張小燕 賈民政

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100042)

0 引言

射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它可以通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。作為一種新興的先進(jìn)技術(shù)，RFID具有許多突出的優(yōu)點(diǎn),如：唯一性識別，非接觸式自動識別，無需光學(xué)可視即能完成信息處理，較長距離識別，高速運(yùn)動物體識別，多個(gè)標(biāo)簽識別，可在各種較為惡劣的環(huán)境下應(yīng)用等。

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，RFID技術(shù)作為物理世界與現(xiàn)有IT系統(tǒng)的橋梁，與互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。因此，RFID技術(shù)在20世紀(jì)末就開始被廣泛應(yīng)用于倉儲、物流等商業(yè)領(lǐng)域。

應(yīng)用RFID技術(shù)建立的管理系統(tǒng)，可以幫助用戶解決設(shè)備管理面臨的各種難題。如：利用RFID電子標(biāo)簽唯一性的特點(diǎn)，可以解決多個(gè)同型號設(shè)備的檢索和盤點(diǎn)問題；利用RFID非接觸式自動識別、較長距離識別以及同時(shí)多個(gè)物體識別的突出特點(diǎn)，可以幫助用戶自動完成設(shè)備出入庫的快速登記；利用RFID夜間環(huán)境較強(qiáng)數(shù)據(jù)讀取能力的特點(diǎn)，可以滿足用戶夜間使用設(shè)備的需要。

基于此，如果在學(xué)校實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)中引入RFID技術(shù)，可以幫助學(xué)院實(shí)訓(xùn)室管理員或各個(gè)教研室完成對設(shè)備的信息化和規(guī)范化管理，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備的最優(yōu)化管理和資源融合。筆者以實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理要求為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的實(shí)訓(xùn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)，為實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理信息化系統(tǒng)的搭建提供解決方案。

1 RFID系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同，其組成也有所不同，但基本都是由RFID電子標(biāo)簽、RFID讀寫器和后端管理系統(tǒng)(應(yīng)用軟件)3個(gè)部分組成[1-2]，如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)組成

1.1 RFID電子標(biāo)簽

RFID電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成，主要用來存儲被標(biāo)識物的數(shù)據(jù)信息。RFID電子標(biāo)簽外形如圖2所示，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 RFID電子標(biāo)簽

圖3 RFID電子標(biāo)簽的組成結(jié)構(gòu)

電子標(biāo)簽芯片是電子標(biāo)簽的核心部分，它的作用是標(biāo)簽信息的存儲、標(biāo)簽接收信號的處理和標(biāo)簽發(fā)射信號的處理。

天線是電子標(biāo)簽發(fā)射和接收無線電信號的裝置。電子標(biāo)簽類似一個(gè)小的無線電收發(fā)機(jī)，無線發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去；而當(dāng)有電磁波到達(dá)電子標(biāo)簽區(qū)域時(shí)，由標(biāo)簽天線接收下來，并通過饋線送到無線電接收機(jī)。

電子標(biāo)簽電路的復(fù)雜度與標(biāo)簽所具有的功能成正比。不同電子標(biāo)簽芯片的結(jié)構(gòu)會有所不同，但基本結(jié)構(gòu)類似，一般由控制器、調(diào)制解調(diào)器、編解碼發(fā)生器、時(shí)鐘、存儲器和電源電路構(gòu)成。

1.2 RFID讀寫器

RFID讀寫器是利用射頻技術(shù)讀寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。讀寫器讀出的標(biāo)簽信息通過計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。

RFID讀寫器根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)功能，又有不同的命名。如：單純讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備稱為讀出裝置、掃描器；單純向標(biāo)簽內(nèi)存寫入信息的設(shè)備稱為編程器、寫入器；具有讀取與寫入標(biāo)簽內(nèi)存信息的設(shè)備稱為閱讀器、通信器。

讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻段，讀寫器的功率直接影響到RFID系統(tǒng)的距離與閱讀效果的好壞[3-4]。實(shí)驗(yàn)所用的RFID讀寫器開發(fā)板如圖4所示。

圖4 RFID讀寫器開發(fā)板

1.3 RFID后端管理系統(tǒng)

RFID后端管理系統(tǒng)，即RFID系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，可以根據(jù)用戶實(shí)際需要，在C#,Java等平臺上開發(fā)管理程序。

2 系統(tǒng)硬件配置

在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用，需要利用RFID讀寫器對RFID電子標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，讀寫操作前需要完成對讀寫器參數(shù)的設(shè)置[5]。

2.1 連接電源

將隨機(jī)附帶的9～12 V直流電源適配器插入電源插座，讀寫器模塊紅色LED指示燈為電源正常指示燈，藍(lán)色LED指示燈為讀寫器狀態(tài)指示燈。此時(shí)，將聽到“滴滴”2聲鳴響，同時(shí)模塊指示燈亮，表示上電過程正常，讀寫器自檢通過(見圖4)。

2.2 連接天線

將接口為SMA的天線接入讀寫器的天線端，這是一個(gè)四通道的讀寫器，最多能接4根天線(見圖4)。

2.3 連接數(shù)據(jù)線

通過RS232接口與電腦連接，擰緊固定螺柱?；蛘咄ㄟ^一個(gè)USB轉(zhuǎn)RS232串口公頭轉(zhuǎn)接線，與電腦USB口相連接。

2.4 讀寫器基本參數(shù)設(shè)置

如果讀寫器是通過RS232串口連接的，則在連接方式里選擇RS232,選擇對應(yīng)的串口號，并選擇相應(yīng)的波特率。讀寫器的默認(rèn)波特率為115 200 bit/s。RFID讀寫器基本參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 RFID讀寫器基本參數(shù)設(shè)置

基于RFID的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的硬件部分連線如圖6所示。

圖6 基于RFID的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)硬件接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

啟動管理系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼，登陸RFID實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)。進(jìn)入系統(tǒng)后，出現(xiàn)如圖7所示的工作平臺。

圖7 RFID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作平臺

在這里可以進(jìn)行如下操作：

(1)通過“操作用戶管理”標(biāo)簽，添加和管理管理員。

(2)通過“學(xué)生用戶管理”標(biāo)簽，添加和管理學(xué)生用戶，并實(shí)現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽與學(xué)生的綁定，如圖8所示。

圖8 學(xué)生用戶與RFID標(biāo)簽綁定

學(xué)生用戶可以通過導(dǎo)入Excel表格方式批量添加(導(dǎo)入模板中學(xué)生信息數(shù)據(jù)源可在學(xué)校網(wǎng)站下載班級學(xué)生信息表)，也可以通過手工輸入方式單個(gè)添加。

(3)通過“設(shè)備登記”標(biāo)簽，可以添加和管理實(shí)訓(xùn)室設(shè)備及其與RFID電子標(biāo)簽的綁定，如圖9所示。

圖9 設(shè)備與RFID標(biāo)簽綁定

設(shè)備可以通過導(dǎo)入Excel表格方式批量添加(導(dǎo)入模板可在學(xué)校資產(chǎn)網(wǎng)站下載該實(shí)訓(xùn)室的資產(chǎn)信息表)，也可以通過手工輸入方式單個(gè)添加。

(4)通過“統(tǒng)計(jì)分析”標(biāo)簽，可以查看日志。

(5)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，必須保持讀寫器硬件處于啟動狀態(tài)(打開圖7中的“啟動硬件”)，才能實(shí)現(xiàn)學(xué)生用戶與電子標(biāo)簽的綁定、設(shè)備與電子標(biāo)簽的綁定，如圖10所示。

圖10 啟動硬件

4 系統(tǒng)測試

筆者設(shè)計(jì)的基于RFID技術(shù)的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，由RFID數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)和管理程序軟件系統(tǒng)2個(gè)部分組成。RFID數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)需要進(jìn)行參數(shù)配置，管理程序軟件系統(tǒng)在編寫過程中參考了某校資產(chǎn)處資產(chǎn)信息的條目名稱，使測試系統(tǒng)的關(guān)鍵條目：名稱、資產(chǎn)編號、驗(yàn)收單編號、規(guī)格型號等與學(xué)校資產(chǎn)信息條目名稱保持一致，以便之后在真實(shí)環(huán)境中對實(shí)訓(xùn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行資產(chǎn)管理。在硬件系統(tǒng)設(shè)置成功和軟件系統(tǒng)開發(fā)成功之后，進(jìn)行了系統(tǒng)測試。

測試時(shí)，用3個(gè)RFID電子標(biāo)簽(每個(gè)電子標(biāo)簽號具有唯一性)分別代表3個(gè)具有不同學(xué)號的學(xué)生，用7個(gè)RFID電子標(biāo)簽代表7個(gè)不同電子設(shè)備，展開系統(tǒng)功能的模擬實(shí)驗(yàn)，測試管理程序的性能。測試的具體方法是讓不同的學(xué)生(用不同的電子標(biāo)簽區(qū)別學(xué)生)帶設(shè)備(用電子標(biāo)簽代表設(shè)備)不斷進(jìn)-出-進(jìn)，反復(fù)測試程序，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 設(shè)備信息查詢

從圖11中可以看出，資產(chǎn)編號為“20117181”的數(shù)字萬用表，綁定了1個(gè)唯一的RFID標(biāo)簽編號，測試時(shí)的工作狀態(tài)為“待報(bào)廢”，最后由學(xué)號為“20179905107”的學(xué)生借出，當(dāng)前位置狀態(tài)為“進(jìn)”，表示當(dāng)前設(shè)備在該實(shí)訓(xùn)室內(nèi)。資產(chǎn)編號為“20117182”的數(shù)字萬用表，綁定了1個(gè)唯一的RFID標(biāo)簽編號，測試時(shí)的工作狀態(tài)為“正?！保詈笥蓪W(xué)號為“1”的學(xué)生借出，當(dāng)前位置狀態(tài)為“出”，表示當(dāng)前設(shè)備沒有在該實(shí)訓(xùn)室內(nèi)。

如果要對某個(gè)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行查詢，可以根據(jù)“RFID標(biāo)簽”“名稱”“資產(chǎn)編號”“驗(yàn)收單編號”“規(guī)格型號”“工作狀態(tài)”“最后借出學(xué)號”“狀態(tài)”這些條目進(jìn)行篩選，如圖12所示。

圖12 設(shè)備信息查詢篩選條目

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于RFID的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包含1個(gè)高頻RFID讀寫器、10個(gè)RFID電子標(biāo)簽和設(shè)計(jì)的后端管理程序。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠自動對實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備去向進(jìn)行登記；通過對某一設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行查詢，能夠獲取需要設(shè)備的狀態(tài)信息。系統(tǒng)達(dá)到了自動管理設(shè)備的預(yù)期目的。當(dāng)然，如果要進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，該系統(tǒng)的一些功能還有待進(jìn)一步完善修正。