何國斌，王保民，井發(fā)啟（.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原03005；.青海省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)中心，青海西寧80008）

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隨身物品防丟失提醒裝置設(shè)計(jì)

何國斌1，王保民1，井發(fā)啟2
（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051；2.青海省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)中心，青海西寧810008）

摘要：以保護(hù)和管理個(gè)人隨身攜帶的貴重物品為目的設(shè)計(jì)了一款便攜式的物品防丟失裝置。該裝置分為主機(jī)和子機(jī)兩部分，主機(jī)由物主佩戴，子機(jī)則裝在被管理的物品上，通過使用RFID系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)該裝置的監(jiān)管功能，選擇2.45G便攜式手持機(jī)以及相應(yīng)的有源電子標(biāo)簽，一旦物品離開物主超過一定距離，主機(jī)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，從而避免物品丟失，其監(jiān)管距離在50m內(nèi)，使用者可自行調(diào)控。該裝置體積小，便于攜帶，大大提高了被監(jiān)管物品的安全性。

關(guān)鍵詞：RFID；便攜式手持機(jī)；有源電子標(biāo)簽；定制型應(yīng)用軟件；多方管理

近年來，伴隨著人均收入水平的不斷提高，市場商品日益多元化、智慧化，個(gè)人擁有的物品、特別是便攜式物品越來越多，其中有許多貴重的高科技物品，例如筆記本電腦、個(gè)人PDA設(shè)備、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電子詞典、便攜式數(shù)字影音播放器、錢包、各種信用卡等，一旦發(fā)生丟失或被盜而致其中的個(gè)人隱私被不良分子利用，持有人就會(huì)因?yàn)殡[私泄露而帶來各種不良后果?；谶@些因素，隨身物品防丟失提醒裝置便應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)采用當(dāng)前熱門的無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID），將形狀多變、功耗小、成本低且尺寸較小的電子標(biāo)簽作為隨身物品防丟失裝置的跟蹤定位器，對(duì)隨身物品進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以此來盡量減少個(gè)人財(cái)產(chǎn)的損失，最大限度的保證個(gè)人的財(cái)產(chǎn)安全。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案概述

該裝置利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品監(jiān)管和報(bào)警功能。采用2.45G遠(yuǎn)距離讀卡技術(shù)來識(shí)別電子標(biāo)簽，將電子標(biāo)簽與需要監(jiān)管的隨身物品進(jìn)行綁定，再通過手持設(shè)備讀取卡片信息，讀取通信距離在50m內(nèi)是可調(diào)的，裝置設(shè)定距離后，一旦閱讀器讀取不到卡片的信息，軟件將會(huì)發(fā)出警報(bào)指令，驅(qū)動(dòng)警報(bào)裝置震動(dòng)或者鳴響，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的物品監(jiān)管定位功能。

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括主機(jī)和子機(jī)的設(shè)計(jì)。該裝置利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品監(jiān)管和報(bào)警功能，故在硬件設(shè)計(jì)上主要是閱讀器和電子標(biāo)簽的選擇。

2.1主機(jī)的設(shè)計(jì)

RFID閱讀器的硬件設(shè)計(jì)均可以概括為射頻模塊和基帶處理模塊（也稱為控制模塊）兩部分。射頻模塊機(jī)構(gòu)由發(fā)射通道和接收通道兩部分構(gòu)成，主要功能為：產(chǎn)生并發(fā)出高頻電磁波，激活電子標(biāo)簽并為之供能；對(duì)基帶發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到與電子標(biāo)簽通信的要求，接收解調(diào)標(biāo)簽反射回來的射頻信號(hào)[1]。RFID閱讀器基帶部分主要由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)緩存處理兩部分組成，主要功能是與相關(guān)應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，按照應(yīng)用軟件的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)閱讀器與電子標(biāo)簽的身份識(shí)別，與標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信并完成應(yīng)用系統(tǒng)指令要求[2]。在此過程中，控制中心控制和協(xié)調(diào)閱讀器各功能模塊的工作、控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、緩存以及與主機(jī)的通信。

2.1.1閱讀器選擇原則

在RFID系統(tǒng)中，閱讀器的選擇至關(guān)重要，可根據(jù)使用環(huán)境的要求，綜合考慮閱讀器的工作頻率、輸出功率、輸出端口、閱讀器形式匹配天線等技術(shù)參數(shù)。具體選擇原則如下[3]：

（1）工作頻率。閱讀器的工作頻率要和電子標(biāo)簽統(tǒng)一。

（2）輸出功率。閱讀器的輸出功率必須符合使用國家或地區(qū)對(duì)于無線發(fā)射功率的許可標(biāo)準(zhǔn)，以滿足人類健康等需要。

（3）輸出端口。根據(jù)需要可選擇RS232、RS485、RJ45、韋根、無線網(wǎng)絡(luò)等接口類型中的一種或多種。

（4）閱讀器形式?？煽紤]選擇固定式閱讀器還是手持式閱讀器。

（5）匹配天線。閱讀器選定后還需要考慮與之相配的天線的類型和數(shù)據(jù)。

2.1.2閱讀器類型的選擇

目前，市面上RFID閱讀器多種多樣，鑒于該防丟失裝置的隨身性以及工作環(huán)境的非固定性，在閱讀器的形式上選擇便攜式閱讀器。這類閱讀器將天線、閱讀器和主控機(jī)三者集成于一體，小巧，便于攜帶，因此又稱為便攜式手持機(jī)。該裝置已廣泛用于物流倉儲(chǔ)、會(huì)員管理、交通運(yùn)輸、電力抄表、停車場管理、自行車租賃、公交一卡通、導(dǎo)游IC卡管理等領(lǐng)域。

2.1.3手持機(jī)型號(hào)的選擇

本設(shè)計(jì)選擇蘇州木蘭公司的ML4001手持機(jī)。它采用2.45G手持讀卡器，讀卡器和卡之間采用微波通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別傳輸，應(yīng)用其獨(dú)有的RFID技術(shù)，使得讀卡有效距離可以實(shí)現(xiàn)0～30m范圍，并且可以同時(shí)識(shí)別200張有源卡。

（1）ML- M4001手持機(jī)的電氣特性：

工作電壓：+24VDC

工作電流：<1000mA

可靠性：MTBF≥70000h

工作壽命：>15年

通信接口：RS485/Wiegand /CAN總線

（2）ML- M4001手持機(jī)的微波鏈路特性：

信號(hào)調(diào)制方式：GFSK

工作頻率：2.4～2.45 GHz

接收靈敏度：≤- 93dBm

天線極化：垂直

識(shí)別范圍：全向識(shí)別

微波通訊距離：0～30m

位誤碼率/B.E.R：10-7

通訊加密：按客戶要求

微波通訊檢錯(cuò)：CRC16循環(huán)冗余校驗(yàn)

（3）ML- M4001手持機(jī)的工作環(huán)境

①抗干擾和防雷設(shè)計(jì)，滿足工業(yè)環(huán)境要求；②使用溫度：- 40℃～+80℃；③保存溫度：- 60℃～+80℃；④抗電磁干擾：10V/m0.1- 1000MHz AM調(diào)幅電磁波。

2.2子機(jī)的設(shè)計(jì)

在隨身物品防丟失提醒裝置中，子機(jī)充當(dāng)?shù)慕巧褪潜槐O(jiān)管者，主機(jī)通過對(duì)它的監(jiān)管從而達(dá)到對(duì)與其相綁定的物品的監(jiān)管。本設(shè)計(jì)中電子標(biāo)簽就是防丟失裝置中的“子機(jī)”。在物品監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，需要先將各種隨身的物品信息存儲(chǔ)到RFID標(biāo)簽中，同時(shí)為了滿足應(yīng)用的需要，還需要對(duì)RFID標(biāo)簽的用戶自由存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行格式的設(shè)計(jì)[4]。

標(biāo)識(shí)物品的RFID數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于用戶自由存儲(chǔ)區(qū)。因?yàn)椴捎肨ID就能夠唯一的標(biāo)識(shí)單個(gè)物品，所以重點(diǎn)在于用戶區(qū)設(shè)計(jì)，對(duì)標(biāo)簽中的EPC代碼區(qū)無需設(shè)計(jì)。在用戶存儲(chǔ)區(qū)中的64個(gè)字節(jié)中，原本可以存儲(chǔ)很多物品相關(guān)的屬性信息，但本文通過輪詢的方式來實(shí)現(xiàn)物品電子標(biāo)簽的輪詢，訪問方式較為簡單，存儲(chǔ)區(qū)利用前兩個(gè)字節(jié)來存放物品的標(biāo)識(shí)號(hào)，和物品的順序號(hào)再匹配上位機(jī)桌面系統(tǒng)的物品存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的識(shí)別監(jiān)護(hù)[5]。用戶區(qū)數(shù)據(jù)設(shè)置如圖1所示。

2.2.1電子標(biāo)簽的類型選擇

基于上述“主機(jī)”部分選擇的是2.45G手持機(jī)，“子機(jī)”部分電子標(biāo)簽的選擇必須與其相匹配，故選擇微波頻段的電子標(biāo)簽。微波電子標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽兩類。工作時(shí)，電子標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場的遠(yuǎn)區(qū)場內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合。閱讀器天線輻射場為無源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。以目前技術(shù)水平來說，無源微波電子標(biāo)簽比較成功的產(chǎn)品相對(duì)集中在902～928MHz工作頻段上，2.45GHz 和5.8GHz射頻識(shí)別系統(tǒng)多以有源微波電子標(biāo)簽產(chǎn)品面世。有源標(biāo)簽一般采用紐扣電池供電，具有較遠(yuǎn)的閱讀距離。

2.2.2電子標(biāo)簽產(chǎn)品特性的確定

基于電子標(biāo)簽和閱讀器的適配度考慮，本裝置的電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)以木蘭公司的ML- T80只讀系列遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)為主要參考依據(jù)。ML- T80電子標(biāo)簽是構(gòu)建于木蘭完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RFID創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)上的定位管理電子標(biāo)簽，通過專門讀寫器可以完成對(duì)人員的定位和自動(dòng)識(shí)別[6]。

本設(shè)計(jì)中，利用ML- T80的定位功能，可在每一個(gè)需監(jiān)管物品上配帶一個(gè)帶有固定編號(hào)的標(biāo)簽，標(biāo)簽會(huì)主動(dòng)發(fā)出無線電信號(hào)（1秒鐘發(fā)送3次）給手持機(jī)，手持機(jī)就可以確定物品的位置及活動(dòng)范圍，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的監(jiān)控，滿足人們對(duì)隨身貴重物品的安全管理和實(shí)時(shí)追蹤的需求。

該有源電子標(biāo)簽的工作原理為：有源標(biāo)識(shí)卡不斷主動(dòng)向外發(fā)出無線電信號(hào)（1秒鐘發(fā)送3次，該發(fā)送功率可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行修改），并且能夠傳播很遠(yuǎn)的距離。該無線信號(hào)是有編碼的，每個(gè)標(biāo)識(shí)卡的編碼是唯一的。標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的無線信號(hào)如果是在讀卡器的有效測量距離內(nèi)，則該無線信號(hào)通過讀卡器上的天線被讀卡器接收并解碼，然后讀卡器通過TTL232/RS232/RS485/CAN總線/以太網(wǎng)/Wiegand- 26/ Wiegand- 34/USB/GPRS接口將信息發(fā)送給管理系統(tǒng)或其它監(jiān)控系統(tǒng)。

軟件主界面接口工作流程如圖2所示。

2.2.3電子標(biāo)簽的外形選擇

常見的有源電子標(biāo)簽有紐扣式、掛鏈?zhǔn)?、卡片式、腕帶式等，適用于不同的環(huán)境。紐扣式和卡片式適用于錢包等物品的監(jiān)管；掛鏈?zhǔn)竭m用于鑰匙、手機(jī)等物品的監(jiān)管；而腕帶式則適用于防止兒童走丟。

使用電子標(biāo)簽要注意以下事項(xiàng)：①保持標(biāo)簽表面干燥；②不要將其放在金屬較多的地方；③不要將其放在密閉的空間內(nèi)；④不要將其放在有腐蝕性物品附近；⑤請(qǐng)?jiān)谄湔５墓ぷ鳒貪穸认率褂茫虎迿z修不得隨意更改產(chǎn)品元器件的參數(shù)、規(guī)格、型號(hào)。

3　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本裝置采用的是面向應(yīng)用性的定制性軟件，更加貼近用戶的使用。通過軟件可以及時(shí)獲取用戶所需數(shù)據(jù)，及時(shí)讓管理人員了解物品情況。啟動(dòng)軟件后，它可以自動(dòng)獲取電子標(biāo)簽的編號(hào)，并在界面中列出各個(gè)標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，并且軟件具有重命名功能，可以將標(biāo)識(shí)號(hào)更改成電子標(biāo)簽所標(biāo)識(shí)的物品名稱，從而使得物品管理更加明確。此外，軟件可以設(shè)定監(jiān)管距離以及警報(bào)方式，包括震動(dòng)和響鈴方式。

關(guān)于軟件開發(fā)，可參照IAR公司嵌入式工作臺(tái)：MSP430開發(fā)軟件很多，常用的是IAR公司集成開發(fā)的環(huán)境：IAR Embedded Workbench工作臺(tái)以及調(diào)試器C- SPY。該嵌入式工作臺(tái)為開發(fā)不同目標(biāo)單片機(jī)的項(xiàng)目提供強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境，并為每一種目標(biāo)單片機(jī)提供工具，它可以在Windows環(huán)境下運(yùn)行，可以同時(shí)編輯匯編C語言源文件，集成工具和編輯器，用戶界面直觀以及超文本幫助全面。

訂制開發(fā)后的應(yīng)用軟件基本操作主界面用于顯示標(biāo)簽名稱、數(shù)目以及當(dāng)前狀態(tài)，右側(cè)菜單欄主要是一些基本設(shè)置，包括工作距離的設(shè)定、警報(bào)方式的設(shè)定以及標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)間隔時(shí)間等。

4　結(jié)論

綜上所述，針對(duì)隨身物品防丟失裝置的設(shè)計(jì)集成了RFID、GSM和GPRS三大技術(shù)，本設(shè)計(jì)使用通用性較高而且攜帶方便的便攜式手持機(jī)以及有源電子標(biāo)簽作為核心部件，此外，選擇定制型應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)多端登陸功能，不僅可以滿足該裝置對(duì)距離可調(diào)和多通道功能的要求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了多方管理，大大提高了本裝置的可靠性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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[6]董麗華. RFID技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.□

Design of Portable Goods and Anti Loss Reminder Device

HE Guo-bin1，WANG Bao-min1，JING Fa-qi2
（1. Institute of Chemical Industryand Environment，North Universityof China，Taiyuan 030051，China；2. Science and Technology Center of Production Safetyin Qinghai Province，Xining810008，China）

Abstract:In this paper，the protection and management ofthe advent ofthe era ofsmart people for the purpose ofdesigninga portable device to prevent the loss of goods. The device is divided into two parts of the host and the sub machine，the host is worn by the owner，and the sub machine is equipped with the RFID system to realize the supervision function of the device，select the 2.45G portable handheld machine and the corresponding active electronic tags，once the object to leave the main over a certain distance，the host will send an alert. To avoid the loss of goods，to ensure the safety of personal items. Its monitoring distance in the 50m，the user can self control，and the volume is small，easy to carry，thereby greatly improving the safetyofthe regulated items.

Key words:RFID；portable handheld machine；active electronic tags；customized application software；multi management

作者簡介：何國斌（1990-），男，在讀研究生，研究方向：安全人機(jī)模擬與仿真，18674460698，369794359@qq.com。

收稿日期：2015- 12- 04

中圖分類號(hào)：TP309；X913.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008- 553X（2016）02- 0057- 03

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.018