基于GSBMDP 標(biāo)簽檢測算法的外出作業(yè)防丟助手

唐 灝， 王宇坤， 李巖聰， 鐘樹強(qiáng)

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 江門 529090）

引言

從全球范圍來看，歐美等發(fā)達(dá)國家的RFID 技術(shù)已經(jīng)相對成熟，相關(guān)的軟硬件技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域均走在世界前列。國內(nèi)對RFID 技術(shù)發(fā)展起步較慢，在RFID 產(chǎn)業(yè)化上的發(fā)展較為落后。RFID 系統(tǒng)主要對物品信息進(jìn)行實(shí)時(shí)識別、讀取、傳送，最終實(shí)現(xiàn)對物體的管理[1]。目前我國RFID 企業(yè)總數(shù)超過100 家，但是缺乏關(guān)鍵技術(shù)，特別是在超高頻RFID 方面，在RFID 尋物技術(shù)方面的技術(shù)研究更是少之又少，目前我國的RFID 尋物技術(shù)較多的是低高頻RFID 技術(shù)，無法做到精準(zhǔn)尋物，標(biāo)簽誤讀率、錯(cuò)讀率極高，且技術(shù)單一，無法做到數(shù)據(jù)互通，在智能化領(lǐng)域并未進(jìn)行深度拓展。國內(nèi)的企業(yè)也急切需要高精準(zhǔn)、智能化的RFID 尋物系統(tǒng)為企業(yè)解決物品丟失的問題。

RFID 技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術(shù)，利用無線射頻信號的反向散射原理，無需與被識別物體接觸，便可快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取物體相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。

1 作品總論

1.1 目的和意義

我國企事業(yè)單位根據(jù)工作需要安排工作人員外出進(jìn)行安裝調(diào)試、設(shè)備維修、上井服務(wù)等外出作業(yè)，外出作業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)工具丟失的問題。比如電信、電網(wǎng)等經(jīng)常需要外出作業(yè)的大中型企業(yè)工作人員外出作業(yè)時(shí)每年工具丟失造成不必要的損失價(jià)值高達(dá)幾十萬甚至上百萬。在現(xiàn)階段普遍采用的工具收集模式，大多靠《外出施工工具、材料管理制度》進(jìn)行制度化約束人工進(jìn)行收集，但傳統(tǒng)的人工收集存在工作繁瑣、人為失誤性大等不人性化的問題造成難以落實(shí)管理，如何規(guī)范管理外出作業(yè)工具一直困擾著各個(gè)企業(yè)。

為解決外出作業(yè)工具丟失問題我們設(shè)計(jì)外出作業(yè)工具防丟助手。本系統(tǒng)主要采用RFID 標(biāo)簽大規(guī)模算法檢測技術(shù)和NB-IOT 通信技術(shù)解決企業(yè)外出作業(yè)時(shí)工具丟失的問題。本系統(tǒng)的基本架構(gòu)為：首先通過語音系統(tǒng)控制RFID 標(biāo)簽尋物系統(tǒng)掃描工具的標(biāo)簽信息，并直接通過串口屏進(jìn)行顯示，工作人員可以即時(shí)查看是否有物品丟失，其次數(shù)據(jù)通過NB-IOT技術(shù)上傳到云端，然后每次系統(tǒng)檢測的信息都會儲存在云服務(wù)器中，最后終端管理作業(yè)人員可通過PC或移動(dòng)端網(wǎng)頁查閱每次作業(yè)后的工具使用情況，為企業(yè)智能化管理提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 作品基本介紹

本系統(tǒng)使用是基于STM32 系列單片機(jī)主、從機(jī)的RFID 技術(shù)的語音物聯(lián)網(wǎng)智能多功能自動(dòng)化尋物系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺管理物品信息，對物品信息進(jìn)行智能化管理。本系統(tǒng)通過語音系統(tǒng)控制RFID 尋物系統(tǒng)掃描物品的標(biāo)簽信息，收集物品的信息，把已掃描到的物品通過串口屏一一顯示，并通過語音報(bào)讀告知用戶已檢測到的物品和丟失的物品，并且通過自動(dòng)尋找所遺失物體位置，提高系統(tǒng)的可操作性，同時(shí)，本系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT 模塊將標(biāo)簽信息實(shí)時(shí)傳回云端，把每次的檢測的記錄保存到云端，可供管理人員查閱。

本系統(tǒng)采用布魯姆過濾器丟失標(biāo)簽檢測算法GSBMDP 提高在海量標(biāo)簽中檢測正確度。第一，將所有標(biāo)簽進(jìn)行有效分組，對不同分組進(jìn)行檢測；第二，通過采樣布魯姆過濾器降低采樣的干擾，排除集合U 中的非期望標(biāo)簽；第三，通過重構(gòu)BF 進(jìn)行身份測試找出丟失的標(biāo)簽[3]。

為了實(shí)現(xiàn)智能化管理，本系統(tǒng)通過網(wǎng)頁的開發(fā)，用戶可通過電腦或手機(jī)登陸網(wǎng)頁查看物品數(shù)據(jù)，為用戶提供更便捷的服務(wù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)功能與方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由八個(gè)部分組成，分別是STM32F103ZET6 單片機(jī)過濾模塊、RFID 讀寫模塊、HMI 串口屏顯示模塊、天線模塊、電源模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、語音模塊以及網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)。STM32 單片機(jī)接收RFID 讀寫模塊檢測到的標(biāo)簽信息基于GSBMDP標(biāo)簽檢測算法處理數(shù)據(jù)，并將標(biāo)簽信息傳輸?shù)酱谄溜@示[4]。

RFID 讀寫器模塊采用低功耗、可靠性高的UHFEPC G2 讀寫模塊，能對RFID 電子標(biāo)簽遠(yuǎn)距離、高頻率、多標(biāo)簽同時(shí)自動(dòng)掃描識別與檢測。我們在工具箱的頂部安裝RFID 讀寫模塊，它能多標(biāo)簽同時(shí)讀寫處理并且上傳終端平臺上顯示工具的齊全（丟失）情況，解決了戶外工作人員清點(diǎn)工具的煩惱。

物聯(lián)網(wǎng)模塊的主芯片采用STM32L151C8T6 低功耗單片機(jī)和BC-28 模塊，使用中國電信物聯(lián)網(wǎng)卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，采用3.7 V，3 000 mAh 的鋰電池對其進(jìn)行供電，使用RS232 串口與BC-28 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將物品信息通過該串口傳輸?shù)紹C-28模塊，該開發(fā)板功耗極低，達(dá)到uA 級別，經(jīng)測傳輸數(shù)據(jù)完成后，110 s 后進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)上傳時(shí)，立即數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，非常適合企業(yè)單位使用。

網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)UDP 服務(wù)器，編寫程序。因?yàn)榭紤]到實(shí)時(shí)性，所以選擇UDP 為主要的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。UDP 是一個(gè)無連接協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時(shí)就簡單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端UDP 傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計(jì)算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制在接收端，UDP 把每個(gè)消息段放在隊(duì)列中，應(yīng)用程序每次從隊(duì)列中讀一個(gè)消息段。數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)Socket 并監(jiān)聽端口。然后啟動(dòng)線程接收數(shù)據(jù)。用一個(gè)鏈表保存所有連上的客戶端，并通知連接成功。這樣，客戶端就有機(jī)會處理這一事件并作一些動(dòng)作。最后，當(dāng)客戶端斷開時(shí)，向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)事件，服務(wù)器就可以做一些收尾工作。數(shù)據(jù)處理，服務(wù)器收到客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，先進(jìn)行解碼，再進(jìn)行解析，然后存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，并對外提供接口，查詢相關(guān)標(biāo)簽數(shù)據(jù)[5]。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)為一個(gè)整體部分，首先將準(zhǔn)備好的標(biāo)簽貼在相對應(yīng)的工具上，當(dāng)工人結(jié)束工作時(shí)，將所有工具放入智能工具箱后蓋上蓋子，開始進(jìn)行工具檢測，智能工具箱的檢測分為手動(dòng)檢測以及語音檢測。

手動(dòng)檢測：手動(dòng)檢測需要在HMI 串口屏上點(diǎn)擊開始鍵，便開始自動(dòng)檢測，若工具齊全時(shí)，智能工具箱則會通過語音播報(bào)、HMI 串口屏顯示工具齊全的信息，也可通過手機(jī)或電腦在自主研發(fā)的網(wǎng)頁上查看工具是否齊全的信息。

語音檢測：當(dāng)說出指定的口令時(shí)，智能工具箱則會開始進(jìn)行自動(dòng)檢測，亦會通過語音播報(bào)、顯示屏顯示、網(wǎng)頁查看的方式了解工具是否齊全的信息。

當(dāng)物品齊全時(shí)，HMI 串口屏和網(wǎng)頁顯示檢測的所有物品信息，并顯示物品已齊全。

當(dāng)有物品丟失時(shí)，智能工具箱則會有語音播報(bào)、HMI 串口屏顯示、網(wǎng)頁信息顯示所丟失的工具，并顯示丟失物品的信息。

當(dāng)缺失工具時(shí)，手持檢測機(jī)會接收來自物聯(lián)網(wǎng)模塊所檢測缺失的工具信息，人拿著手持檢測機(jī)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，若檢測到工具發(fā)出的信號時(shí)，手持檢測機(jī)則會發(fā)出警報(bào)聲，越靠近所丟失的工具警報(bào)聲便會越響[6]。

4 作品先進(jìn)性及創(chuàng)新性

本系統(tǒng)的先進(jìn)性及創(chuàng)新性，首先表現(xiàn)在使用方面，本系統(tǒng)較現(xiàn)有的RFID 尋物技術(shù)尋物大多體積較大而進(jìn)行精簡設(shè)計(jì)，采用各模塊獨(dú)立工作，占用體積更小、使用更方便、尋找耗時(shí)少。其次控制方面，本系統(tǒng)加入了科大訊飛的語音控制系統(tǒng)，用戶可通過語音指令控制尋物系統(tǒng)完成檢測、報(bào)讀、檢測記錄查看及檢測記錄刪除等操作，體現(xiàn)了本系統(tǒng)的智能化尋控制。再次管理方面，用戶可通過電腦端或手機(jī)APP 訪問網(wǎng)頁查看物品的回收情況使得整個(gè)物品回收流程更具規(guī)范化，大大加強(qiáng)了對物品信息的管理與利用。最后在檢測方面上使用多標(biāo)簽過濾算法，該算法大大地提高了抗干擾性和極大地降低了讀錯(cuò)和漏讀的概率，作品實(shí)物圖如下頁圖2 所示。

5 結(jié)論

提出了一種基于RFID 檢測結(jié)構(gòu)，建立大規(guī)模RFID 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，即采用單信號接收極板對多標(biāo)簽測量，在此基礎(chǔ)上利用GSBMDP 標(biāo)簽檢測算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，有效地提高了標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取的穩(wěn)定性和標(biāo)簽數(shù)量的準(zhǔn)確性，減少標(biāo)簽誤讀、錯(cuò)讀或漏讀機(jī)率，同時(shí)多方式進(jìn)行人機(jī)交互，解決了戶外工作人員清點(diǎn)工具不便，遺漏工具的問題。