羅 丹

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

在各類軍警部門、科研院所及企事業(yè)單位日常工作中，經(jīng)常面臨著對重要儀器儀表、物資裝備及涉密資產(chǎn)等重要物品的管理[1]。這類物品由于本身承載著重要信息，在實際管理過程中因為其使用場所較分散、工作區(qū)域內(nèi)及區(qū)域外流轉(zhuǎn)率高等特點，使其集中管控實現(xiàn)困難[2]。依靠記賬、人工流程派單等傳統(tǒng)管理方式導(dǎo)致管理滯后、監(jiān)管程度低以及重要物品丟失等安全隱患依然存在。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及信息傳感技術(shù)的不斷發(fā)展、迭代，利用信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)通過某種協(xié)議將任一物品連接起來，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理方式的“物聯(lián)網(wǎng)”模式[3]已被廣泛應(yīng)用到物流跟蹤、物資管理、智慧農(nóng)業(yè)、食品追溯等眾多領(lǐng)域，在提高面向大量目標(biāo)集群、分布式管理效率方面發(fā)揮了顯著作用[4]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物品管理已在智能制造、智能倉儲及智慧物流等典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域逐步實現(xiàn)[5]，其中多基于有源、無源RFID標(biāo)簽技術(shù)[6]、NFC技術(shù)以及條碼標(biāo)簽技術(shù)[7]實現(xiàn)對物品的識別及管控。本文根據(jù)重要物品的實際特點，設(shè)計了基于低功耗RFID電子標(biāo)簽的重要物品管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可復(fù)用、多種識別方式的標(biāo)簽技術(shù)對重要物品從產(chǎn)生到流轉(zhuǎn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行有效實時管控。

1 低功耗RFID電子標(biāo)簽設(shè)計

1.1 RFID系統(tǒng)組成

RFID（射頻識別）系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、閱讀器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成[8]。RFID系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)組成框圖

（1）電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽內(nèi)含有唯一識別碼，用來標(biāo)示其所附著的對象。當(dāng)電子標(biāo)簽接收到閱讀器的發(fā)射信號時，電子標(biāo)簽被“喚醒”，同時根據(jù)射頻指令完成相應(yīng)的動作，并將響應(yīng)信息反饋給閱讀器。

（2）閱讀器

閱讀器將“喚醒”信號和指令信號射頻傳遞給電子標(biāo)簽，從接收到的電子標(biāo)簽所反饋信息中對信號進(jìn)行解碼、初步過濾、去冗余等處理，完成對電子標(biāo)簽信息的獲取和解析，將有用的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互。

（3）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理。在RFID系統(tǒng)中，根據(jù)電子標(biāo)簽獲得能量的方式，系統(tǒng)主要分為有源RFID系統(tǒng)和無源RFID系統(tǒng)[9]。本文所設(shè)計的RFID系統(tǒng)為有源RFID系統(tǒng)，系統(tǒng)中所使用的標(biāo)簽為有源RFID標(biāo)簽。

1.2 低功耗RFID電子標(biāo)簽

本文所設(shè)計的RFID電子標(biāo)簽為有源電子條碼標(biāo)簽，集成了2.45 GHz頻段、HF頻段、二維碼等識別模式通信接口，通過2.45 GHz RFID讀寫器、HF RFID讀寫器、NFC讀寫器和掃碼槍等多種識別終端可對其進(jìn)行操作。低功耗RFID電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。

低功耗RFID電子標(biāo)簽由電源模塊、條碼顯示電子紙模塊、CC2500射頻收發(fā)模塊、開關(guān)模塊、NFC近場通信模塊、STM32主控制器模塊及天線模塊構(gòu)成。用戶通過NFC終端、標(biāo)簽中的NFC近場通信模塊及NFC天線模塊實現(xiàn)對物品標(biāo)簽中的電子紙顯示條碼信息的控制，通過STM32主控模塊對開關(guān)模塊的設(shè)置實現(xiàn)CC2500射頻收發(fā)模塊的激活、休眠及關(guān)閉模式間的切換，實現(xiàn)合理降耗。

圖2 低功耗RFID電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)原理框圖

2 重要物品管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計的重要物品管理系統(tǒng)主要包括低功耗RFID電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和報警模塊。基于低功耗RFID電子標(biāo)簽技術(shù)的重要物品管理系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 基于低功耗RFID電子標(biāo)簽技術(shù)的重要物品管理系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊為標(biāo)簽信號采集端，包括本地標(biāo)簽信號集群采集端、本地近場標(biāo)簽信號采集端和外場標(biāo)簽信號采集端，由不同頻段的RFID閱讀器、二維碼掃碼器、移動掃碼終端及移動NFC終端構(gòu)成。每一件受管控的重要物品表面均固定一枚低功耗RFID電子標(biāo)簽，通過NFC數(shù)據(jù)采集端或者二維碼數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行本地近場信號采集實現(xiàn)物品的入庫、出庫管理，將物品放入管控區(qū)域中，通過固定2.45 GHz RFID數(shù)據(jù)采集端，用戶能夠在系統(tǒng)控制模塊中實時讀取到有限空間內(nèi)所有物品的標(biāo)簽信息，系統(tǒng)控制模塊通過對比數(shù)據(jù)存儲模塊中歷史物品標(biāo)簽信息與實時空間內(nèi)的標(biāo)簽信息對當(dāng)前物品狀態(tài)進(jìn)行判斷，狀態(tài)異常時將啟動報警裝置。當(dāng)工作人員攜帶重要物品外出時，通過移動掃碼或移動NFC數(shù)據(jù)采集端實時上報重要物品信息，當(dāng)在外場產(chǎn)生重要物品時，工作人員通過移動數(shù)據(jù)采集端即時為需要管控的物品建立入庫臺賬，管理人員在系統(tǒng)控制模塊中對外場重要物品進(jìn)行遠(yuǎn)程管控。系統(tǒng)中的信號交互都通過傳輸模塊，根據(jù)本地傳輸以及遠(yuǎn)端傳輸實際要求來完成。傳輸方式主要包括有線網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及移動通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

重要物品管理系統(tǒng)實際應(yīng)用中的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]如圖4所示。它主要由管理應(yīng)用單元、數(shù)據(jù)交互單元、服務(wù)器單元、應(yīng)用單元、重要物品管理單元、邊界控制單元和區(qū)域定位單元組成。

圖4 重要物品管理系統(tǒng)實際應(yīng)用中的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）管理應(yīng)用單元。該單元中用戶使用系統(tǒng)控制模塊對重要物品進(jìn)行入庫、出庫等操作，并能夠?qū)崿F(xiàn)重要物品狀態(tài)的實時查詢以及管理平臺系統(tǒng)的基本設(shè)置。

（2）數(shù)據(jù)交互單元。該單元實現(xiàn)各單元間的數(shù)據(jù)交互。

（3）服務(wù)器單元。該單元實現(xiàn)重要物品數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)及業(yè)務(wù)功能。

（4）應(yīng)用單元。該單元由數(shù)據(jù)采集終端、低功耗RFID標(biāo)簽、接口轉(zhuǎn)換設(shè)備以及報警器等硬件元素組成。根據(jù)平臺實現(xiàn)的不同功能，應(yīng)用單元主要分為三部分：重要物品管理單元、邊界控制單元以及區(qū)域定位單元。

（5）重要物品管理單元。該單元實現(xiàn)重要物品標(biāo)簽的入庫以及重要物品狀態(tài)信息的實時讀取等功能。

（6）邊界控制單元。該單元對越界重要物品進(jìn)行實時數(shù)據(jù)捕獲，對未授權(quán)越界重要物品進(jìn)行告警。

（7）區(qū)域定位單元。該單元實時采集流動重要物品的位置信息并上傳服務(wù)器，結(jié)合數(shù)據(jù)庫以及RFID定位算法對流動重要物品進(jìn)行有效區(qū)域控制并定位。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

重要物品管理系統(tǒng)軟件功能設(shè)計部分主要包括物品庫管理、系統(tǒng)管理、安全管理以及接口管理四部分。物品管理系統(tǒng)軟件功能如圖5所示。

圖5 物品管理系統(tǒng)軟件功能

3 重要物品管理系統(tǒng)應(yīng)用過程分析

基于低功耗RFID電子標(biāo)簽技術(shù)的物品管理系統(tǒng)應(yīng)用示意如圖6所示。

物品管理系統(tǒng)典型工作過程如下。

（1）為新產(chǎn)生的重要物品固定一個低功耗RFID電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽上顯示的條形碼及對應(yīng)的標(biāo)簽編碼內(nèi)容由系統(tǒng)控制模塊通過NFC讀寫器、掃碼器等傳入標(biāo)簽內(nèi)，由電子標(biāo)簽顯示出來。

圖6 基于低功耗RFID電子標(biāo)簽技術(shù)的物品管理系統(tǒng)應(yīng)用示意

（2）通過掃碼槍或NFC閱讀器識別該重要物品標(biāo)簽，在系統(tǒng)控制模塊中輸入相應(yīng)的重要物品信息，為重要物品建立入庫臺賬，信息確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)控制模塊將相應(yīng)的重要物品信息存儲到本地數(shù)據(jù)存儲模塊，以及外場數(shù)據(jù)存儲模塊中，打開標(biāo)簽中2.45 GHz射頻信號開關(guān)，設(shè)置為頻率喚醒模式（WOR），設(shè)置標(biāo)簽偵聽模式及休眠模式的周期，標(biāo)簽將根據(jù)WOR模式下設(shè)置的休眠模式與偵聽模式相互轉(zhuǎn)換的時間進(jìn)行不同模式的周期性轉(zhuǎn)換。

（3）將重要物品放入管控區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽處于偵聽模式時得到管理系統(tǒng)分配的信道信息，將轉(zhuǎn)換為2.45 GHz信號發(fā)送、接收工作模式，將相關(guān)物品信息以及標(biāo)簽信息通過2.45 GHz頻段射頻信號發(fā)出，管理系統(tǒng)中會識別到區(qū)域內(nèi)受管控物品數(shù)量變化，并將區(qū)域內(nèi)最新的物品信息保存到本地數(shù)據(jù)存儲模塊中以及外場數(shù)據(jù)存儲模塊中。

（4）當(dāng)有外場任務(wù)需要攜帶某重要物品時，工作人員從管控區(qū)域中取出目標(biāo)物品，通過手持NFC終端或掃碼終端，關(guān)掉目標(biāo)物品中2.45 GHz射頻信號開關(guān)，系統(tǒng)控制模塊將識別出區(qū)域內(nèi)物品的變化情況，此時告警系統(tǒng)啟動。

（5）工作人員通過系統(tǒng)控制模塊、手持NFC終端或掃碼終端，對該物品進(jìn)行出庫登記，告警系統(tǒng)關(guān)閉，目標(biāo)物品被帶出，本地以及外場數(shù)據(jù)存儲模塊將對重要物品狀態(tài)信息進(jìn)行更新。

（6）在攜帶目標(biāo)物品外出過程中，工作人員通過手機掃碼或NFC手機實時更新物品的狀態(tài)信息，管理人員能夠在系統(tǒng)控制模塊中查詢到外出物品狀態(tài)。

（7）當(dāng)外場產(chǎn)生重要物品時，工作人員為新產(chǎn)生的重要物品固定外出時攜帶的備用低功耗RFID電子標(biāo)簽，通過掃碼/NFC手機上傳該物品信息至數(shù)據(jù)存儲模塊對目標(biāo)物品建賬，管理人員可通過系統(tǒng)實時跟蹤新產(chǎn)生的重要物品狀態(tài)。

（8）當(dāng)一個低功耗RFID電子標(biāo)簽需要為一個新的物品進(jìn)行標(biāo)識時，管理人員通過系統(tǒng)控制模塊以及RFID閱讀器對標(biāo)簽的ID進(jìn)行更改，并將相應(yīng)的條碼以及數(shù)字顯示到電子紙顯示模塊上，同時通過更改數(shù)據(jù)存儲模塊中的相關(guān)信息對標(biāo)簽對應(yīng)的新入賬物品進(jìn)行系統(tǒng)注冊。打開標(biāo)簽中2.45 GHz射頻信號開關(guān)并設(shè)置該頻段內(nèi)的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，使2.45 GHz射頻信號模式激活，標(biāo)簽?zāi)軌蜷_始使用，達(dá)到標(biāo)簽復(fù)用的效果。

4 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計一種基于低功耗RFID電子標(biāo)簽技術(shù)的重要物品管理系統(tǒng)設(shè)計方案，對內(nèi)、外場工作中流轉(zhuǎn)的重要儀器儀表、物資裝備及涉密資產(chǎn)實現(xiàn)了全過程管控。低功耗RFID電子標(biāo)簽采用了多種識別模式通信接口，通過電子標(biāo)簽技術(shù)使被附著對象的ID編碼可視化、可變化，滿足條碼標(biāo)簽的復(fù)用需求。重要物品管理系統(tǒng)基于低功耗RFID電子標(biāo)簽設(shè)計，擴(kuò)大了接入系統(tǒng)的終端種類及數(shù)量，既能實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)重要物品的集群式實時管控，也能夠?qū)χ匾锲愤M(jìn)行遠(yuǎn)程移動式管理。