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基于RFID的危險(xiǎn)品管理系統(tǒng)

2020-06-03 10:52賴玨竹原溪晨劉致躍薛峰軍
儀器儀表用戶 2020年6期
關(guān)鍵詞:讀寫器危險(xiǎn)品天線

賴玨竹,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,高校化學(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)簽由天線和芯片組成,天線在標(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 不能被用戶修改,用戶可對(duì)用戶數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行讀寫、覆蓋等操作。讀寫器是讀取(或?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 讀寫器、低頻RFID 讀寫器、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讀寫器

使用超高頻且功率較低的Magic RF系列的讀寫器芯片,與其他同類型、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)。采用此讀寫器通過(guò)尋址的方式對(duì)多天線進(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 讀寫器,在柜子每一層放置一個(gè)天線,讀卡器通過(guò)對(duì)天線尋址進(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,既滿足了設(shè)計(jì)需求,又降低了成本。

2.3 低頻RFID讀寫器

使用低頻RFID 讀寫器作為危險(xiǎn)品存放柜上的電子密碼鎖,用來(lái)識(shí)別打開柜子的操作人員信息。采用MFRC522非接觸式(13.56MHz)讀寫器芯片,讀寫距離在10cm 之內(nèi);使用S50 非接觸式無(wú)源IC 卡,自帶天線,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 和旗連讀寫器(超高頻讀寫器)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)。將讀卡器與天線進(jìn)行有線連接后對(duì)天線按照順序進(jìn)行尋址訪問(wèn),讀寫器通過(guò)天線獲得標(biāo)簽信息,每個(gè)天線對(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 卡打開存放柜外的電子密碼鎖時(shí),非接觸式低頻RFID 讀寫器讀取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:超高頻讀寫器t 時(shí)刻對(duì)天線進(jìn)行尋址,判斷第i 個(gè)天線是否返回?cái)?shù)據(jù),若返回?cái)?shù)據(jù),則讀寫器通過(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端訪問(wèn)數(shù)據(jù)

PC 端上位機(jī)軟件基于Visual Studio Code 平臺(tái)開發(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PC 端軟件,輸入IP 號(hào)后,點(diǎn)擊開始監(jiān)聽即可得到此時(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)訪問(wèn),獲取信息,還能通過(guò)云端訪問(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。

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