基于双RFID的电子设备管理手持机设计

刘晓东， 马幸宇， 闫 昆， 许鸿博， 李 花， 饶预芳

（1.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连110618；2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲412000）

0 引 言

随着高校电学相关实验室小型电子设备数量、种类的增多，传统的人工管理方式存在查询设备信息复杂、设备状态信息不明确、资源利用效率低、设备存放分散无序等弊端［1］。目前成熟的解决方式有利用数据库和网络建立校级设备管理信息系统［2-4］、从信息化管理内涵建设与平台构建等方面提高实验室信息化［5］、建立智能化实验预约管理系统［1］、基于手机APP开发设备管理系统［6］等，但未能从具体实验室管理者层面有效地解决设备日常使用状态管理与存放查询问题。随着物联网技术的快速发展，射频技术（Radio Frequency Identification，RFID）优势逐渐显现［7-9］，利用双RFID建立一套由设备管理平台和设备管理手持机两部分组成的实验室设备管理系统，将设备信息的盘点与借用人信息的登记整合为一个完整系统，实现电子设备管理的信息化与自动化，同时针对设备状态信息与存放位置信息进行跟踪管理与快速查询，系统可以充分利用电子设备资源，实现设备资源的充分利用与全周期管理。

1 电子设备管理系统

电子设备管理系统由电子标签、手持机、无线路由器、设备管理平台与数据库等组成。其系统总体框图如图1 所示。

图1 电子设备管理系统结构示意图

电子标签粘贴在各个仪器设备上，记录仪器设备名称、使用状态、存放位置等信息。手持机负责读取与写入设备电子标签的信息，实现电子设备的登记与后续状态查询与变更，可独立于设备管理平台使用。同时，手持机是电子设备与设备管理平台之间的桥梁，在整个系统中承担着数据交互的关键作用。设备管理平台负责所有设备状态、盘点结果进行统一管理，并定期向管理员呈现统计报告。此系统可以充分将有限有效的电子设备资源流动起来，并实现全周期资源管理。手持机通过无线局域网接收设备管理平台发送的管理命令，对设备标签进行读取、写入操作以完成对设备借用、归还等实时状态管理。

2 手持机硬件系统

手持机是电子设备管理系统的核心部分，由微处理器、超高频RFID阅读器、高频RFID阅读器、无线通信、摄像头、触摸屏、存储卡和电源等模块组成。手持机系统总体框图如图2 所示。

图2 RFID手持机系统总体框图

手持机设计中所用到的模块清单如表1 所示。

表1 手持机主要模块清单

2.1 主控模块

系统主控模块主要包括4 部分：MCU 最小系统、复位、电源指示和按键等电路。主控模块以STM32F407 单片机为核心，它具有丰富的接口，可通过其控制多种外设并完成与手持机之间的数据传输。主控模块最小系统电路如图3 所示。

图3 MCU最小系统电路图

2.2 阅读器模块

手持机采用RFID 技术，它是一种非接触式的自动识别技术。不同于传统的条形码技术，它的识别距离更长、抗污损能力更强且一次可同时盘点多个设备［11］。典型的RFID 系统由阅读器、电子标签以及控制系统组成，其组成结构框图如图4 所示。

图4 RFID系统结构框图

电子标签采用被动式无源标签，在阅读器读出范围之内时，阅读器发出的射频载波为电子标签提供工作所需要的直流电源，无须额外的供电电路，电路结构简单成本低廉。阅读器是RFID 系统的核心部分，它通过天线与电子标签进行无线通信，实现了对标签内指定字段的读写操作。手持机设计中共采用高频（High Frequency，HF）阅读器和超高频（Ultra High Frequency，UHF）阅读器两个不同频段的非接触式RFID模块。高频RFID模块在3 cm 以内可以读取人员的校园卡信息；超高频模块读写距离为1 m左右，用来扫描设备的电子标签。

手持机扫描设备电子标签时使用的是JR2030 超高频RFID 模块，它支持EPC-C1G2 协议［12］。JR2030使用UART串口进行通信，只有在读写器执行完一条命令后，才能接收下一条命令。在读写器执行命令期间，如果向读写器发送命令，命令将丢失。因此发送数据流时，每两个相邻Byte之间的发送时间间隔必须小于15 ms。

手持机扫描校园卡使用的高频RFID 读写模块MFRC522，读写距离在3 cm以内。由于模块内部发送器部分可驱动读写器天线，接收器部分提供解调和解码电路，不需要额外的电路就可完成与射频卡的通信［13］。本系统采用的是SPI方式进行通信，将单片机作为主机，MFRC522 作为从机。JR2030、MFRC522 和STM32 单片机的连接如图5 所示。

图5 阅读器模块电路图

2.3 无线通信系统

常用无线通信方案有蓝牙、WiFi、ZigBee 等，它们有各自的优劣势。蓝牙适用于一对一通信，且传输距离较短；ZigBee 组网复杂，成本较高；WiFi 速度快，覆盖范围广且可以实现多接入点接入。本设计选用WiFi通信方案。采用ESP8266 完成手持机与设备管理平台间的无线通信。该模块支持标准的IEEE802.11b／g／n 协议，有完整的TCP／IP 协议栈。模块作为TCP客户端与上位机相连，用于连接到无线网络。利用串口实现与单片机之间的数据传输。

In regards to the short term clinical outcomes, we studied the procedure time, the time to resume diet,the time to full ambulation, the duration of the total hospital stay and the complication rate.

初次使用要对其进行初始化设置，配置为STA 模式，设置正确的SSID与密码从而接入局域网。然后设置传输协议为TCP，和服务器端建立连接，开启透传模式后进行数据的无线收发［14-15］。ESP8266 与主控模块电路连接图如图6 所示。

图6 无线通信模块电路图

2.4 设备辅助定位功能设计

如图7 所示，使用手持机借用设备时，通过设备辅助定位功能，可以在设备仓库中快速确定所需设备位置范围。同类设备放置于同一货架上，每个货架上配备有一个无线收发模块，通过其控制外部LED，电源采用电池，不工作时处于休眠状态。考虑到WiFi信号覆盖问题，路由器应在房间中心安置。

图7 设备辅助定位示意图

在ESP8266 中烧写NodeMCU 固件后，能直接写入脚本语言，不须额外控制器，可节约成本。把模块接入局域网，可远程控制I／O 口输出高低电平点亮或熄灭LED灯以指示设备位置。当设备管理信息平台批准借用请求之后，系统会将设备信息发送至手持机，液晶屏上显示设备的名称以及存放位置。同时手持机会通过WiFi发送信息至设备柜上无线模块，通过其控制LED灯闪烁进行位置指示。这样极大的缩小设备查找范围，节约了查找时间。

3 手持机软件系统

系统软件设计主要包括RFID 数据信息接收与发送、与上位机无线通信、手持机界面显示以及摄像头和SD卡驱动等。

3.1 手持机基本功能

作为实验室管理系统的手持机，借助贴于设备上的电子标签，配合设备信息管理平台主要实现设备的入库、借用、归还、损坏、维修等操作管理，以及借用人信息管理功能。手持机的整体功能结构框图如图8所示。

图8 手持机功能结构框图

可以将具体的操作分为“人员相关操作”“设备相关操作”“其他操作”3 大类。“人员相关操作”包括对于初次使用本系统的人员信息进行登记，以后亦可在手持机中查询和关联个人设备借用情况。“设备状态操作”包括对新进的设备进行入库登记，将设备名称与电子标签编码记录在数据库中。若设备发生损坏、维修等情况及时更改其状态。“设备日常操作”包括借用、归还和扫描操作等。可见手持机可以取代传统的人工方式来完成电子设备的日常管理。

手持机系统UI界面如下图9 所示。

图9 手持机UI界面

3.2 多设备扫描中的防碰撞问题

在实际使用过程中，可能会有大量设备标签同时处于手持机的工作范围内。如果有2 个或2 个以上的标签同时向阅读器发送数据，阅读器就会出现数据冲突，产生数据互相干扰的现象，即标签碰撞［16］。如图10 所示，为了解决这个问题，本设计中做了进一步处理。

超高频RFID 采用的是电磁耦合，原理符合雷达公式［17］：

图10 防碰撞示意图

式中：Pr为阅读器接收功率；Pt为标签发射功率；G 为天线增益；λ 为载波信号波长；σ 为截面面积；L 为标签到阅读器距离。

可知接收功率和距离有关，当接收功率低于阈值时就无法检测到信号。因此单位时间信号到达次数与扫描标签距离有关。

扫描多标签时将每次接收到的标签数据进行比对，完整的且未重复的数据帧保存在缓存数组中，并为其分配一个计数器。在下一次检测到该标签时增加计数器的值，计数器值最高的标签则为当前距离阅读器最近的标签，将其保存。其他数据帧则舍弃，在多标签扫描中确定当前标签。

4 实验测试

为测试手持机读写标签性能以及与设备管理平台通信功能，对RFID手持机系统进行测试，实物如图11所示。测试实验具体条件为：读写器发射功率设为最大功率27 dBm，频率设为满足协议标准的920 MHz，采用3 dBi增益的天线。

图11 RFID手持机扫描标签实物图

首先验证其对实验环境中电子标签的读写能力。在电子设备表面粘贴Alien-9662 电子标签，根据附着材料不同，读取距离L会产生变化，如图12 所示。

当电子标签贴于纸质物品表面时，读写距离最大，达到80 ～95 cm；当电子标签贴于塑料物品表面时，读写距离在60 ～80 cm范围内，满足设备管理需求；如果贴于金属物品表面时，读写距离急剧下降至1 ～3 cm，严重影响使用。可以采取粘贴特殊的抗金属标签进行改进，其单价较贵。

图12 电子标签附着在不同材质上的读写距离

为验证手持机与管理平台之间的通信能力，进行如下实验。操作人员在PC 上打开设备管理平台，通过手持机扫描自己的ID 卡进入设备入库页面。在填写基本信息后，平台将所需入库设备名称传输至手持机并在液晶屏上显示设备名称。扫描待入库设备上标签，将获取的数据发送到平台EPC 编码栏中，实现设备入库的过程。借用设备时，当借用申请在管理平台被批准之后，平台将信息发送给手持机，显示设备名称与存放地。手持机扫描完设备EPC 码将其发送给管理平台，平台将对应设备标注为“已借出”，完成借用流程。该实验验证了手持机与设备管理平台之间的通信准确可靠。

图13 获取设备EPC编码

5 结 语

本文设计的基于双RFID 的电子设备管理系统手持机，实验结果表明：手持机配合设备管理平台可以完成对电子设备的全周期状态管理，包含入库、借用、维修及报废等整个流程，达到预期要求；手持机可以完成电子设备信息和人员信息的读取，并能及时与管理平台进行数据交互，实现设备借用流程的规范化与无纸化管理，很好地解决了人工管理的不足；由于电子设备存放情况较复杂，对于一些强电磁干扰设备表面的电子标签不能很好地进行读取，这是下一步需要改善的地方。