基于RFID的消防器材巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪 海，孫 鋒

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

基于RFID的消防器材巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪 海，孫 鋒

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

根據(jù)目前消防器材巡檢仍以傳統(tǒng)的手工記錄，紙質(zhì)存檔為主，以及對(duì)于巡檢人員的監(jiān)管效率低下的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于RFID的消防器材巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用RFID技術(shù)對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行采集，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將巡檢結(jié)果傳送至監(jiān)管部門，從而實(shí)現(xiàn)了信息化、網(wǎng)絡(luò)化的巡檢，大大提高了監(jiān)管效率。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地進(jìn)行消防器材巡檢作業(yè)以及巡檢報(bào)告地上傳。

RFID技術(shù)；GPRS技術(shù)；巡檢系統(tǒng)；STM32L4

近年來，全國接連發(fā)生火災(zāi)現(xiàn)象，造成較大社會(huì)影響，消防安全再次引起人們的關(guān)注。而消防器材的完好對(duì)于消防安全起著至關(guān)重要的作用。所以，定期對(duì)消防器材進(jìn)行巡檢是必不可少的。然而目前消防器材的巡檢仍以傳統(tǒng)的人工查驗(yàn)、手工記錄、紙質(zhì)存檔為主，這種巡檢方式的弊端日益明顯。首先，巡檢質(zhì)量不高:巡檢人員需手動(dòng)書寫巡檢報(bào)告，并將報(bào)告交遞給監(jiān)管部門，其中還有不可避免地人為錯(cuò)誤；其次，監(jiān)管效率低下:監(jiān)管部門對(duì)于巡檢人員有沒有去巡檢、什么時(shí)候去的、去了什么地方、發(fā)現(xiàn)什么問題等，無法及時(shí)知曉，只能通過現(xiàn)場檢查來確定；還有，隨著消防器材數(shù)量的與日俱增，通過查閱紙質(zhì)存檔獲取某個(gè)消防器材的具體信息是非常困難的[1]。為了解決這些問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）的消防器材巡檢手持終端，該手持終端利用RFID與GPRS技術(shù)，不僅能很好地提高巡檢質(zhì)量和監(jiān)管效率，還可以使巡檢結(jié)果信息化，做到永久保存。

1 消防器材巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要分為電子標(biāo)簽、手持終端和監(jiān)管服務(wù)器3部分。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 消防器材巡檢系統(tǒng)示意圖

1）電子標(biāo)簽

在消防器材表面貼上存儲(chǔ)其具體信息（如:生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、位置坐標(biāo)等）的電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽根據(jù)供電形式分為:有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽，根據(jù)工作頻率又分為:低頻標(biāo)簽、高頻標(biāo)簽、超高頻標(biāo)簽以及微波標(biāo)簽[2]。在此系統(tǒng)中，考慮到消防器材都是金屬制成以及應(yīng)用的特殊要求，我們選擇無源高頻（13.56 MHz）抗金屬標(biāo)簽，它的識(shí)別的范圍在4～5 cm左右，能很好的滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2）巡檢手持終端

作為便攜式設(shè)備，設(shè)計(jì)以低功耗微控制器、射頻模塊以及GPRS模塊為核心的巡檢手持終端，巡檢人員工作時(shí)，只需攜帶手持終端，通過RFID技術(shù)讀取每個(gè)消防器材的信息并完成巡檢任務(wù)，然后在通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將巡檢結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)管服務(wù)器。

3）消防器材監(jiān)管服務(wù)器

消防器材監(jiān)管服務(wù)器提供了巡檢任務(wù)管理、戶籍管理、數(shù)據(jù)管理等功能。其中任務(wù)管理包括任務(wù)的制定以及任務(wù)的下載；戶籍管理是指監(jiān)管部門對(duì)自己所管轄的單位以及單位內(nèi)消防器材的管理，數(shù)據(jù)管理及分析就是對(duì)巡檢人員發(fā)送的巡檢結(jié)果進(jìn)行管理與分析。

由于文章篇幅有限，文中主要介紹消防器材巡檢手持終端的設(shè)計(jì)。

2 手持終端設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的消防器材巡檢手持終端主要包括微控制器、射頻模塊、GPRS模塊等，如圖2所示。

圖2 手持終端硬件總體框架

2.1 微控制器

本設(shè)計(jì)中的微控制器選用ST公司最新推出的基于ARM Corte-M4內(nèi)核的同時(shí)具備超低功耗與高性能的STM32L476RGT6。一方面，在ART Accelerator技術(shù)的支持下，它的處理速度達(dá)到80MHz/DMIPS，打破了當(dāng)前超低功耗微控制器的性能極限[3]。另一方面，STML4系列采用90納米工藝，在加上ST公司獨(dú)創(chuàng)的智能架構(gòu)以及多達(dá)7個(gè)子模式選項(xiàng)的電源管理，使其在電池供電模式下可以實(shí)現(xiàn)4nA超低功耗。除此之外，它內(nèi)部還配有1MB Flash和128KB RAM，而且外設(shè)資源也非常豐富，主要包括:SPI、I2C、U（S）ART、USB OTG以及CAN總線接口等。所以，STM32L476完全可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求[4]。

2.2 射頻模塊

射頻模塊采用恩智浦公司的MFRC522，這是一款應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫芯片[5]。不僅支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，還具有低電壓、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。射頻模塊中的天線是巡檢終端與電子標(biāo)簽之間通訊的載體，具有非常重要的地位。天線在設(shè)計(jì)中可以等效成電阻、電容以及電感所構(gòu)成的諧振電路，將諧振電路的諧振頻率與電子標(biāo)簽的工作頻率（13.56 MHz）相匹配，才可以得到最佳的通訊效果。此外，天線設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的參數(shù)即品質(zhì)因數(shù)，其具體公式如下:

式（1）中的f是工作頻率，L是天線的尺寸，R是天線的半徑。一個(gè)完整系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)一般在10～30之間[6]。

射頻模塊與微處理器之間的通訊方式采用SPI方式，這種方式具有連接電路簡單、使用方便、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，其具體的硬件電路圖如圖3所示，圖中省去了一些STM32L476沒有用到的引腳。

圖3 MF RC522電路原理圖

2.3 GPRS模塊

本系統(tǒng)選用SIMcom公司的SIM900A作為GPRS模塊，它屬于四頻GSM/GPRS模塊。這款產(chǎn)品采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高[7]，能夠滿足本次設(shè)計(jì)的需求。在設(shè)計(jì)中采用USART方式連接，具體接法為，將SIM900A的RXD和TXD兩個(gè)引腳分別與STM32L476的PA2和PA3相連，具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。其中SIM900A的TXD口用于向STM32L476發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD口用于接收STM32L476傳來的數(shù)據(jù)，最終通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。另外，在SIM卡電路設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)SIM卡在每個(gè)信號(hào)管腳都加了一個(gè)穩(wěn)壓管。

圖4 GPRS模塊電路原理圖

2.4 電源管理

在本系統(tǒng)中，由于每個(gè)模塊的工作電壓不一樣，如STM32L476的工作電壓為1.71～3.6（典型值3.3 V）[8]，射頻模塊工作電壓3.3 V[9]，GPRS模塊的工作電壓4 V[10]等，所以必須對(duì)每個(gè)模塊單獨(dú)供電。由于文章篇幅有限，文中僅對(duì)這3種電壓進(jìn)行介紹。在本系統(tǒng)中采用單節(jié)電壓為3.7 V，大容量3 000 mAh的鋰電池供電，此外，為了方便日后功能的拓展，加入了常用的5 V電壓。

為了得到4 V電壓和輸出2 A的電流以供SIM900A正常工作，本設(shè)計(jì)中選用MICREL公司的MIC29302線性穩(wěn)壓器，其最大輸出電流可達(dá)3 A，完全可以滿足需求。微控制器與MF RC522的3.3 V電壓利用LM1117-3.3線性穩(wěn)壓器可輕松得到。

圖5 電源模塊

2.5 人機(jī)交互

本系統(tǒng)的人機(jī)交互方式主要通過電阻式觸摸屏以及LCD來表現(xiàn)。為了使消防器材巡檢手持終端更智能、更便捷，文中采用觸摸屏的設(shè)計(jì)。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，觸摸屏出現(xiàn)的越來越頻繁，與鍵盤相比，觸摸屏更耐用、反應(yīng)速度更靈敏、能耗更低、空間更小[11]。觸摸屏的種類繁多，最常使用的是電阻式與電容式，其中電阻式觸摸屏不僅價(jià)格便宜、精度高而且防灰防水霧[12]，更適合本次設(shè)計(jì)的要求。觸摸屏的正常工作需要一個(gè)控制器，本設(shè)計(jì)中采用XPT2046作為觸摸屏的控制器。LCD顯示方面選用2.8寸ALINETEK TFTLCD模塊，該模塊支持65 K色顯示，分辨率達(dá)到320×240[13]，大大提高了圖像的質(zhì)量而且自帶觸摸屏，更加方便了開發(fā)與設(shè)計(jì)。

3 監(jiān)管服務(wù)器設(shè)計(jì)

消防器材監(jiān)管服務(wù)器要具有數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收巡檢手持終端所上傳的數(shù)據(jù)；巡檢任務(wù)管理，用于任務(wù)的制定與發(fā)布；戶籍管理，用于對(duì)所管轄單位的消防器材管理；數(shù)據(jù)管理和分析；以及權(quán)限登錄。服務(wù)器的整體功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

本系統(tǒng)的監(jiān)管服務(wù)器是基于.NET平臺(tái)采用C#語言進(jìn)行開發(fā)。C#一種面向?qū)ο蟆⑦\(yùn)行效率極高的編程語言，是.NET平臺(tái)開發(fā)的首選語言[14]。.NTT類庫是一個(gè)面向?qū)ο蟮木C合性可重用類型的集合，它為應(yīng)用程序的開發(fā)提供了各種高級(jí)的組件和服務(wù)，使得IT人員可以大大提高開發(fā)效率[15]。

圖6 消防器材服務(wù)器功能結(jié)構(gòu)圖

4 測試與分析

對(duì)系統(tǒng)的測試主要有:手持終端的可靠性測試、終端與服務(wù)器間能否正常通訊以及服務(wù)器的穩(wěn)定性等。

1）手持終端讀卡距離的測試，將電子標(biāo)簽固定，手持終端從遠(yuǎn)處（10 cm）逐漸靠近電子標(biāo)簽，直到讀出標(biāo)簽信息，此時(shí)的距離即為手持終端的讀卡距離。除此之外，由于手持終端是基于鋰電池供電，所以必須對(duì)鋰電新的續(xù)航能力進(jìn)行測試，其中包括待機(jī)時(shí)間、工作時(shí)間（只測試的是讀卡，并未上傳數(shù)據(jù)）、待機(jī)電流以及工作電流的測試，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 手持終端可靠性測試結(jié)果

2）終端與服務(wù)器的通訊方面，進(jìn)入手持終端的通訊模塊，設(shè)置好對(duì)應(yīng)的ip地址與主機(jī)端口[16]，分別在學(xué)校圖書館地下停車庫、教學(xué)樓以及宿舍3個(gè)地方進(jìn)行進(jìn)行巡檢作業(yè)后，并將巡檢報(bào)告發(fā)送至服務(wù)器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有在地下車庫的巡檢報(bào)告未能成功時(shí)實(shí)發(fā)送到服務(wù)器，分析原因是因?yàn)榈叵萝噹斓腉PRS信號(hào)太弱。

3）服務(wù)器的穩(wěn)定性測試，經(jīng)過為期一個(gè)月的測試，服務(wù)器一切運(yùn)行良好，并未出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了消防器材巡檢系統(tǒng)，通過巡檢人員攜帶手持終端，利用RFID技術(shù)讀取每個(gè)消防器材的信息并完成巡檢任務(wù)，然后在經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將巡檢結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)管服務(wù)器。監(jiān)管人員可以通過后臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測巡檢情況以及查詢歷年巡檢記錄。相比于傳統(tǒng)的巡檢，本系統(tǒng)能大大提高巡檢以及監(jiān)管的效率，進(jìn)一步提升消防器材巡檢以及監(jiān)管工作規(guī)范化、信息化水平。

[1]Ye Jiang，F(xiàn)eng Qi.The design of RFID based inspection system for power telecommunication Networks[C]//2010 6th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing（WiCOM），Chengdu，2010：1-4.

[2]王新意.低功耗超高頻無源電子標(biāo)簽射頻前端的研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3]意法半導(dǎo)體（ST）新款STM32L4微控制器突破超低功耗應(yīng)用的性能極限[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（11）：74.

[4]曹小娜.ST STM32L4:整合Cortex-M4內(nèi)核超低功耗高性能MCU[J].世界電子元器件，2015（4）:42-43.

[5]林建.基于GPRS與RFID的智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[6]黃俊祥，陶維青.基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010（22）:16-18.

[7]霍濤，賈振堂.基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（17）:106-110.

[8]畢曉東.意法半導(dǎo)體STM32L4演繹低功耗與高性能完美結(jié)合[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015（7）:107.

[9]林小平，魯青.非接觸CPU電子紙可視卡讀寫器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014（4）:1226-1230.

[10]李頎，周維，薛宇航，等.基于RFID的油田鉆具巡檢手持終端的開發(fā)[J].電子器件，2013（6）:864-868.

[11]解偉.基于STM32的自動(dòng)氣象站控制模塊設(shè)計(jì)[J].電子測試技術(shù)，2014（7）:107-110.

[12]翟霄翔，郝久玉，鄭軍.電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測試技術(shù)，2015（2）:36-37.

[13]周占領(lǐng).基于GPRS與ARM的巡檢儀的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[14]胡秀芳，陳增祿，呂雙慶，等.基于ARM高級(jí)定時(shí)器的高頻交錯(cuò)SPWM實(shí)現(xiàn)方法[J].陜西電力，2015（4）：32-35.

[15]袁麗娟.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計(jì)與研究[M].成都：四川大學(xué)出版社，2010.

[16]梁玉.基于C#的數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

Design of fire equipment inspection system based on RFID

WANG Hai，SUN Feng
（College of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122，China）

According to the current fire equipment inspection records are still the traditional manual，paper-based archiving，and regulatory inspection efficiency is low phenomenon for staff，the inspection system of fire equipment was designed based on Radio Frequency Identification（RFID）.The inspection system use RFID technology to capture inspection results，through the GPRS network to transfer inspection results to the regulatory authorities.Fire equipment inspection system not only realized the information，network inspection，supervision can be done remotely，greatly improving the efficiency of supervision.The results show that the system can stably and reliably carry out fire fighting equipment inspection operations and the inspection report.

RFID；GPRS；inspection system；STM32L4

TN709

A

1674-6236（2017）23-0059-04

2016-10-21稿件編號(hào)：201610121

汪海（1991—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。