張?zhí)靿?，?銘，程慈航

（北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 交通數(shù)據(jù)分析與挖掘北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引 言

隨著新型工業(yè)化進(jìn)程的不斷深化，越來(lái)越多的基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)環(huán)境、高端裝備需要進(jìn)行定時(shí)檢修與維護(hù)。隨著檢修流程的日益復(fù)雜和所涉及的專業(yè)工具不斷增多，需要對(duì)作業(yè)環(huán)境中所涉及的工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，以提升作業(yè)效率，增強(qiáng)作業(yè)過(guò)程的安全性。目前，在傳統(tǒng)的電力線路檢修、高速公路維護(hù)和新型的5G物聯(lián)網(wǎng)基建、新能源汽車充電樁的部署等大量建設(shè)、維護(hù)場(chǎng)景中，都有對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管的需求，以適應(yīng)較高安全性的要求。

在“新基建”“交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)”等國(guó)家政策的引領(lǐng)下，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)、在建里程持續(xù)快速增長(zhǎng)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷注入新動(dòng)能。而基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)環(huán)境的安全性一直是現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的核心需求[1]。為了嚴(yán)格落實(shí)安全生產(chǎn)主體責(zé)任，強(qiáng)化安全基礎(chǔ)建設(shè)，高鐵檢修工人會(huì)在天窗期（一般為凌晨0點(diǎn)到4點(diǎn)）對(duì)鐵軌進(jìn)行檢查與維護(hù)。圖1展示了一次典型的高鐵巡道、檢修作業(yè)中線路車間工人所需隨身攜帶的專業(yè)工具。在檢修的天窗期內(nèi)，巡道工人需要使用專業(yè)儀器對(duì)鐵軌線路、枕木、道岔等重要設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)，作業(yè)范圍通常超過(guò)數(shù)千米。若檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)安全隱患，則需要對(duì)相應(yīng)的設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行保養(yǎng)、維護(hù)或者更換。整個(gè)巡道和檢修作業(yè)過(guò)程均在夜間進(jìn)行，環(huán)境光線不足、作業(yè)范圍大、檢修時(shí)間較為緊迫，有可能出現(xiàn)疏漏，容易將所攜帶的工具遺落在鐵路線上，給高鐵行車造成安全威脅。因此一旦發(fā)現(xiàn)工具遺失，需要返回作業(yè)區(qū)域進(jìn)行尋找，排除安全隱患。然而夜間光線不足、作業(yè)范圍較大導(dǎo)致尋回遺失工具的難度很高。因此，高鐵檢修過(guò)程中急需一套能夠布設(shè)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的、對(duì)所使用工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管的系統(tǒng)來(lái)協(xié)助作業(yè)人員管理攜帶的設(shè)備和工具，防止工具遺落。鑒于此，本文以高鐵檢修場(chǎng)景所面臨的實(shí)際需求為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于分布式RFID讀寫器的現(xiàn)場(chǎng)工具智能監(jiān)管系統(tǒng)。

圖1 一次典型高鐵檢修作業(yè)時(shí)攜帶的工具

近年來(lái)，RFID技術(shù)憑借著其讀取速度快、非接觸、非可視等良好特性得到了充分的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于車輛自動(dòng)識(shí)別[2]、物流跟蹤[3]、門禁系統(tǒng)[4]、圖書管理[5]、藥品追溯[6]、室內(nèi)定位[7]等各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)將每個(gè)檢修工具與一個(gè)RFID的電子標(biāo)簽綁定，則可以在作業(yè)過(guò)程中利用RFID技術(shù)的無(wú)線清點(diǎn)功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行高頻次的查找，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)工具是否處于作業(yè)范圍之內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工具的實(shí)時(shí)監(jiān)管，提升作業(yè)過(guò)程的安全性和效率。

1 RFID技術(shù)

一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)包括三個(gè)部分：射頻讀寫器、電子標(biāo)簽（也稱作射頻標(biāo)簽）和控制系統(tǒng)，其邏輯關(guān)系如圖2所示。射頻讀寫器通過(guò)天線發(fā)射電磁波讀取周圍電子標(biāo)簽攜帶的信息，也可以向指定標(biāo)簽寫入信息。電子標(biāo)簽由收發(fā)無(wú)線信號(hào)的天線和存儲(chǔ)信息的芯片組成，用于唯一標(biāo)識(shí)待識(shí)別的物品?？刂葡到y(tǒng)是用戶操作射頻讀寫器的中介，可以通過(guò)它向射頻讀寫器發(fā)送特定的指令以及展示閱讀器讀取標(biāo)簽的信息。

圖2 典型的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID系統(tǒng)工作的典型流程為[8]：首先，通過(guò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件操控讀寫器，讀寫器通過(guò)天線發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào)，這一過(guò)程被稱為查詢（Interrogation）；其次，電子標(biāo)簽接收讀寫器的信號(hào)被激活后將存儲(chǔ)在芯片中的信息通過(guò)天線發(fā)射出去，這一過(guò)程被稱為應(yīng)答（Response）；最后，讀寫器接收到電子標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)后解碼并傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。通常地，用戶無(wú)法直接執(zhí)行射頻讀寫器的指令，因此控制系統(tǒng)扮演了與用戶交互的角色?？刂葡到y(tǒng)和射頻讀寫器共同完成了查詢的進(jìn)程。

射頻讀寫器與電子標(biāo)簽通過(guò)天線進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。耦合方式有兩種：電感耦合和電磁反向散射耦合。電感耦合依據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合。這種耦合方式一般適用于近距離通信，常用的工作頻率有125 kHz、225 kHz、13.56 MHz。電磁反向散射耦合類似于雷達(dá)的通信原理，即射頻讀寫器通過(guò)天線發(fā)射的電磁波遇到電子標(biāo)簽后攜帶標(biāo)簽內(nèi)部芯片中的數(shù)據(jù)并反射。這種耦合方式一般適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，典型的工作頻率有433 MHz、915 MHz、2.45 GHz和 5.8 GHz。

電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)的核心組成部分之一，由天線和芯片兩部分組成。天線用于接收來(lái)自射頻讀寫器的信號(hào)以及發(fā)送芯片存儲(chǔ)信息調(diào)制后的信號(hào)。芯片存儲(chǔ)了被識(shí)別物體的數(shù)據(jù)信息，通常是獨(dú)一無(wú)二的。電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片的存儲(chǔ)容量可達(dá)296以上，它突破了條形碼和二維碼在容量上的限制。當(dāng)電子標(biāo)簽與生產(chǎn)線上的產(chǎn)品綁定后，那么每一個(gè)產(chǎn)品都因此具有獨(dú)一無(wú)二的身份，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的管理與追溯。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽可根據(jù)供電需求分為有源標(biāo)簽、無(wú)源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽帶有電池為自身供電，其工作可靠性高、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，但是由于存在供電電路，其體積較大，生產(chǎn)成本以及使用管理的成本較高；而無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)部沒(méi)有任何供電設(shè)備，它利用來(lái)自射頻讀寫器的射頻信號(hào)為自身提供能量，因此具有體積小、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被資產(chǎn)盤點(diǎn)、物流監(jiān)管、產(chǎn)品溯源、物品定位等新興場(chǎng)景廣泛采用。

典型的射頻讀寫器由射頻模塊、讀寫模塊、天線等組成。射頻模塊包含振蕩器、處理器、接收器等元器件，它負(fù)責(zé)生成高頻能量來(lái)激活電子標(biāo)簽并可以為無(wú)源標(biāo)簽提供能量，也對(duì)發(fā)送的指令進(jìn)行調(diào)制以及對(duì)來(lái)自電子標(biāo)簽的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)與通信協(xié)議

在現(xiàn)有的多數(shù)RFID應(yīng)用中，射頻讀寫器是被固定在某一監(jiān)測(cè)區(qū)域的，其體積較為龐大，布設(shè)相對(duì)復(fù)雜，采用固定方式供電，不適用于作業(yè)地點(diǎn)頻繁移動(dòng)、作業(yè)范圍靈活多變的高鐵維護(hù)檢修的場(chǎng)景。本文采用便攜式射頻讀寫器，使用無(wú)線方式與手持無(wú)線終端相連，具有良好的便攜性和使用的靈活性。每個(gè)檢修工具與一個(gè)無(wú)源電子標(biāo)簽綁定，并將標(biāo)簽信息注冊(cè)到數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)工具領(lǐng)用、使用、歸還等進(jìn)行全周期的管理。在作業(yè)過(guò)程中，便攜式的射頻讀寫器通過(guò)實(shí)時(shí)掃描周圍的電子標(biāo)簽，以確保工具處于作業(yè)范圍之內(nèi)。一旦發(fā)現(xiàn)電子標(biāo)簽消失，則手持移動(dòng)終端會(huì)向作業(yè)人員發(fā)出警告，提示及時(shí)尋回可能遺失的工具。

圖3展示了本文所設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)工具的實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)，主要包括三部分：手持移動(dòng)終端、射頻讀寫器、工具與電子標(biāo)簽。手持移動(dòng)終端包含應(yīng)用軟件和告警設(shè)備，負(fù)責(zé)控制射頻讀寫器的行為以及當(dāng)工具狀態(tài)異常時(shí)及時(shí)提醒工人。電子標(biāo)簽與工具進(jìn)行一對(duì)一綁定，且向芯片中寫入唯一標(biāo)識(shí)該工具的ID信息。手持移動(dòng)終端通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議與射頻讀寫器進(jìn)行通信，射頻讀寫器通過(guò)EPC C1G2協(xié)議[8]與綁定在工具或者其他設(shè)備上的電子標(biāo)簽進(jìn)行通信。

圖3 本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)工具智能監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

在到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，檢修人員通過(guò)手持移動(dòng)終端開(kāi)啟系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)管功能。手持移動(dòng)終端首先通過(guò)無(wú)線方式與射頻讀寫器進(jìn)行連接，然后每隔t秒向射頻讀寫器發(fā)送“Inventory”指令來(lái)請(qǐng)求讀取周圍的電子標(biāo)簽的ID信息。射頻讀寫器發(fā)出的電磁波所提供的能量會(huì)將電子標(biāo)簽激活。之后，電子標(biāo)簽會(huì)將芯片中存儲(chǔ)的ID信息調(diào)制之后通過(guò)天線發(fā)射出去。當(dāng)射頻讀寫器收到電子標(biāo)簽的ID信息后，會(huì)將其傳遞給手持移動(dòng)終端。而后，終端將讀寫器所接收的電子標(biāo)簽ID信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)的ID信息進(jìn)行對(duì)比。若數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)的ID集合是接收ID集合的一個(gè)子集，那么證明當(dāng)前所有電子標(biāo)簽均在作業(yè)場(chǎng)地范圍內(nèi)；否則，說(shuō)明有工具遺失在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，移動(dòng)終端將向用戶發(fā)出警告。

2.2 基于多個(gè)RFID讀寫器的分布式監(jiān)管方法

由于RFID技術(shù)利用射頻信號(hào)空間耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所以當(dāng)射頻讀寫器與電子標(biāo)簽存在大型遮擋物時(shí)，傳輸信號(hào)會(huì)受到干擾，影響識(shí)別的準(zhǔn)確率。具體到本文的工具監(jiān)管場(chǎng)景中，當(dāng)射頻讀寫器與電子標(biāo)簽之間存在遮擋物時(shí)，即使檢修工具綁定的電子標(biāo)簽處在射頻讀寫器的工作范圍內(nèi)，也有可能因?yàn)檎趽跷镉绊懖樵兓驊?yīng)答的信號(hào)，導(dǎo)致發(fā)生錯(cuò)誤的告警。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出基于多個(gè)RFID讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行協(xié)同清點(diǎn)的分布式監(jiān)管方法。如圖4所示，該方法采用在不同空間位置分布式部署的多臺(tái)射頻讀寫器，從不同的空間位置發(fā)射RFID的查詢信號(hào)并監(jiān)聽(tīng)其響應(yīng)，實(shí)時(shí)判斷盤點(diǎn)工具是否還處于系統(tǒng)監(jiān)管范圍之內(nèi)。當(dāng)開(kāi)始對(duì)工具開(kāi)展監(jiān)管時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)電子標(biāo)簽至少被一臺(tái)射頻讀寫器掃描到，即可以認(rèn)為工具處于監(jiān)管范圍之內(nèi)，判定為狀態(tài)正常。反之，若系統(tǒng)超過(guò)一定時(shí)間都未接收到工具上電子標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)，則可以認(rèn)為工具不在監(jiān)管范圍之內(nèi)，可能發(fā)生工具遺失。需要說(shuō)明的是，本方案采用了多個(gè)分布式布設(shè)的、協(xié)同工作的RFID射頻讀寫器，其布設(shè)位置可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境的具體需要進(jìn)行靈活選擇，形成一個(gè)能夠良好覆蓋作業(yè)區(qū)域的監(jiān)管信號(hào)范圍，以適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

圖4 基于多個(gè)RFID讀寫器的分布式監(jiān)管方法

2.3 射頻讀寫器的多連接算法

為了實(shí)現(xiàn)上面提出的基于多個(gè)RFID讀寫器協(xié)同清點(diǎn)的分布式監(jiān)管方法，本文設(shè)計(jì)了一種靈活可擴(kuò)展的、適用于一般商用射頻讀寫器使用規(guī)范的多讀寫器連接方法。具體地，本文考慮最一般的場(chǎng)景假設(shè)，即手持移動(dòng)終端在同一時(shí)刻僅能與一臺(tái)射頻讀寫器建立通信鏈路，以降低本文所提出方法對(duì)于硬件規(guī)格和無(wú)線連接協(xié)議的要求，增強(qiáng)本文所提出方法的通用性。不失一般性地，考慮某監(jiān)管系統(tǒng)包含1臺(tái)手持智能終端和N臺(tái)射頻讀寫器，需要對(duì)M個(gè)工具（對(duì)應(yīng)于M個(gè)電子標(biāo)簽）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，通常N<

本設(shè)計(jì)中，移動(dòng)終端將采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式與多個(gè)RFID讀寫器逐一建立無(wú)線連接。圖5展示了多RFID讀寫器輪詢盤點(diǎn)的時(shí)隙分配。在一個(gè)清點(diǎn)周期（也稱盤點(diǎn)周期）內(nèi)，手持移動(dòng)終端依次與N個(gè)讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信來(lái)傳遞現(xiàn)場(chǎng)工具的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，在盤點(diǎn)周期末端執(zhí)行工具清點(diǎn)，判斷是否有工具遺失。手持移動(dòng)終端與射頻讀寫器建立連接后，每隔s秒執(zhí)行一次子盤點(diǎn)，共執(zhí)行n次子盤點(diǎn)。子盤點(diǎn)包含讀寫器發(fā)送詢問(wèn)指令和接收電子標(biāo)簽應(yīng)答信息等過(guò)程。一次子盤點(diǎn)的時(shí)間包含詢問(wèn)指令的時(shí)長(zhǎng)、詢問(wèn)間隙、應(yīng)答信息的時(shí)長(zhǎng)、應(yīng)答間隙、子盤點(diǎn)時(shí)間間隔等。其中子盤點(diǎn)時(shí)間間隔決定了監(jiān)管的實(shí)時(shí)性。為了防止由于無(wú)線信道環(huán)境的影響導(dǎo)致詢問(wèn)或者應(yīng)答進(jìn)程執(zhí)行失敗，使用重復(fù)執(zhí)行n次子盤點(diǎn)的方法，以減少因信道變化導(dǎo)致的錯(cuò)誤告警，提升監(jiān)管系統(tǒng)的魯棒性。為提升監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，將每次子盤點(diǎn)的結(jié)果異步傳輸?shù)绞殖忠苿?dòng)終端并及時(shí)渲染展示。

圖5 多RFID讀寫器盤點(diǎn)時(shí)隙分配

手持移動(dòng)終端與射頻讀寫器之間的鏈路測(cè)試通過(guò)后，利用上述多連接算法操控N臺(tái)射頻讀寫器開(kāi)展協(xié)同監(jiān)管。為增強(qiáng)監(jiān)管系統(tǒng)的通用性，設(shè)手持移動(dòng)終端同時(shí)連接射頻讀寫器的最大數(shù)量為P。當(dāng)N>P時(shí)，采用先進(jìn)先出的淘汰策略斷開(kāi)暫時(shí)不需要連接的射頻讀寫器。本文針對(duì)讀寫器的連接默認(rèn)采用了輪詢盤點(diǎn)的使用策略。輪詢盤點(diǎn)即按照用戶選擇的排序方式將所有的射頻讀寫器加入到一個(gè)單向循環(huán)隊(duì)列中，從隊(duì)列頭部開(kāi)始依次連接射頻讀寫器，若連接數(shù)量超過(guò)最大連接數(shù)，則斷開(kāi)最早建立連接的射頻讀寫器。輪詢盤點(diǎn)時(shí)，與所有的讀寫器都要通信一次，因此適用于對(duì)環(huán)境、范圍、安全性要求較高的監(jiān)管場(chǎng)景。然而一些對(duì)安全性要求相對(duì)較低、監(jiān)管范圍較小的場(chǎng)景也可以采用隨機(jī)盤點(diǎn)的策略，即從讀寫器集合中隨機(jī)挑選一批用于盤點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)工具。在不影響監(jiān)管功能的前提下，采用隨機(jī)盤點(diǎn)的策略能夠降低監(jiān)管系統(tǒng)的功率消耗，延長(zhǎng)監(jiān)管設(shè)備的工作時(shí)長(zhǎng)。

圖6展示了本文提出的基于多RFID閱讀器的電子標(biāo)簽清點(diǎn)算法流程。讀寫器依次與手持終端進(jìn)行通信，每次通信重復(fù)執(zhí)行多次子盤點(diǎn)的過(guò)程再切換為下一個(gè)讀寫器，直到邏輯上手持移動(dòng)終端與所有的讀寫器都通信一次。當(dāng)所有的子盤點(diǎn)完成之后，對(duì)掃描到的電子標(biāo)簽ID集合S1再次去重匯總，與數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)的電子標(biāo)簽ID集合S2進(jìn)行匹配。若S1是S2的一個(gè)子集，則所有電子標(biāo)簽均被掃描到，工具未丟失；若S1不是S2的子集，則再隨機(jī)選取r個(gè)射頻讀寫器重新執(zhí)行一次子盤點(diǎn)，若仍然未掃描到“丟失”的電子標(biāo)簽集合，則判定為工具已丟失并發(fā)出告警，提醒作業(yè)人員及時(shí) 查找。

圖6 基于多RFID閱讀器的電子標(biāo)簽清點(diǎn)算法流程

3 系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上一章提出的方案，本文使用了商用貨架產(chǎn)品（Commercial Off-The-Shelf, COTS）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于RFID技術(shù)的分布式現(xiàn)場(chǎng)工具監(jiān)管系統(tǒng)，以證明所提方案的有效性。

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

在硬件層面，本文選擇深坂科技生產(chǎn)的手持式藍(lán)牙超高頻RFID讀寫器，型號(hào)為BT-800[9]。采用藍(lán)牙2.0/4.0與手持終端進(jìn)行通信，搭載5 dBi超高頻天線，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為EPC Global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C/6B，工作頻率為902～928 MHz/865～868 MHz，輸出功率為0～33 dBm，讀取范圍約為8 m，一次最多可以讀取超過(guò)200個(gè)電子標(biāo)簽。本文選擇了符合國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)EPC G2 ISO18000-6C的電子標(biāo)簽，其中集成了ALIEN H3 IC芯片，工作頻率為860～960 MHz。手持移動(dòng)終端選擇使用搭載Android 6.0及以上操作系統(tǒng)的智能設(shè)備，集成有音頻設(shè)備和振動(dòng)馬達(dá)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。使用射頻讀寫器、電子標(biāo)簽、工具、手持終端部署硬件如圖7所示，每個(gè)工具都綁定一個(gè)電子標(biāo)簽且電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片寫入了唯一標(biāo)識(shí)該工具的ID，三臺(tái)射頻讀寫器分布式部署，從不同的角度捕獲電子標(biāo)簽中的信息。

圖7 系統(tǒng)硬件的部署

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

在軟件層面上，本文基于Android操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手持移動(dòng)終端管理系統(tǒng)。如圖8所示，該系統(tǒng)包括設(shè)備連接、讀寫器管理、射頻讀寫器指令集合、數(shù)據(jù)庫(kù)、工具實(shí)時(shí)監(jiān)管等五個(gè)模塊。其中，設(shè)備連接模塊負(fù)責(zé)查找、連接、斷開(kāi)射頻讀寫器設(shè)備，為射頻讀寫器管理提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。為了克服無(wú)線信道帶來(lái)的不確定因素，在設(shè)備連接模塊加入重試機(jī)制以增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性。射頻讀寫器管理模塊利用多連接算法實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)管過(guò)程中的射頻讀寫器設(shè)備選擇決策。射頻讀寫器指令集合模塊將控制讀寫器的指令封裝為簡(jiǎn)單的函數(shù)調(diào)用。例如“Inventory”指令為讀寫器發(fā)送一次盤點(diǎn)并接收盤點(diǎn)到的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)?；凇癐nventory”指令派生出了不同的盤點(diǎn)功能，如一次盤點(diǎn)、持續(xù)盤點(diǎn)、持續(xù)定時(shí)盤點(diǎn)等功能。實(shí)時(shí)監(jiān)管模塊與射頻讀寫器管理模塊、射頻讀寫器指令集合模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊均通過(guò)函數(shù)調(diào)用進(jìn)行交互，向射頻讀寫器管理模塊傳遞讀寫器切換策略參數(shù)獲取讀寫器的MAC地址等信息并進(jìn)行連接；向射頻讀寫器指令集合模塊傳遞不同的盤點(diǎn)指令參數(shù)來(lái)啟動(dòng)讀寫器完成不同的盤點(diǎn)功能并將盤點(diǎn)結(jié)果回傳；向數(shù)據(jù)庫(kù)模塊傳遞寫入或者讀取參數(shù)來(lái)注冊(cè)電子標(biāo)簽ID或者讀取電子標(biāo)簽ID。

圖8 手持移動(dòng)終端應(yīng)用軟件架構(gòu)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Android Studio 3.3[10]，使用Gradle 4.10.1[11]構(gòu)建項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為JAVA 1.8。實(shí)時(shí)監(jiān)管模塊是系統(tǒng)中的核心模塊，對(duì)監(jiān)管方式進(jìn)行了頂層抽象，并實(shí)現(xiàn)了單讀寫器工作模式和多讀寫器工作模式，它結(jié)合其他模塊提供的服務(wù)共同完成監(jiān)管的功能。射頻讀寫器管理模塊采用單例的設(shè)計(jì)模式，定義了一種單向循環(huán)隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)讀寫器指令。射頻讀寫器指令集合模塊采用多線程實(shí)現(xiàn)盤點(diǎn)功能，通過(guò)函數(shù)回調(diào)的方式將盤點(diǎn)獲取的標(biāo)簽ID回傳給實(shí)時(shí)監(jiān)管模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)采用內(nèi)嵌Android操作系統(tǒng)中輕量級(jí)的SQLite。

3.3 參數(shù)設(shè)置

本文所設(shè)計(jì)的方案具有一般性，能夠通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在一個(gè)子盤點(diǎn)過(guò)程中，發(fā)送“Inventory”命令的時(shí)間間隔s的默認(rèn)值為2 s，命令發(fā)送次數(shù)n的默認(rèn)值為5次，發(fā)現(xiàn)有工具丟失，隨機(jī)選擇重試盤點(diǎn)的讀寫器數(shù)量r的默認(rèn)值為1。因此，一個(gè)子盤點(diǎn)的周期時(shí)長(zhǎng)為s×n秒，子盤點(diǎn)周期時(shí)長(zhǎng)與工具監(jiān)管的實(shí)時(shí)性成反比。n的值越大，則讀取周圍電子標(biāo)簽的次數(shù)越多，結(jié)果更穩(wěn)定，但付出的代價(jià)是消耗更多的電源，降低射頻讀寫器的工作時(shí)長(zhǎng)。實(shí)時(shí)監(jiān)管模塊對(duì)“監(jiān)管”功能進(jìn)行了抽象，具體實(shí)現(xiàn)的實(shí)例有單連接監(jiān)管和多連接監(jiān)管，單連接監(jiān)管適用于將待監(jiān)管工具注冊(cè)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，多連接監(jiān)管適用于較大的監(jiān)管場(chǎng)地且有遮擋物干擾信號(hào)的場(chǎng)景。射頻讀寫器指令集合模塊對(duì)底層命令作了進(jìn)一步封裝，默認(rèn)以開(kāi)啟子線程的方式發(fā)送“Inventory”。射頻讀寫器管理模塊封裝了對(duì)讀寫器選擇的邏輯，根據(jù)用戶選擇的決策方式實(shí)施不同的方法。設(shè)備連接則是屏蔽了藍(lán)牙底層連接的細(xì)節(jié)，為射頻讀寫器模塊提供一個(gè)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的方法。最終的實(shí)施監(jiān)管界面正常狀態(tài)如圖9所示，所有工具狀態(tài)均正常。圖10展示了工具“扳手-1”發(fā)生異常狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)向用戶告警。

圖9 受監(jiān)管工具正常狀態(tài)

圖10 受監(jiān)管工具異常狀態(tài)

3.4 設(shè)備連接耗時(shí)評(píng)估

在實(shí)際使用過(guò)程中，主要消耗時(shí)間的模塊是設(shè)備連接，因此對(duì)設(shè)備連接消耗用時(shí)進(jìn)行了性能評(píng)估。使用手持移動(dòng)終端系統(tǒng)通電后首次與射頻讀寫器連接消耗大約1 000～3 000 ms，再次連接消耗約426 ms，時(shí)間損耗上對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)功能影響基本可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的基于分布式的現(xiàn)場(chǎng)工具實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)視是否有工具遺失，無(wú)論在白天還是夜間，該系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定可靠地工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于RFID技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)工具智能監(jiān)管系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)管高鐵檢修工具的狀態(tài)，便于高鐵檢修工人管理攜帶的工具，顯著提升了檢修作業(yè)的效率以及增強(qiáng)作業(yè)過(guò)程中的安全性。該系統(tǒng)采用基于多個(gè)RFID讀寫器的分布式監(jiān)管方法，擴(kuò)大了監(jiān)管范圍以及提升了系統(tǒng)的魯棒性。除了高鐵檢修場(chǎng)景之外，該系統(tǒng)也適用于電力線路檢修、高速公路維修、5G物聯(lián)網(wǎng)基建、新能源汽車充電樁的部署等大量建設(shè)、維護(hù)場(chǎng)景，具有廣泛的應(yīng)用前景。