基于超高频RFID的手持抄表终端的设计*

吴琼，杜博，苏全志，王珏，张秋月

(哈尔滨电工仪表研究所有限公司，哈尔滨 150028)

0 引 言

在中国，随着生活水平的提高，对物品的需求量也在逐步增加，而识别物品种类和信息的技术也在更新换代。发展较早的条形码技术已经比较成熟，且具有价格低廉的特点，而物联网的产生，凸显了它的缺点，比如其识别条件严苛且只可单一识别，已然无法满足人们快速清点物品的需要。具有远距离快速批量识别的RFID电子标签也就随着物联网发展而产生，其支持上万次擦写，可存储的信息量更大也更丰富，RFID电子标签的应用将是未来企业生产管理和物流管理的智能化、快捷化的保证[1]。

在电力生产使用环节中，电能表的抄收数据快速与准确一直是人们关心的问题，而抄收技术也一直在更新进步，而RFID的普及正好符合了人们对此的需求。此系统利用RFID远距离读取、批次处理的特点，即可瞬间自动读取大量标签的信息，大幅度减少追踪查找的时间，提高查询和盘点的精确度[2]，将Android操作系统和超高频RFID技术、WiFi/3G/4G以及云平台等技术相结合开发一款手持式的RFID设备，意在解决电能表行业目前仍存在的共性问题，有效提高电能表的数据质量可靠性和管理运维的便捷性，最大程度减轻工作人员的工作量。

1 产品的设计要求

根据实际生产应用需求，此款RFID手持抄表终端应该具备的主要功能：

(1)具有电力类数据读写功能，对电表内电子标签的电量、功率等数据进行读取并可以一次抄收多台电能表的数据;

(2)具说电能表信息类盘存抄读功能，对仓库内电能表的表号快速读取方便进行电能表仓储统计管理;

(3)具有无线通信功能，把采集到的数据通过无线网络或者4G网络上传至云平台，有利于数据的保存、调用和分析;

(4)具有显示功能，应有人机交互界面，应用人们日常生活已经熟悉的Android系统进行界面开发，更有利于施工人员操作。

RFID手持终端抄表系统示意图如图1所示。

图1 抄表系统示意图Fig.1 Schematic diagram of meter reading system

2 系统硬件电路设计

该RFID手持抄表终端主要包括RFID模块、显示模块、电源模块、WiFi模块、4G通信模块等各大功能模块，每个模块都有实现的具体功能，为了实现整体功能，分开设计各个模块的具体电路，系统的硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图Fig.2 Block diagram of system hardware structure

RFID手持抄表终端以微处理器为核心。需要对各个模块进行精确有效的控制，让各个模块之间的功能相互作用，达到数据抄收上传和存储。其中RFID模块采集电力数据信息和电能表信息，然后发回微处理器，微处理器在显示模块上显示采集的信息，同时也可以将采集的信息通过4G通信模块、WiFi模块传给云平台系统[2]。

2.1 微处理器的选型

MSM8916微处理器为四核核心，主频1.2 GHz起，最高可能达到1.4 GHz，此外内存支持单通道64-bitLPDDR2/3，视频编码支持H.265，此外还整合MSM9x25基带，无线网络则支持WiFi802.11ac、蓝牙4.1，存储接口标准eMMC 4.5等，集成度很高，有效提升电池供电能力也就是降低功耗，从实际应用和投入生产方面考虑，微处理的价格、节能和低功耗都是重要的选择因素，MSM8916微处理器有着大份额的市场占比，使得其价格低廉，众多多媒体功能整合到基带芯片上，大大减少外围器件，提高芯片集成度，并且降低手持机功耗、缩小手机主板所占面积[3]。这也成为选择高通MSM8916微处理器的重要考量指标。

2.2 射频识别芯片的选型

在这个系统中，射频芯片的性能可以成为评判整体系统优劣的重要因素，对市面上流通较广的PR9000、AS3992和R2000进行综合考量，通过表1对比得知，三款均支持ISO18000-6C协议，其中Indy R2000在接收灵敏度和功率调节范围方面有明显优势，并且R2000是唯一一款具有载波抑制能力的读写器芯片，这一特点可以优化开发平台的性能。

表1 射频芯片对比表Tab.1 Comparison table of radio frequency chip

在设计中选择Indy R2000超高频RFID读写器的射频前端芯片，Indy R2000芯片负责发送、接收、解调和基带信号处理功能[4],Indy R2000开发平台如图3所示。

图3 Indy R2000阅读器开发平台Fig.3 Development platform of Indy R2000 reader

2.3 WiFi模块

WiFi模块选用的是低成本低功耗串口转以太网的WiFi模块，型号为HLK-RM10。该模块具有丰富的外设通信接口，在文中设计的手持抄表终端中，主控芯片MSM8916通过串口与HLK-RM10相连，无需进行任何配置更改，即可实现WiFi传输信息[4]。

HLK-RM10模块支持STA、AP和STA+AP三种工作模式，而且每个模式还包括TCP服务器、TCP客户端和UDP三个子模式。STA模式下，WiFi模块需要通过路由器连接互联网；AP模式为模块默认模式，模块作为热点，实现其他无线设备与模块通信，形成无线局域网；STA+AP模式则为以上另种模式共存状态[5-6]。根据RFID手持抄表终端的功能需求，采用WiFi模块的AP模式。

图4 WiFi模块程序流程图Fig.4 Flow chart of WiFi module program

WiFi模块内置有AT指令集，在AT模式下，主控模块可通过串口的AT指令对WiFi模块进行参数功能配置。设计中将RFID手持终端的WiFi模块设置为客户端模式，上位机系统设置为服务器模式，由于模块已经内嵌了TCP/IP，因此无需协议转换的相关软件程序设计，RFID手持抄表终端便可将采集到的数据可直接通过WiFi模块上传到上位机。具体WiFi模块程序流程如图4所示。

为了考虑RFID手持抄表终端的使用环境的多变性，对WiFi不存在的情况做了备选方案，也就是4G通信模块的应用设计，此设计选用4G LTE模块，因其承载的无线技术提供高频谱效率、高速率、低时延的特点[7]。

3 安卓系统软件程序设计

本手持抄表终端使用Android系统，其提供了一个免费的开源SDK，应用JAVA语言[8]，开发出便于抄表员使用抄表机(Android界面简单、易操作)，便于抄表员上传数据(WiFi/4G上传抄表数据)、还便于抄表员查询电能表信息(二维码识别、RFID识别)，可以应用于电能表的仓储管理和电能表抄收电能信息，可以做到便捷灵活携带、信息准确快递接收等特点。

设计中的Android系统共分成6个主要的功能模块，以便于用户操作为前提，注册及登录功能是必须要有的；其次作为客户端软件，必定要有抄表功能和库房管理功能；最后还有一些有助于抄表的辅助功能，也是该客户端软件的创新功能，如RFID功率、RFID中心频率查询等功能[9]。安卓系统功能框图如图5所示。

图5 安卓系统功能框图Fig.5 Functional block diagram of Android system

每个功能模块之间的依赖关系和系统的主要执行顺序如下所示：

(1)系统启动后，首先进入登录界面。用户第一次使用时，需要注册账号，手动输入账号、密码和确认密码才能够进行注册。注册账号后，登录账号前可以选择记住账号、密码，这样下次启动程序就不需要再次输入账号密码了;

(2)通过登录验证后，进入到RFID连接界面，通过蓝牙对RFID进行扫描并连接需要的RIFD设备;

(3)进入抄表功能界面，会有单抄和群抄两种抄表方式供选择。单抄需要手动输入表号获取相应表信息，群抄可直接获得多个电能表表号及相应信息。最后所有数据都可上传至云平台，并具有表维护功能;

(4)进入库房管理界面，可以查询库房中电能表出库、入库情况;

(5)进入设备界面，可进行RFID功率、RFID中心频率查询;

(6)进入设置界面，可以对RFID参数、系统功能进行设置。

3.1 安卓系统RFID功率操作界面

RFID手持抄表终端可以对RFID中心功率及RFID工作频率进行设置[10-11]，其中中心工作频率是针对各个国家不同的频段进行设置，设置界面如图6(a)所示。而工作频率的设置，主要是依据手持终端与电能表的距离，当开启终端时，它会自动获取一个频率，也可以根据自己的判断手动调节，当采集距离更远的电能表数据可以适当调高工作频率，当采集距离近时可以调低工作频率来达到省电的目的，设置界面如图所示6(b)所示。

图6 RFID功率操作界面Fig.6 RFID power operation interface

3.2 安卓系统抄表相关操作界面

该界面共有三部分功能：单抄、群抄、表维护。抄表界面如图7(a)所示。

图7 抄表界面Fig.7 Meter reading interface

(1)单抄是通过点击连接之后用RFID扫描标签。在“表地址”处输入电能表表号，通过点击“电量”、“电压”、“电流”、“功率”等按钮可以获取到相应数据[10]。通过界面右上角的隐藏菜单可以对抄读上来的数据进行保存并上传到云平台。单抄界面如图7(b)所示;

(2)群抄是指通过RFID扫描周边多个电能表，并显示电能表主要数据，即连接成功后通过点击“开始”按钮可以获取相应的电能表信息，包括：表号、电能表当前时间、电能表当前总电量、电能表当前尖电量、电能表当前峰电量、电能表当前平电量、电能表当前谷电量、电能表冻结时间、电能表冻结总电量、电能表冻结尖电量、电能表冻结峰电量、电能表冻结平电量、电能表冻结谷电量、运行状态字1、运行状态字3、运行状态字4。通过界面右上角的隐藏菜单可以对抄读上来的数据进行保存并上传到云平台。群抄界面如图7(c)所示。

3.3 安卓系统库房管理操作界面

客户端中的库房管理功能模块是旨在智能电能表在出库入库时能做到准确记录，并在需要历史记录时，能够通过输入电能表表号来查询到库房管理的数据。库房管理界面如图8所示。

图8 库房管理界面Fig.8 Storeroom management interface

4 实验分析

在实验室内共放置50只电能表进行数据的采集，手持终端分别在离表台1、2、3、3.25、3.5、4米的位置进行测试，在众多测试中选取较有代表性的三次实验和50次实验的平均值如表2所示，在3 m内无遮挡的情况下准确率可以达到99%，但是超过三米准确率就会下降，并十分不稳定，出于经济和实际需求考虑，三米内采集数据已符合项目要求。

表2 距离测试准确率表Tab.2 Accuracy rate table of distance test

在进行的群抄实验中某次实验上传至云平台的群抄抄表数据，云平台可以快速的接收及保存数据如图9所示。

图9 群抄抄表数据Fig.9 Group meter reading data

5 结束语

文中介绍了基于超高频RFID的手持抄表终端关键技术研究，手持抄表终端总体的设计方案，并在主控芯片选型、RFID识别模块以及通信模块等方面进行了着重分析。同时对基于Android操作系统的手持抄表终端软件部分进行了简要介绍。设计的方案成本控制良好，在项目中使用状态良好，具有可观的前景，可投入生产，并且方便移植到其他领域。