基于RFID的危險(xiǎn)品管理系統(tǒng)

賴(lài)玨竹，原溪晨，劉致躍，薛峰軍

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 天津 300380；2.武漢奔跑吧教育研究院 武漢 430000）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，由于工業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)研究的需要，人們接觸與使用的危險(xiǎn)物品（如：化學(xué)藥品、易燃易爆危險(xiǎn)品等）越來(lái)越多。日前，高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸、易燃易爆品倉(cāng)庫(kù)失火等由于危險(xiǎn)品引發(fā)的事故頻發(fā)。所以，危險(xiǎn)品該如何管理的問(wèn)題受到越來(lái)越多人的關(guān)注。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，RFID 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能安保、生產(chǎn)自動(dòng)化、公共交通等領(lǐng)域[1]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用RFID 技術(shù)對(duì)危險(xiǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生，或在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，以便進(jìn)行及時(shí)有效的控制。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block

1 簡(jiǎn)介

1.1 RFID概述

RFID 是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息[2]。RFID 系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、應(yīng)用接口、RFID 中間件與管理系統(tǒng)等構(gòu)成。標(biāo)簽由天線(xiàn)和芯片組成，天線(xiàn)在標(biāo)簽及讀卡器之間起到傳遞射頻信號(hào)的作用，芯片里面保存每個(gè)標(biāo)簽具有的唯一電子編碼和用戶(hù)數(shù)據(jù)。每個(gè)標(biāo)簽都具有全球唯一的ID—UID，UID 不能被用戶(hù)修改，用戶(hù)可對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)、覆蓋等操作。讀寫(xiě)器是讀?。ɑ?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備，可對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別、讀取、寫(xiě)入操作。RFID中間件是將底層RFID 硬件和上層應(yīng)用結(jié)合在一起的媒介，具有提供安全讀寫(xiě)操作、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.2 創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)查閱相關(guān)資料，RFID 在國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)品管理方面較多的是對(duì)燃?xì)馄康墓芾?。上海市為?shí)現(xiàn)燃?xì)馄康谋O(jiān)控和管理，在全市數(shù)以萬(wàn)計(jì)的鋼瓶上都粘貼了RFID 電子標(biāo)簽[3]；2014 年鄭州市在全市的車(chē)載燃?xì)馄可贤茝V應(yīng)用RFID 標(biāo)簽；同年，太原市也將RFID 技術(shù)應(yīng)用到液化氣鋼瓶上。這些應(yīng)用為RFID 在危險(xiǎn)品管理領(lǐng)域的運(yùn)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，保證了燃?xì)馄抗?yīng)鏈的安全[4]。但是與先進(jìn)國(guó)家智能化、全方位的管理系統(tǒng)相比，國(guó)內(nèi)的RFID 技術(shù)在危險(xiǎn)品管理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用依然存在較大差距[5]。本設(shè)計(jì)主要解決了以下問(wèn)題：

1）解決了局域網(wǎng)對(duì)管理場(chǎng)合的限制，進(jìn)一步保護(hù)了管理者的生命安全。

2）解決了人員使用信息管理不全，不詳細(xì)。

3）解決目前超高頻射頻技術(shù)由于輻射距離過(guò)遠(yuǎn)造成的電子標(biāo)簽識(shí)別誤差。

4）降低了成本。

5）遠(yuǎn)距離（＞20cm）靈敏地判斷危險(xiǎn)品信息。

6）隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)更加智能化。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分由危險(xiǎn)品存放柜、超高頻RFID 讀寫(xiě)器、低頻RFID 讀寫(xiě)器、控制器MCU、PC 機(jī)或Android 手機(jī)組成。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2.1 危險(xiǎn)品存放柜

本系統(tǒng)使用鐵皮柜子作為危險(xiǎn)品存放柜，一是由于鐵皮柜子具有較強(qiáng)的抗壓性及抗腐蝕性；其次，利用鐵皮柜子的屏蔽特性，使貼有電子標(biāo)簽的危險(xiǎn)品一旦被開(kāi)柜取出，就無(wú)法被柜內(nèi)的讀卡器識(shí)別到。這樣即可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映危險(xiǎn)品使用時(shí)間、擺放位置等信息。

2.2 超高頻RFID讀寫(xiě)器

使用超高頻且功率較低的Magic RF系列的讀寫(xiě)器芯片，與其他同類(lèi)型、同功能的芯片相比，具有低電壓、低功耗、小尺寸、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。采用此讀寫(xiě)器通過(guò)尋址的方式對(duì)多天線(xiàn)進(jìn)行尋址，并讀取掛于危險(xiǎn)品上的電子標(biāo)簽。例如，在一個(gè)多層鐵皮柜子中放置一個(gè)RFID 讀寫(xiě)器，在柜子每一層放置一個(gè)天線(xiàn)，讀卡器通過(guò)對(duì)天線(xiàn)尋址進(jìn)而得知每一層放置的所有危險(xiǎn)品信息。

由于本系統(tǒng)采用的是低功率的Magic RF QM100 讀寫(xiě)器芯片，其識(shí)別距離在3m 左右，可以識(shí)別到一個(gè)鐵皮柜子中所有的危險(xiǎn)品。并且，其信號(hào)可以被鐵皮柜子所屏蔽，一旦物品被取走便無(wú)法識(shí)別，既滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)需求，又降低了成本。

2.3 低頻RFID讀寫(xiě)器

使用低頻RFID 讀寫(xiě)器作為危險(xiǎn)品存放柜上的電子密碼鎖，用來(lái)識(shí)別打開(kāi)柜子的操作人員信息。采用MFRC522非接觸式（13.56MHz）讀寫(xiě)器芯片，讀寫(xiě)距離在10cm 之內(nèi)；使用S50 非接觸式無(wú)源IC 卡，自帶天線(xiàn)，容量為8K位EEPROM，且每張卡具有唯一序列號(hào)（32 位）。

操作人員每人對(duì)應(yīng)一張IC 卡，在使用危險(xiǎn)品時(shí)，先刷卡解鎖，此時(shí)人員信息被錄入系統(tǒng)。同理，使用后歸還時(shí)信息同樣被記錄。這樣便實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)物品存取的實(shí)名制管理。

2.4 機(jī)智云平臺(tái)

機(jī)智云平臺(tái)是致力于物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件云服務(wù)的開(kāi)放平臺(tái)。機(jī)智云云端提供了產(chǎn)品的定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)點(diǎn)定義、虛擬設(shè)備調(diào)試、M2M 服務(wù)、API 服務(wù)等功能，為設(shè)備、應(yīng)用接入提供云服務(wù)。設(shè)備端的模組系統(tǒng)GAgent，通過(guò)使用GAgent，根據(jù)機(jī)智云提供的協(xié)議與GAgent 對(duì)接，使設(shè)備可以快速接入。目前，已兼容國(guó)內(nèi)主流的WIFI 模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊。機(jī)智云提供了基于iOS、Android 系統(tǒng)的IOT SDK。通過(guò)SDK 可快速實(shí)現(xiàn)APP 開(kāi)發(fā)，無(wú)縫接入機(jī)智云，并根據(jù)SDK 獲取機(jī)智云平臺(tái)逐步推出的新服務(wù)。

2.5 主控制器

系統(tǒng)以STM32F103 為主控制器，STM32 和旗連讀寫(xiě)器（超高頻讀寫(xiě)器）通過(guò)串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，讀取危險(xiǎn)品信息。STM32 與低頻讀寫(xiě)器MFRC522 進(jìn)行SPI 通信，讀取操作人員信息，并通過(guò)STM32 和WIFI 模塊將讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)上傳到云端和PC 端，可以通過(guò)手機(jī)或PC 端登錄局域網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 算法設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 危險(xiǎn)品出入庫(kù)管理及信息的獲取與傳輸

為實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)品進(jìn)出時(shí)間和操作人員信息的嚴(yán)格管理，需要實(shí)時(shí)獲得存放柜中每件危險(xiǎn)品的狀態(tài)、密碼鎖的狀態(tài)。

1）庫(kù)內(nèi)管理

采用多天線(xiàn)尋址的方式獲得危險(xiǎn)品的實(shí)時(shí)狀態(tài)。將讀卡器與天線(xiàn)進(jìn)行有線(xiàn)連接后對(duì)天線(xiàn)按照順序進(jìn)行尋址訪(fǎng)問(wèn)，讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)獲得標(biāo)簽信息，每個(gè)天線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的柜子編號(hào)。因此，系統(tǒng)能準(zhǔn)確顯示每個(gè)小柜子內(nèi)的危險(xiǎn)品的名稱(chēng)以及該危險(xiǎn)品所在位置。

2）出庫(kù)管理

當(dāng)操作人員用IC 卡打開(kāi)存放柜外的電子密碼鎖時(shí)，非接觸式低頻RFID 讀寫(xiě)器讀取IC 卡信息，即系統(tǒng)記入操作人員信息。由于柜子對(duì)射頻信號(hào)傳播的屏蔽性，當(dāng)柜內(nèi)物品被操作人員取出時(shí)，柜內(nèi)讀寫(xiě)器無(wú)法接收到物品已被取出柜子的信息，記錄此刻時(shí)間，即為危險(xiǎn)品被取出的時(shí)間。因此，每個(gè)危險(xiǎn)品出庫(kù)時(shí)，均可以準(zhǔn)確獲取操作人員信息、出庫(kù)時(shí)間。

3）入庫(kù)管理

同理，操作人員將危險(xiǎn)品放回，打開(kāi)存放柜時(shí)其身份信息被記入，危險(xiǎn)品放回原位置，柜內(nèi)讀寫(xiě)器又可以獲得標(biāo)簽信息，這一時(shí)刻被記作危險(xiǎn)品入庫(kù)時(shí)間。這樣，危險(xiǎn)品入庫(kù)時(shí)同樣可以獲取操作人員信息及入庫(kù)時(shí)間信息。

具體算法如下：超高頻讀寫(xiě)器t 時(shí)刻對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行尋址，判斷第i 個(gè)天線(xiàn)是否返回?cái)?shù)據(jù)，若返回?cái)?shù)據(jù)，則讀寫(xiě)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并通過(guò)WIFI 上傳至云端；若未返回?cái)?shù)據(jù)，則第i 個(gè)的危險(xiǎn)品被取走，單片機(jī)將取走危險(xiǎn)品信息進(jìn)行上傳。同時(shí)，柜外的低頻讀寫(xiě)器讀取t 時(shí)刻標(biāo)簽信息，將信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)解碼得到操作人員訪(fǎng)問(wèn)信息，上傳至云端。這樣，危險(xiǎn)品的實(shí)時(shí)信息均保存至云端，可通過(guò)手機(jī)端與PC 端隨時(shí)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體算法流程圖如圖2 所示。

3.2 PC端訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)

PC 端上位機(jī)軟件基于Visual Studio Code 平臺(tái)開(kāi)發(fā)。通過(guò)建立窗體、建立按鈕、文本框的方式實(shí)現(xiàn)軟件界面，通過(guò)引入time 控件，建立定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的讀取。打開(kāi)PC 端軟件，輸入IP 號(hào)后，點(diǎn)擊開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)即可得到此時(shí)存放柜內(nèi)危險(xiǎn)品的信息。

3.3 手機(jī)端APP訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)

圖2 系統(tǒng)總體算法流程圖Fig.2 System overall algorithm flowchart

在Android Studio 平臺(tái)上利用java 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Android 端軟件具有界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看等優(yōu)點(diǎn)，適合于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。程序分為：登陸云端服務(wù)器，獲取云端數(shù)據(jù)及頁(yè)面顯示三部分。手機(jī)端不僅可以隨時(shí)隨地對(duì)危險(xiǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，獲取信息，還能通過(guò)云端訪(fǎng)問(wèn)歷史數(shù)據(jù)，使得管理更加方便快捷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)主要用于易燃易爆的危險(xiǎn)品、腐蝕品及貴重器材的管理，可以確保操作人員及管理人員的人身安全，提高管理效率，具有廣泛應(yīng)用。例如，可應(yīng)用于存放化學(xué)試劑或的貴重儀器儀表的高校實(shí)驗(yàn)室，或存儲(chǔ)易燃易爆物品的倉(cāng)庫(kù)等。其優(yōu)點(diǎn)在于具有較好的實(shí)時(shí)性，打破了局域網(wǎng)的限制。具有較好的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在危險(xiǎn)品信息的實(shí)時(shí)獲取及顯示，管理人員可以隨時(shí)查看危險(xiǎn)品情況，做到有危險(xiǎn)早發(fā)現(xiàn)；打破局域網(wǎng)的限制是指可以在移動(dòng)端隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)，假設(shè)倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防員可在手機(jī)APP 上遠(yuǎn)程查看到倉(cāng)庫(kù)危險(xiǎn)品的分布信息，盡快確定起火源頭。盡管RFID 技術(shù)提高了危險(xiǎn)品管理的效率，但仍存在RFID 標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和存在輻射等問(wèn)題。但相信隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些問(wèn)題將會(huì)得到解決，RFID 將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。