基于RFID技術(shù)的智能文件定位柜設(shè)計(jì)

丁雙定，龔結(jié)龍，楊學(xué)俊，朱 坤

（中電海康-浙江海康科技有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷突破，人工成本的提高，以及文件種類和數(shù)量的不斷累積，文件的智能化手段也多種多樣。其中，RFID技術(shù)是近幾年發(fā)展最快的管理手段之一。基于RFID的文件管理系統(tǒng)雖然應(yīng)用較普遍，但其難點(diǎn)并不在于軟件平臺(tái)端，而是在于RFID文件柜的讀全率和讀準(zhǔn)率。特別是發(fā)生倉庫文件轉(zhuǎn)移、借用、調(diào)用等事件時(shí)，讀全率和定位準(zhǔn)確率決定了文件的溯源、定位、查找等是否能滿足使用需求。而市面上基于無源RFID技術(shù)的文件柜，幾乎都存在一定的漏讀和串讀問題，在精準(zhǔn)定位方面存在欠缺。避免串讀和漏讀的技術(shù)手段也多種多樣，如根據(jù)天線盤點(diǎn)時(shí)間和標(biāo)簽分組的方式優(yōu)化讀全率，引入防碰撞算法提高標(biāo)簽的讀取準(zhǔn)確率，采用RFID標(biāo)簽定位方法實(shí)現(xiàn)文件準(zhǔn)確定位。但漏讀率和串讀率是一對(duì)矛盾的因子。當(dāng)漏讀率低的同時(shí)，容易引起相鄰標(biāo)簽的串讀。本文通過合理的近場(chǎng)天線陣列設(shè)計(jì)和區(qū)域定位算法可以實(shí)現(xiàn)文件的精準(zhǔn)區(qū)域定位，真正實(shí)現(xiàn)RFID賦能文件的智能化管理應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)

本文主要介紹了智能文件柜的軟硬件設(shè)計(jì)，其整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中，主柜含有Android人機(jī)交互主機(jī)，主副柜均含有RFID主控板及天線陣列。RFID主控和天線陣列是智能柜的核心組件。主副柜之間可通過網(wǎng)口級(jí)聯(lián)，形成一組智能柜，由主柜與文件管理平臺(tái)/上位機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互，1臺(tái)主柜最多可以級(jí)聯(lián)20臺(tái)副柜單元。

圖1 智能柜體總體框架

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能文件定位柜的功能需求，硬件配置主要包括Android主機(jī)，RFID主機(jī)及天線陣列，人機(jī)交互顯示屏等。智能框體硬件框圖如圖2所示。

圖2 智能柜體硬件框圖

柜體結(jié)構(gòu)為5層，每層4個(gè)存放區(qū)域，單柜共20個(gè)存放區(qū)域。柜體內(nèi)每個(gè)區(qū)域下鋪設(shè)定制的PCB雙饋點(diǎn)近場(chǎng)天線陣列。天線陣列的饋線接到安裝在柜體左側(cè)隔層內(nèi)的天線分支器陣列的輸出口，其中每一層布置1分8路的分支器。RFID主控板包含8端口的RFID模塊、鎖控和燈控單元，位于柜體頂部隔層。RFID模塊與每一層的分支器射頻線相連接，RFID主控與天線分支器陣列之間通過485通信。柜門采用對(duì)開方式，柜門由電控鎖控制。頂部含有緊急機(jī)械開鎖開關(guān)，可通過專用鑰匙打開。柜體頂部和每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的層板位置均含有定位指示燈。

每個(gè)文件存放區(qū)域之間用金屬擋板隔開。實(shí)際使用時(shí)將文件存放在文件袋/文件盒中，文件袋底部貼上RFID標(biāo)簽，文件豎放排列在各區(qū)域。

Android 主機(jī)搭載17寸電容觸摸屏，與攝像頭模組、刷卡模組、指紋模組和語音模組實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，嵌入安裝在左柜門上，負(fù)責(zé)智能柜的文件業(yè)務(wù)和人機(jī)交互。RFID主機(jī)負(fù)責(zé)柜體RFID數(shù)據(jù)的盤點(diǎn)和鎖控、燈控部分。Android主機(jī)和RFID主機(jī)之間通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交互。Android主機(jī)采用RK3288主芯片，運(yùn)行Android 7.1系統(tǒng)。RFID主機(jī)采用TI AM335x主芯片，運(yùn)行Linux 4.0系統(tǒng)，搭載基于IPJ R2000的高端RFID模塊。

天線陣列包含20塊PCB雙饋點(diǎn)近場(chǎng)天線，每個(gè)區(qū)域一塊。該天線通過雙饋點(diǎn)方式可實(shí)現(xiàn)天線場(chǎng)強(qiáng)分布范圍可控且場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度均勻分布。每一塊天線的雙饋點(diǎn)分布連接到分支器的其中2個(gè)端口，RFID主控開始工作時(shí)，分別盤點(diǎn)饋點(diǎn)1和饋點(diǎn)2所連天線電路，形成的2個(gè)場(chǎng)強(qiáng)在空間分布上互相彌補(bǔ)，有效避免單饋點(diǎn)天線引起的盲區(qū)弱區(qū)問題。電源模塊采用輸出12 V/8 A的開關(guān)電源為硬件電路供電。副柜電源可通過級(jí)聯(lián)線從主柜取電。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

智能文件定位柜的軟件分為3大部分，其中柜體包含Android主機(jī)的APP程序和RFID主控的軟件程序，文件管理平臺(tái)作為智能文件柜的業(yè)務(wù)管理軟件。智能文件管理柜的軟件框圖如圖3所示。本文重點(diǎn)關(guān)注柜體端的軟件設(shè)計(jì)。

圖3 軟件框架

Android 主機(jī)運(yùn)行Android 7.1.2系統(tǒng)，搭載17寸電容觸摸屏，主要完成與RFID主控板的文件柜標(biāo)簽數(shù)據(jù)交互，結(jié)合文件管理平臺(tái)的文件業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員存取權(quán)限控制、文件精準(zhǔn)定位、存取記錄自動(dòng)記錄、異常提醒等功能。Android主機(jī)配置雙目攝像頭模組、IC刷卡模組和指紋模組，實(shí)現(xiàn)人員權(quán)限控制。語音模組用于對(duì)人機(jī)交互操作進(jìn)行語音提醒。

RFID主控的軟件核心功能為RFID多標(biāo)簽的盤點(diǎn)和定位。由于RFID的技術(shù)特性，同一個(gè)標(biāo)簽可以被一定范圍內(nèi)的多根天線讀到，需要通過定位算法準(zhǔn)確得出每一個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的區(qū)域位置，從而完成對(duì)標(biāo)簽的準(zhǔn)確定位。啟動(dòng)盤點(diǎn)時(shí)，首先根據(jù)RFID天線陣列形成三維立體空間模型，依次使能每一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的天線進(jìn)行標(biāo)簽盤點(diǎn)，匯總整柜盤點(diǎn)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分析得到天線陣列信息表、每根天線盤點(diǎn)到某文件標(biāo)簽的RSSI信號(hào)強(qiáng)度值、某文件標(biāo)簽被盤點(diǎn)的次數(shù)等參數(shù)值。將這些參數(shù)值通過多標(biāo)簽定位算法計(jì)算后逐一得出文件標(biāo)簽的最優(yōu)位置，再根據(jù)當(dāng)前柜體數(shù)據(jù)庫中在庫的文件進(jìn)行差異比較，得出本次存取的文件數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，文件柜中存放文件袋和文件盒。每區(qū)域按照≤50個(gè)文件袋，整柜存放≤1 000本RFID文件進(jìn)行存取測(cè)試，RFID標(biāo)簽選用長條形標(biāo)簽，貼于文件底部的中間位置。連續(xù)進(jìn)行1 000次存取操作，定位準(zhǔn)確率≥99.5%，讀全率100%。每區(qū)域按照≤20個(gè)1 cm寬度的文件盒，整柜存放≤400個(gè)文件盒進(jìn)行存取測(cè)試，連續(xù)進(jìn)行1 000次存取操作，定位準(zhǔn)確率≥99.9%，讀全率100%。

文件柜實(shí)物存取示意圖如圖4所示。配合使用的文件管理上位機(jī)如圖5所示。

圖4 實(shí)物展示

圖5 文件管理上位機(jī)軟件

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)的智能文件定位柜，主要用于存放文件盒/文件袋/圖書等形式的文本材料。針對(duì)RFID技術(shù)應(yīng)用于文件管理的漏讀和串讀痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于近場(chǎng)天線陣列，結(jié)合定位算法實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)區(qū)域定位柜。該文件柜可完成對(duì)整柜文件標(biāo)簽的完整盤點(diǎn)和準(zhǔn)確定位，通過人臉識(shí)別等權(quán)限控制，實(shí)現(xiàn)專人專管。通過自動(dòng)記錄存取信息和位置信息，配合文件管理平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)文件的智能化管理。