基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統

盧依思，盤茂杰，鄭思晴，梁煥詩，魏縱橫

（廣東技術師范大學計算機科學學院，廣州 510665）

0 引言

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，日常生活中需要使用的物品種類日益繁多，人們時常會遺忘或無法尋得自己所需物品。除此之外，一個人的生活態度也可從他所處環境的整潔程度反映出來。如何做好物品的存儲和管理工作，不僅是一個簡單的收納問題，更是一項人生的重要課題，收納對于提高人們生活便利是一件利大于弊的事情。因為物品都是有價值且被需要的，有必要將它們分類整理，并放置在合適的位置上。但是，傳統的物品收納只是依靠紙筆和便簽紙進行手工記錄，工作效率較低，而且容易出錯。在此背景下，如何利用智能設備進行物品收納管理成為人們關注的一個重要問題。

在物聯網技術的支持下，智能設備可以為物品添加相關信息屬性，在提供查找物品便利的同時，讓用戶能及時了解某些物品的重要信息，例如：家居智能設備的運行情況，藥品或者食品是否過期，等等。為了實現以上的物品收納管理功能，本文通過調研獲得物品收納管理系統的相關需求，并開發出了基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統。

1 國內外研究現狀

1.1 物品收納管理系統

目前市面上的物品收納管理系統，主要是針對貴重的、易丟失的物品，而這種系統大部分是面向需要管理物品較多的企業、行政機關單位或者是藏書較多的圖書館，只有極少部分是針對家庭收納管理的，而且成本較高，靈活性不足。

其中，魯金屏等設計的資產管理系統是用于事業單位的系統，支持手持閱讀器手動盤點、自動盤點設備遠程盤點這兩種資產盤點方式。唐贊淞等提出一種家庭物品智能管理系統方案，主要通過手機APP和RFID技術結合的模式，實現物品位置檢測及物品有效期提醒等功能。

1.2 4G

4G技術，即第四代無線通信技術，它擁有比3G更快的數據傳輸速度,以滿足傳輸多樣信息的需求，為人們的日常生活帶來極大的便利。

從2009年4G面世以來，信息技術行業在4G技術的推動下發生了翻天覆地的改變。高效的GPS，手機游戲的社交，汽車的智能化，電子媒體，短視頻，云計算和云存儲等技術在我國都得到了發展，這些技術被廣泛應用在人們生活的方方面面，是一種成熟的遠距離無線通信技術。

1.3 RFID

RFID技術使用電子標簽來標志某個物品，再通過讀寫器對標簽上數據進行收集和處理。作為非接觸性自動識別技術，射頻識別（RFID）已在國內外迅速發展。通過射頻信號可以捕獲靜態或者快速移動的物體相關信息，用來加以識別。與條形碼識別和直接標記技術相比，RFID技術有更長的讀取距離，更大的信息儲存容量，更高的防污染性能和可讀可寫的讀寫性能，并且能夠重復使用，在一個讀取過程中，可以同時閱讀多個電子標簽。目前，RFID技術在國內外的物品管理中得到了廣泛的應用，特別是在圖書管理和物流倉儲管理上。

2 需求分析

基于上述問題，本文從硬件和軟件兩方面對物品收納管理系統進行了詳細分析和設計，利用RFID技術，采用無線電信號識別的方式，無接觸式地讀取特定目標對應的數據信息。在不影響管理效率的同時，最大程度地降低物品管理難度。

為應對不同的應用場景，我們將系統分為兩大功能模塊：單物品操作功能、多物品操作功能。

在物品管理過程中，系統會對單個物品進行操作，面對日常的添加、借出、歸還、盤點，本系統有：添加物品（入庫）、拿出物品、放入物品、查詢物品等功能，實現對單個物品的日常操作；面對多物品操作，本系統有：多物品識別、拿出物品、放入物品、盤點物品等功能。多物品操作可實現批量操作，在一定程度上提高了物品的識別效率和準確率。同時，當我們需要對所有物品進行日常盤點時，多物品操作功能的多物品識別可以識別出周邊粘貼RFID標簽的物品，在顯示屏顯示所識別出的若干物品，倉庫盤點人員只需點擊該功能幾次，進行對比即可，大大提高盤點效率。

同時，為應對無區域網覆蓋的情況，我們在該系統加入了4G通信模塊，保證網絡的供給。用戶可根據需求，選擇加入或不加4G通信模塊。

3 系統設計

3.1 系統架構設計

基于RFID和樹莓派的物品收納管理系統整體架構如圖1所示，包括感知層、傳輸層和應用層。

圖1 按層次劃分的系統架構圖

感知層由RFID電子標簽、RFID閱讀器芯片以及主控板樹莓派組成，用于識別物品并采集相關數據；網絡層使用4G模塊將感知層采集數據上傳至云端；應用層則提供了一套樹莓派上位機系統和一套Web應用程序，用戶使用相應系統即可實現對物品的各種操作。

3.2 系統功能模塊劃分

本系統共提供了兩套應用軟件，系統整體的功能劃分如圖2所示，分為登錄注冊模塊、物品管理模塊、借還記錄模塊和盤點統計模塊，其中Web端實現了登錄注冊模塊、物品管理模塊的借出物品、歸還物品、借還記錄和盤點統計等功能；上位機軟件則實現了物品管理的所有功能以及借還記錄和盤點統計等功能。

圖2 系統功能劃分圖

4 硬件設計

4.1 硬件選型

此系統所需的硬件設備主要有：樹莓派、RFID模塊、4G模塊。下面將詳細介紹各硬件特點及選擇原因。

樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，以MicroSD卡為內存硬盤，擁有多個USB接口和I/O口，具有所有PC的基本功能，可以安裝系統，做服務器等，價格卻比計算機便宜許多，體積又小。因此，本系統選用了型號為PI4B-2GB的樹莓派。

RFID模塊包括了閱讀器芯片、天線和電子標簽。RFID具有電子標簽存儲信息量大、信息可修改、安全性高、無線傳播，以及信息傳輸范圍廣等優點。閱讀器芯片可以通過天線實現與電子標簽的無線通信，實現對標簽識別碼和內存數據的讀出和寫入操作。

4G模塊是基于4G網絡來進行通信的，是指支持TD-LTE和FDD-LTE等LTE網絡制式的統稱，具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活等特點。本系統采用的4G模塊為SIM7600CE 4G HAT。

4.2 硬件模塊搭建

樹莓派主板擁有多個USB接口和I/O口，因此本系統硬件層搭建只需將4G模塊通過樹莓派USB口相連，RFID閱讀器通過GPIO引腳口與樹莓派相連，硬件層具體架構如圖3所示。

圖3 硬件架構圖

5 軟件設計

5.1 軟件系統整體架構

基于RFID和樹莓派的物品管理系統在軟件方面主要由三部分組成：第一部分為樹莓派終端的以Python為腳本的物品管理程序，是本系統的核心軟件；第二部分為B/S架構的Web應用程序，提供給用戶更加便利的物品管理頁面，輔助樹莓派終端軟件，提升用戶體驗感；第三部分為組織、存儲和管理數據的云數據庫。系統整體架構圖如圖4所示。

圖4 系統整體架構圖

云數據庫具有低成本、高可靠和輕松部署等優點，在本套系統中起到了軟件中間件的作用。云數據庫是一個非常可靠又重要的中間件，它不僅能對樹莓派上傳的數據進行加工處理和保存，還可以與樹莓派終端軟件、Web端軟件實時連接，進行數據交互。通過使用云數據庫，兩套軟件系統之間形成了一條高效傳輸的數據鏈路。

樹莓派終端和Web網頁通過共同連接到云數據庫，實現物品數據共享，從而相輔相成地實現有序、合理的物品管理，實現物品管理的數據化、可視化。

5.2 樹莓派終端軟件設計

樹莓派終端軟件采用Qt設計UI界面，基于RFID模塊、4G模塊和樹莓派等硬件基礎，使用Python語言進行開發，通過感知層采集數據，并實時與云端進行數據交互，實現物品管理各項功能。

5.3 B/S架構的Web應用程序設計

Web采用 了Spring+SpringMVC+Mybaits的 框架加上Maven管理項目結構，實現前后端分離，并實時獲取云端數據，對云端數據進行查看修改，實現對物品管理數據的可視化。

5.4 數據庫設計

本系統采用MySQL語言進行數據庫設計，根據系統的需求分析與總體設計，為實現物品的各項管理操作，共設計有用于存儲物品信息的data表、用于存儲借出記錄的table_out_storage表、用于存儲歸還記錄的table_in_storage表共三張數據表。各表詳細結構如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 data表

圖6 table_out_storage表

圖7 table_in_storage表

6 系統實現

6.1 硬件功能實現

通過RFID模塊實現的功能主要是識別RFID標簽的EPC以及個數。利用射頻信號和空間耦合，實現對被識別物體的自動識別。RFID模塊通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。當一臺粘貼RFID標簽的物品進入某一特定區域，可立即被RFID模塊自動識別，同時串口將對應讀卡器號碼以及相應標簽信息內碼實時傳遞發送至樹莓派，從而展開批量入庫、出庫、清點等工作。RFID模塊識別到的標簽效果如圖8所示。

圖8 RFID模塊識別標簽效果圖

通過4G模塊實現的功能主要是提供網絡給樹莓派，輔助信息的上傳，應對周圍無區域網覆蓋的情況，在一定程度上降低了該系統的使用限制。

關于樹莓派使用串口發送命令，控制4G模塊的核心代碼如下所示：

4G模塊實現流程圖如圖9所示。

圖9 4G模塊實現流程圖

6.2 軟件實現

樹莓派終端軟件系統中，使用RFID閱讀器作為傳感器采集數據，通過樹莓派結合4G模塊上傳至云端并進行數據交互，從而實現入庫、借還、識別、盤點等物品管理操作。樹莓派終端軟件擁有Web軟件所沒有的RFID模塊，因此終端軟件擁有特有的入庫和RFID識別功能。當使用入庫、RFID識別或借還功能時，樹莓派將通過串口向RFID模塊發送讀取等命令，而RFID閱讀器則將接收的標簽信息返回給程序，程序對采集信息進行處理和再加工后，與云數據庫進行交互，從而實現各個功能。樹莓派終端的軟件流程見圖10。

圖10 樹莓派終端的軟件流程圖

樹莓派終端軟件主界面如圖11所示，主界面包含了各個功能按鈕，供用戶進行相應的物品管理操作。

圖11 主界面（菜單）

若用戶點擊“添加物品”按鈕，則系統識別一定范圍內的標簽，并生成如圖12所示的入庫表單，用戶補充物品信息即可完成物品入庫。物品借出、物品歸還與入庫功能的實現基本一致。

圖12 入庫表單

若用戶點擊“多物品識別”按鈕，則系統識別一定范圍內的標簽，并將各標簽及其對應物品信息生成如圖13所示的資產情況表格。若用戶點擊“盤點物品”按鈕，則系統將顯示如圖14所示的現有物品情況表格，該盤點界面還提供數據圖表化的按鈕，供用戶直觀地查看各類物品數據。

圖13 RFID識別功能示意圖

圖14 盤點功能示意圖

由于B/S架構具有無需安裝，只要有能上網電腦、手機就可使用的特點，本系統也設計了B/S架構的Web應用程序，該應用程序提供了物品管理功能、借還記錄的查詢功能和物品數據圖表化功能等。Web端根據需求劃分的功能框架圖如圖15所示。

圖15 Web端軟件整體架構圖

Web端軟件意在為用戶提供一條更方便的管理物品的渠道，輔助樹莓派終端軟件的使用。當用戶只需查看物品、修改物品或刪除物品等非RFID識別相關功能時，可直接使用本應用程序，從而達到簡單快捷的管理效果。

Web端的主要頁面如圖16至圖18所示。

圖16 登錄頁面

圖17 首頁（物品管理頁面）

圖18 物品數據圖表化

7 結語

本系統充分利用了RFID標簽成本低、壽命長和數據存儲量大等特點，解決了當前市面使用較多的條形碼存在的問題。本研究為用戶提供了兩套應用軟件，用戶可以通過樹莓派終端、PC端和手機端等設備對物品進行有序、高效的管理。

經過實踐，本系統對用戶的物品收納管理起到了一定的作用，能夠做到對物品數據的有效監控，大大提高了物品管理的效率，并解決了用戶對物品的閑置、遺忘問題，減少物品浪費，減輕用戶壓力。