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，射頻識別(radio frequency identification，RFID)作為一種非接觸式自動識別技術(shù)，在公共安全、倉儲物流、智慧城市等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。射頻識別裝置的基本工作原理是利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動物體的識別[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流程既繁瑣又低效。針對這個問題，現(xiàn)有的解決方案是利用移動讀寫器(或手持機(jī))掃描條形碼進(jìn)行檔案上架、盤點等操作[5]，利用磁條和條形碼技術(shù)實現(xiàn)檔案的借還；但要實現(xiàn)檔案的盤點就要逐個掃描每個密集架內(nèi)的格子，效率低下，而且不能及時地實現(xiàn)檔案的錯位管理[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，以實現(xiàn)檔案的快速入庫，檔案儲位的快速調(diào)整，檔案錯位的及時發(fā)現(xiàn)，從而提高檔案管理效率和質(zhì)量，最終實現(xiàn)檔案管理智能化[7]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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，其中每個貼有標(biāo)簽的文件夾都有一個RFID讀寫器與之對應(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，實現(xiàn)RFID標(biāo)簽信息的錄入也即檔案的入庫?！白x”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)，實現(xiàn)檔案信息的存儲、盤查等。最后由PC機(jī)對所有上傳的檔案數(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號表示每個RFID標(biāo)簽的唯一編碼號；名稱表示RFID標(biāo)簽對應(yīng)檔案文件的名稱，由用戶通過寫命令實現(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被測區(qū)域是否有文件靠近或離開，當(dāng)檢測到有文件靠近或離開時，紅外光電傳感器發(fā)射數(shù)字信號給單片機(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)來的信號之后將其轉(zhuǎn)換成射頻信號，再通過天線對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)簽信息并實現(xiàn)其分類、存儲和讀取等操作，同時實現(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

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)，因為它采用高級STM8內(nèi)核，具有3級流水線哈佛結(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，支持多個定時器中斷等[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被測區(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，它發(fā)送信號至單片機(jī)，單片機(jī)收到此信號會激活無線射頻模塊。在文件狀態(tài)不發(fā)生變化時，單片機(jī)不會接收到信號，則無線射頻模塊不會被激活，在此期間，無線射頻模塊處于休眠狀態(tài)，從而實現(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)前檢測區(qū)域沒有文件遮擋時，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)，此時傳感器信號輸出端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)射的紅外線會被反射回來，光敏三極管CE導(dǎo)通，此時傳感器信號輸出端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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量的傳輸[11]。相比于有線識別模塊，無線射頻模塊以非接觸方式識別，其使用更加方便且不會對文件夾造成損壞；同時無線射頻技術(shù)具備掃描速度快、耐久性好、安全性高、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改等優(yōu)勢，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[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，PCB天線的線圈會產(chǎn)生一個磁場，一部分磁場會穿過RFID標(biāo)簽的線圈，由磁生電原理，卡片天線會感應(yīng)出一個電壓，這個電壓會讓卡片的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：用一個晶振來產(chǎn)生MFRC522所需工作頻率13.56 MHz，同時會產(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調(diào)整到13.56 MHz附近，增加PCB線圈上的信號幅度，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組成一個分壓電路，以改變RX處的信號幅度；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

系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)主程序(TCRT5000傳感器模塊采集信號及發(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，配置中斷模式)，然后系統(tǒng)進(jìn)入等待模式，直到TCRT5000檢測到當(dāng)前檢測區(qū)域有文件時，通過EXIT INT引腳向CPU發(fā)送中斷請求，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檢測到EXIT INT引腳發(fā)來的中斷請求時，單片機(jī)向無線射頻模塊發(fā)送讀/寫的數(shù)字信號，無線射頻模塊接收到此數(shù)字信號后將其轉(zhuǎn)化為射頻信號，通過天線對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、讀卡、寫卡等操作。

圖8 中斷服務(wù)程序流程圖

圖9 硬件測試圖

上位機(jī)測試界面如圖10所示，測試結(jié)果表明：1)該系統(tǒng)結(jié)合TCRT5000光電傳感器，能夠準(zhǔn)確地檢測當(dāng)前的文件狀態(tài)，檢測距離約為3.75 cm；2)該系統(tǒng)能快速地對RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫操作，平均讀/寫時間為20 ms，且讀卡和寫卡的系統(tǒng)返回數(shù)據(jù)和程序設(shè)定相符，沒有發(fā)生漏讀或錯讀的現(xiàn)象，能快速而準(zhǔn)確地實現(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組實驗數(shù)據(jù)，其寫卡響應(yīng)為

其中：id號表示當(dāng)前測試的RFID標(biāo)簽的唯一編碼號；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)檔案柜的實際情況進(jìn)行編碼。當(dāng)RFID標(biāo)簽信息都寫入后就與id號形成了一一對應(yīng)關(guān)系，由此可以實現(xiàn)檔案的快速盤查、出庫和借閱登記等。

圖10 上位機(jī)測試圖

圖10所標(biāo)出的第2組實驗數(shù)據(jù)，其讀卡響應(yīng)為

其中：id號表示當(dāng)前測試的RFID標(biāo)簽的唯一編碼號；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檔案的數(shù)據(jù)幀信息。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于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)測的方式，實現(xiàn)了檔案文件狀態(tài)的監(jiān)測，數(shù)據(jù)的讀/寫。相比于傳統(tǒng)的人工掃描和條形碼檢測，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RFID讀卡器讀取一個檔案文件的方式，相比于一對多的讀卡器其成本更低，且更加準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)錯讀漏讀的現(xiàn)象。通過使用光電傳感器來檢測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，實現(xiàn)整個系統(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。