基于双频RFID技术的载体管理系统设计

孙 宇，罗 丹

（中国电子科技集团公司 第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

在各类科研院所、政府机关和军警部门日常工作中，存在大量重要载体[1]在单位内部场所、外场工作环境流转的情况，对载体进行精准管控十分必要。传统载体管理主要通过手工记录、人工计算等方式进行，存在信息化程度低、信息更新不及时、差错风险等问题，管理者难以及时、准确地了解载体流转情况，造成信息安全隐患和人力资源的浪费。

RFID（射频识别）技术是一种非接触式自动识别技术，可以通过无线电波识别、处理包含在一个或多个移动设备中的信息[2]。近些年，该技术已被广泛应用于零售、制造、医疗、物流仓储等领域，在提高物品管理效率方面发挥出显著的效果[3]。

目前，应用RFID技术实现物品或载体管控的系统多采用单一频段标签[4-5]，不能满足载体在内、外场流转过程的全生命周期管理需求。针对载体数量多、检查难、使用环境复杂、易丢失等情况，本文设计了一种基于双频RFID技术的载体管理系统，该系统结合了UHF RFID、HF RFID的技术特点，解决了单一频段标签在载体管理中的局限性，实现了载体从产生、交接到销毁的全过程管控。

1 载体管理系统组成及工作原理

载体管理系统主要包括双频RFID标签、数据采集模块、系统控制模块、数据存储模块、报警模块以及传输模块。基于双频RFID技术的智能载体管理系统组成如图1所示。

1.1 双频RFID标签

RFID标签由标签芯片及天线组成，标签芯片拥有唯一的电子编码，可以标识相应物体，完成识别。RFID标签的功能模块构成如图2所示，其主要由射频模拟前端、数字控制器、存储器等组成[6]。

（1）射频模拟前端主要包括对信号的调制和解调，对数字部分提供时钟以及对标签芯片提供电源管理；

（2）数字控制器主要完成防冲突控制、安全认证、CRC校验、收发以及接口控制；

（3）存储器用于存储用户数据、厂商信息和UID等信息。

图1 基于双频RFID技术的智能载体管理系统组成

图2 RFID标签的功能模块构成

本系统所采用的标签为HF/UHF频段无源双频RFID标签，如图3所示。标签由EM4423芯片HF标签天线以及UHF标签天线构成，可以实现批量标签远距离的读取以及近距离单一标签的数据交换。

1.2 数据采集模块

数据采集需借助系统中的RFID标签信号采集端，其由不同频段的RFID读写器构成。

图3 HF/UHF双频RFID标签构成示意图

RFID读写器用于读写应答信息，是RFID系统的信息处理设备，主要利用射频信号以空间耦合的方式进行非接触式信息传递[7]。频率较低、识别距离较近的RFID系统读写器的耦合方式为基于变压器模型的电感耦合（应用于本系统HF频段）；频率较高、识别距离较远的RFID系统读写器的耦合方式为基于雷达原理的电磁反向散射耦合（应用于本系统UHF频段）。RFID读写器组成如图4所示[8]。

图4 RFID读写器组成

本系统根据不同应用场景将数据采集块分为本地载体RFID数据采集模块以及外场载体RFID数据采集模块。本地载体RFID标签数据采集模块主要包括UHF RFID读写器、HF/NFC读写器，分别实现本地载体的群识别以及单一载体信息交互功能；外场载体RFID数据采集模块主要包括HF/NFC终端（NFC手机），可实现外场载体RFID数据交互功能。

1.3 传输模块和数据存储模块

传输模块为系统提供数据信息传输和控制信息传输功能，数据存储模块用于存储系统内部所有的业务数据。

对于本地载体RFID标签信息的传输主要采用有线局域网、无线透传模块等，信息的存储主要采用本地数据存储单元；对于外场载体RFID标签信息的传输主要采用WiFi模块，或4G、5G移动通信网络模块等；信息的存储主要采用云端数据存储单元，可实现载体信息的远程操作。

1.4 系统控制模块以及报警模块

系统控制模块具有载体管理控制以及数据信息处理功能，主要完成载体RFID编码管理、系统报警、数据信息以及控制信号处理等。报警模块为系统提供载体状态异常报警功能，执行系统控制模块发送的报警指令。

2 系统软件设计

载体管理系统软件平台包括三种使用权限，分别为一般职员、保密员以及管理员，平台根据数据处理状态采用三层结构，如图5所示。

（1）感知层：使用双频RFID无源标签对每个需要管理的载体进行标识以及后台数据库设置，通过跟踪点读写器、盘检、入库读写器从标签获取相关载体信息，或者将信息写入载体标签。

（2）网络层：可以根据实际使用需求选择无线局域网、无线广域网等进行传输覆盖，负责RFID读写器与载体管理平台之间的双向数据传输。

（3）应用层：该层由共享数据库、共享信息存储、系统功能及用户API组成，提供载体管理、标签管理、盘检管理、统计分析等多项业务功能，该层基于多个权限的用户模型设计，可为多个部门同时提供智能载体管理服务。

图5 系统软件架构

系统软件部分主要包括数据库系统、载体管理平台、载体监控平台、数据处理中间件等。载体监控平台完成对目标载体标签数据的实时获取，并对数据库进行实时更新。载体管理平台将根据不同的应用，对数据库中的信息进行相应算法处理，实现对应功能。数据处理中间件软件系统完成对大量标签数据的冗余算法处理，确保标签信息的准确率以及批量读取标签信息的读取速率。

3 系统典型应用分析

基于双频RFID技术的载体管理系统应用示意如图6所示。

图6 系统应用示意图

系统典型工作过程如下：

（1）为新制作的重要载体粘贴双频RFID标签；

（2）通过NFC读写器识别该载体标签，在系统控制模块中输入相应载体信息，为载体建立入库台帐，信息确认无误后，系统控制模块将相应的载体信息存储到本地数据存储模块以及外场数据存储模块中；

（3）将载体放入载体柜中，此时管理系统会识别柜内载体数量的变化，并将最新柜内载体信息保存到本地数据存储模块中以及外场数据存储模块中；

（4）当有外场任务需要携带该载体外出时，工作人员从载体柜中取出载体，关上载体柜后，系统控制模块识别出柜内载体减少一份，此时告警系统启动；

（5）工作人员通过系统控制模块调用NFC读写器，对该载体进行出库登记，告警系统关闭，载体被带出，本地数据存储模块以及外场数据存储模块将对载体状态信息进行更新；

（6）在携带载体外出过程中，工作人员通过NFC手机以及外场传输模块实时更新载体的状态信息，管理人员能够在系统控制模块中查询到外出载体状态。

4 结 语

本文提出了一种基于双频RFID技术的载体管理系统设计方案，实现从产生、交接到销毁的全过程管控。在受控载体表面粘贴双频RFID标签，通过NFC读写器实现载体的入库、出库管理。将载体存储在安装有UHF RFID读写器的载体柜时，用户能够在系统控制模块中实时获取柜内所有载体信息；系统控制模块通过对比数据存储模块中的历史载体信息和柜内实时载体信息，完成载体状态判断，状态异常时报警。携带载体外出时，可以通过NFC手机实时上报载体信息；在外场制作涉密载体，可以通过NFC手机端即时为载体建立台帐，管理人员能够在系统控制模块中完成对外出载体的远程有效管控。