羅 倩，鄧成中*，王靜梅，楊 勇，崔志銳

(1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.西華大學(xué)檔案館，四川 成都 610039；3.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；4.成都市三級(jí)科技有限公司，四川 成都 610225)

近年來，隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)作為一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在公共安全、倉儲(chǔ)物流、智慧城市等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。射頻識(shí)別裝置的基本工作原理是利用射頻信號(hào)及其空間耦合和傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的識(shí)別[3-4]。

在傳統(tǒng)的檔案管理方式下，檔案入庫須先進(jìn)行分類、排序、裝訂，然后由人工撰寫檔案盒的相關(guān)信息，最后手工抄寫檔案目錄，并將檔案連同目錄一起封裝入檔案盒內(nèi)。這種手工處理方式使得整個(gè)流程既繁瑣又低效。針對(duì)這個(gè)問題，現(xiàn)有的解決方案是利用移動(dòng)讀寫器(或手持機(jī))掃描條形碼進(jìn)行檔案上架、盤點(diǎn)等操作[5]，利用磁條和條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)檔案的借還；但要實(shí)現(xiàn)檔案的盤點(diǎn)就要逐個(gè)掃描每個(gè)密集架內(nèi)的格子，效率低下，而且不能及時(shí)地實(shí)現(xiàn)檔案的錯(cuò)位管理[6]。在考慮現(xiàn)有解決方案不足的基礎(chǔ)上，本文將RFID技術(shù)應(yīng)用于檔案管理中，提出一種基于STM8S單片機(jī)的檔案數(shù)字化管理的解決方案，以實(shí)現(xiàn)檔案的快速入庫，檔案儲(chǔ)位的快速調(diào)整，檔案錯(cuò)位的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而提高檔案管理效率和質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)檔案管理智能化[7]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于STM8S單片機(jī)的檔案數(shù)字化系統(tǒng)流程如圖1所示。首先將檔案分別裝入貼有RFID標(biāo)簽的文件夾，其中每個(gè)貼有標(biāo)簽的文件夾都有一個(gè)RFID讀寫器與之對(duì)應(yīng)。然后由RFID讀寫器通過無線射頻技術(shù)與RFID標(biāo)簽雙向通信，實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽信息(包括RFID標(biāo)簽的名稱、內(nèi)容、存放位置等)的快速“讀/寫”。其中“寫”是指PC機(jī)通過集中控制器下發(fā)寫命令至RFID讀寫器，實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽信息的錄入也即檔案的入庫。“讀”是指RFID讀寫器通過集中控制器將讀取的RFID標(biāo)簽信息上傳至PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)檔案信息的存儲(chǔ)、盤查等。最后由PC機(jī)對(duì)所有上傳的檔案數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類和管理。

圖1 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)中RFID標(biāo)簽信息的讀/寫遵循RFID標(biāo)簽編碼格式，如表1所示。通過此編碼格式可以實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽的名稱、內(nèi)容、存放位置等的錄入和輸出，以實(shí)現(xiàn)檔案的入庫、出庫及盤查等。

表1 RFID標(biāo)簽編碼格式

表1中：b表示字節(jié)數(shù)；長度表示數(shù)據(jù)幀總字節(jié)數(shù)，這里的數(shù)據(jù)幀包含名稱、保留字、位置信息；命令字表示2種狀態(tài)，D0為寫卡，D1為讀卡；id號(hào)表示每個(gè)RFID標(biāo)簽的唯一編碼號(hào)；名稱表示RFID標(biāo)簽對(duì)應(yīng)檔案文件的名稱，由用戶通過寫命令實(shí)現(xiàn)命名；保留字為可選字節(jié)，表示為用戶預(yù)留的字節(jié)，可由用戶自定義檔案文件的其他信息，如分類信息等。

系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由RFID讀寫器、集中控制器、設(shè)備終端(PC機(jī))等模塊構(gòu)成，其中RFID讀寫器包括以STM8S為核心的主控制器、紅外光電傳感器模塊、無線射頻模塊、串口通信模塊、復(fù)位電路、LED指示燈等。紅外光電傳感器用于檢測(cè)被測(cè)區(qū)域是否有文件靠近或離開，當(dāng)檢測(cè)到有文件靠近或離開時(shí)，紅外光電傳感器發(fā)射數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)則激活無線射頻模塊，無線射頻模塊接收單片機(jī)發(fā)來的信號(hào)之后將其轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，再通過天線對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫操作，完成標(biāo)簽信息的錄入或輸出。集中控制器通過串口RS232分別與主控制器和PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)信息的接收和發(fā)送。PC機(jī)接收所有上傳的數(shù)字標(biāo)簽信息并實(shí)現(xiàn)其分類、存儲(chǔ)和讀取等操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)命令的下發(fā)。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的選擇

該系統(tǒng)的主控芯片選擇STM8S103F3P6單片機(jī)，因?yàn)樗捎酶呒?jí)STM8內(nèi)核，具有3級(jí)流水線哈佛結(jié)構(gòu)，支持?jǐn)U展指令集，支持多串口通信[8]，提供了640字節(jié)真正的EEPROM數(shù)據(jù)讀寫操作，可達(dá)30萬次擦寫，工作電壓范圍為2.95～5.5 V，具有強(qiáng)大的I/O功能，支持多個(gè)定時(shí)器中斷等[9]。主控芯片參考電路如圖3所示。

圖3 STM8S103F3P6電路圖

2.2 紅外光電傳感器模塊

該系統(tǒng)中紅外光電傳感器用于檢測(cè)被測(cè)區(qū)域文件狀態(tài)的變化(是否有文件靠近或離開)。在文件狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，它發(fā)送信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)收到此信號(hào)會(huì)激活無線射頻模塊。在文件狀態(tài)不發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)不會(huì)接收到信號(hào)，則無線射頻模塊不會(huì)被激活，在此期間，無線射頻模塊處于休眠狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。

紅外光電傳感器模塊采用TCRT5000紅外反射式光電傳感器，該傳感器由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體管組成，輸出信號(hào)經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠[10]。

LM293是一款電壓比較器，其輸入端和TCRT5000的信號(hào)輸出端相連，輸出引腳EXIT INT和MCU相連，其參考電壓為1.65 V。如圖4所示，在傳感器正常工作的情況下，TCRT5000傳感器的紅外光電二極管不斷發(fā)射紅外線，若當(dāng)前檢測(cè)區(qū)域沒有文件遮擋時(shí)，沒有紅外線被反射回來，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)傳感器信號(hào)輸出端C經(jīng)比較器輸出高電平(約3.3 V)；若當(dāng)前監(jiān)測(cè)區(qū)域出現(xiàn)文件遮擋，由紅外光電二極管發(fā)射的紅外線會(huì)被反射回來，光敏三極管CE導(dǎo)通，此時(shí)傳感器信號(hào)輸出端C經(jīng)比較器輸出低電平(約0 V)。

圖4 紅外光電傳感電路圖

2.3 無線射頻模塊

無線射頻模塊主要包括MFRC522射頻電路、PCB天線和電子標(biāo)簽。其中射頻讀寫芯片MFRC522與主控制器STM8S之間以SPI接口的方式通信，PCB天線與電子標(biāo)簽內(nèi)的線圈以非接觸的方式進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量的傳輸[11]。相比于有線識(shí)別模塊，無線射頻模塊以非接觸方式識(shí)別，其使用更加方便且不會(huì)對(duì)文件夾造成損壞；同時(shí)無線射頻技術(shù)具備掃描速度快、耐久性好、安全性高、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改等優(yōu)勢(shì)，可以提升檔案管理的質(zhì)量和效率。

MFRC522是一款高集成度的非接觸式射頻讀寫卡芯片，工作頻率為高頻13.56 MHz，支持ISO14443A多層應(yīng)用，提供SPI、I2C和UART 3種主機(jī)接口方式，讀寫模式下的最大讀卡距離為50 mm，其內(nèi)部發(fā)送器可驅(qū)動(dòng)射頻模塊天線與ISO 14443A和應(yīng)答機(jī)的通信，接收器提供解調(diào)和解碼電路，用于處理ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號(hào)[12]。無線射頻模塊電路如圖5所示。

圖5 MFRC522芯片圖

當(dāng)有電流通過時(shí)，PCB天線的線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，一部分磁場會(huì)穿過RFID標(biāo)簽的線圈，由磁生電原理，卡片天線會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電壓，這個(gè)電壓會(huì)讓卡片的IC產(chǎn)生復(fù)位而被激活，就可以進(jìn)行正常的通信。PCB天線電路如圖6所示，可將其分為EMC濾波電路、匹配電路、接收電路以及天線4部分。

圖6 PCB天線部分電路圖

EMC濾波電路：用一個(gè)晶振來產(chǎn)生MFRC522所需工作頻率13.56 MHz，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，因此選用LC低通濾波器將13.56 MHz的3階、5階及更高階的諧波濾掉，以符合EMC規(guī)定。匹配電路：將天線部分的諧振頻率點(diǎn)調(diào)整到13.56 MHz附近，增加PCB線圈上的信號(hào)幅度，增強(qiáng)磁場輻射，使天線部分獲得最大功率從而有利于增加讀卡距離。接收電路：由R2、R3組成一個(gè)分壓電路，以改變RX處的信號(hào)幅度；圖5中的電容C2濾除一些干擾，以穩(wěn)定MFRC522芯片內(nèi)部產(chǎn)生的參考電壓VMID。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)主程序(TCRT5000傳感器模塊采集信號(hào)及發(fā)送程序)和中斷服務(wù)程序(RFID射頻模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序)。

系統(tǒng)主程序流程如圖7所示，上電后主程序初始化MCU(GPIO初始化、SPI初始化、時(shí)鐘初始化等)、外部模塊初始化(TCRT5000和RFID模塊復(fù)位、寄存器參數(shù)配置、初始化狀態(tài)配置等)和中斷初始化(設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，配置中斷模式)，然后系統(tǒng)進(jìn)入等待模式，直到TCRT5000檢測(cè)到當(dāng)前檢測(cè)區(qū)域有文件時(shí)，通過EXIT INT引腳向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，進(jìn)入RFID射頻模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

中斷服務(wù)程序流程圖(以RFID射頻模塊讀取數(shù)據(jù)為例)如圖8所示。打開總中斷之后就進(jìn)入等待中斷模式，當(dāng)CPU檢測(cè)到EXIT INT引腳發(fā)來的中斷請(qǐng)求時(shí)，單片機(jī)向無線射頻模塊發(fā)送讀/寫的數(shù)字信號(hào)，無線射頻模塊接收到此數(shù)字信號(hào)后將其轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)，通過天線對(duì)RFID標(biāo)簽讀/寫數(shù)據(jù)。若執(zhí)行讀數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)讀取完成之后由CPU發(fā)送至集中控制器，再由集中控制器發(fā)送至PC機(jī)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

如圖9所示，將RFID讀寫器與外部模塊連接并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。使用設(shè)備包括USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器、直流穩(wěn)壓電源、筆記本電腦、貼有RFID標(biāo)簽的文件夾。測(cè)試方法如下：首先將RFID讀寫器通過USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器與電腦連接，并用直流穩(wěn)壓電源為其供電，設(shè)置好上位機(jī)參數(shù)，進(jìn)行當(dāng)前文件狀態(tài)的檢測(cè)、讀卡、寫卡等操作。

圖8 中斷服務(wù)程序流程圖

圖9 硬件測(cè)試圖

上位機(jī)測(cè)試界面如圖10所示，測(cè)試結(jié)果表明：1)該系統(tǒng)結(jié)合TCRT5000光電傳感器，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)當(dāng)前的文件狀態(tài)，檢測(cè)距離約為3.75 cm；2)該系統(tǒng)能快速地對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫操作，平均讀/寫時(shí)間為20 ms，且讀卡和寫卡的系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)和程序設(shè)定相符，沒有發(fā)生漏讀或錯(cuò)讀的現(xiàn)象，能快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)檔案文件的入庫和出庫；3)該系統(tǒng)在沒有文件放入或取出的狀態(tài)下，進(jìn)入休眠模式，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)低功耗，節(jié)約成本；4)該系統(tǒng)的RFID標(biāo)簽中的測(cè)試數(shù)據(jù)滿足系統(tǒng)設(shè)定，根據(jù)RFID唯一的ID編碼能夠找到指定文件的名稱及位置信息等。

例如圖10所標(biāo)出的第1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其寫卡響應(yīng)為

其中：id號(hào)表示當(dāng)前測(cè)試的RFID標(biāo)簽的唯一編碼號(hào)；15表示數(shù)據(jù)幀即名稱、保留字和位置的總字節(jié)數(shù)；位置信息可以根據(jù)檔案柜的實(shí)際情況進(jìn)行編碼。當(dāng)RFID標(biāo)簽信息都寫入后就與id號(hào)形成了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此可以實(shí)現(xiàn)檔案的快速盤查、出庫和借閱登記等。

圖10 上位機(jī)測(cè)試圖

圖10所標(biāo)出的第2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其讀卡響應(yīng)為

其中：id號(hào)表示當(dāng)前測(cè)試的RFID標(biāo)簽的唯一編碼號(hào)；15表示數(shù)據(jù)幀即名稱、保留字和位置的總字節(jié)數(shù)。通過讀卡操作，可以快速盤查所有在冊(cè)檔案的數(shù)據(jù)幀信息。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM8S的檔案數(shù)字化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過TCRT5000光電傳感器模塊和無線射頻模塊共同監(jiān)測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)了檔案文件狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)的讀/寫。相比于傳統(tǒng)的人工掃描和條形碼檢測(cè)，該系統(tǒng)可以大大地提升檔案文件入庫與出庫的效率。該系統(tǒng)采用一個(gè)RFID讀卡器讀取一個(gè)檔案文件的方式，相比于一對(duì)多的讀卡器其成本更低，且更加準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)讀漏讀的現(xiàn)象。通過使用光電傳感器來檢測(cè)檔案文件的放入和取走的狀態(tài)，使無線射頻模塊在檔案文件狀態(tài)不改變的情況下進(jìn)入休眠模式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗。該系統(tǒng)在圖書管理和倉庫管理系統(tǒng)中同樣有廣泛的應(yīng)用前景。