BOOT電路和SWD 電路組成，是STM32用于數據輸入、程序下載及運行的電路設計。

3.2.6 晶振電路與天線接口電路設計

由于調制好的信號不能直接被接收，其中的高次諧波會影響信息內容，而射頻電路正是為此而存在，它對信號進行轉換并消除毛刺，使信息傳輸更加準確。而傳輸好的信息，則需要天線將其轉化為電磁波進行傳遞。因此，本模塊非常重要，無線模塊的好壞直接關系到數據及通信的穩定性，是整個設計的關鍵部分。

如圖4所示，在CC1101的各項外圍元件中，C1是數字部分片內電壓調節器的退耦電容，C2、C3是晶體負載電容，C4、C5充當射頻平衡轉換器，射頻平衡轉換器的DC模塊電容由C8擔任，L1、L2、L3也屬于射頻平衡轉換器的一部分。射頻LC濾波模塊電容（直流） 由C9擔任。C6、C7也是匹配電容，用于射頻濾波，同功能的還有L4、L5、L6。電阻R是內部偏電流參考電阻，整個電路的晶振采用外接帶兩個電容負載的晶體振蕩器。

經過阻抗匹配后的射頻電路再加上天線，CC1101 與天線之間的電路完成，如圖5所示，其中也需要平衡轉換器的參與。平衡轉換器也被稱為BALUN電路，C17、L4、C19和L5形成一個平衡轉換器，平衡轉換器電路的作用是轉換端口信號的形式。L5、L7、C21構成一個T型濾波器電路，電容C20、C21、C22起濾波作用。整個電路的晶振采用外接帶兩個電容負載的26MHz晶體振蕩器。

選擇天線需要根據電路的要求進行。對于有源電子標簽的設計而言，在一個功率不大、距離較遠的射頻識別系統中，需要信息接收可靠、不易受惡劣環境影響、成本低廉的天線。在此電路中，直接選用50Ω的天線。

4 結束語

物聯網技術在鋼結構倉儲中的應用是冶金施工領域的熱點。它將RFID技術與無線傳輸和信息安全等技術相結合，構成一個鋼結構倉儲物流的運輸、信號識別的信息管理系統，為鋼結構施工管理以及鋼結構倉儲中的存儲、運輸等數據的更新與變化提供更高效的管理[6]。本文研究的有源電子標簽相對于無源電子標簽具有更明顯的優勢。有源電子標簽的傳輸距離更遠，能更多地應用于鋼結構構件運輸；讀取速度更快，能提高鋼結構施工中的工作效率；并且更能適應惡劣環境，促進其他施工專業大體量設備的應用[7]。

參考文獻：

[1] 林君暖.基于物聯網環境的智能物流系統設計研究[J].企業科技與發展，2016（2）：38-40.

[2] 董紅星，李夢.鐵路貨運倉儲物流發展現狀及發展方向研究[J].中國管理信息化，2016，19（12）：117.

[3] 陳海明，崔莉.面向服務的物聯網軟件體系結構設計與模型檢測[J].計算機學報，2016，39（5）：853-871.

[4] 潘晶鵬，鐘敏，趙光.基于有源RFID技術的北京大興機場資產設備點檢系統[J].自動化應用，2019（1）：74-75.

[5] 陳黎明，王蓉，李恒.倉庫管理的信息化技術應用趨勢[J].海峽科技與產業，2018，31（6）：110-112.

[6] 張成海.完善機制 共享數據 統一追溯編碼標準：追溯的歷史、現狀、趨勢與對策[J].中國自動識別技術，2018（1）：31-39.

[7] 王瑞卿，洪良，王曉華.基于RFID和ZigBee技術的服裝吊掛系統生產線設計[J].紡織高校基礎科學學報，2017，30（4）：490-495，502.

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