基于QR二維碼與RFID射頻識別技術(shù)的裝備備件管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何翊飛，謝 晨，于 喜，胡華勇

（1.武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì)，陜西 西安 710086；2.火箭軍工程大學(xué) 研究生大隊(duì)，陜西 西安 710025；3.武警陜西省總隊(duì)保障部，陜西 西安 710054）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和增材制造技術(shù)的發(fā)展，備件全系統(tǒng)全壽命管理成為必然趨勢。為解決現(xiàn)有備件管理效率不高、數(shù)據(jù)存取繁瑣問題以及動態(tài)信息追蹤方面存在的不足，本文立足備件管理現(xiàn)狀與QR二維碼、RFID射頻識別兩種技術(shù)的特點(diǎn)，對備件管理信息系統(tǒng)進(jìn)行了必要性與可行性分析。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了備件管理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與信息通信方式。

1 QR二維碼與RFID射頻技術(shù)可行性分析

1.1 裝備備件管理現(xiàn)狀與系統(tǒng)需求分析

過去，裝備備件在很大程度上依靠專人進(jìn)行管理，通過紙質(zhì)檔案進(jìn)行集中整理、歸類、保存、調(diào)閱等。在人員更替、任務(wù)轉(zhuǎn)換時，交接手續(xù)繁瑣，報(bào)批程序復(fù)雜，不僅未能達(dá)到備件動態(tài)管理、全壽命跟蹤等精細(xì)化管理目標(biāo)，更無法滿足強(qiáng)度高、變化快的作戰(zhàn)保障需求。

隨著現(xiàn)代物流技術(shù)的發(fā)展和軍隊(duì)信息化建設(shè)不斷推進(jìn)，部分單位實(shí)現(xiàn)了備件資料電子化，相比于過去有了很大提升。為進(jìn)一步增強(qiáng)裝備備件供應(yīng)保障的主動性，減少供應(yīng)層次，簡化領(lǐng)用手續(xù)，節(jié)省領(lǐng)用時間，快速、及時地將備件送到一線末端，可基于當(dāng)前的備件數(shù)據(jù)庫，結(jié)合QR二維碼識別錄入快、RFID批量存取等優(yōu)點(diǎn)，探索改進(jìn)方法與措施，實(shí)現(xiàn)備件保障資源實(shí)時可現(xiàn)、保障活動實(shí)時可控。

1.2 QR二維碼與RFID射頻技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 QR二維碼編解碼過程

本文討論的QR（Quick Response）二維碼是第二代矩陣式二維條碼，由日本工程師原昌宏（Massahiro Hara）發(fā)明，通過在二維平面內(nèi)按一定規(guī)律排列黑白相間圖案記錄數(shù)據(jù)與符號信息。其組成通常包括：空白區(qū)、位置探測圖形、位置探測圖形分隔符、定位圖形、校正圖形、格式信息、版本信息、數(shù)據(jù)和糾錯碼。

編碼技術(shù)流程主要包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)編碼、糾錯編碼、構(gòu)造最終數(shù)字信息、構(gòu)造矩陣、添加掩碼、格式和版本信息等。QR解碼技術(shù)流程順序與編碼正好相反，即包括識別模塊、格式信息譯碼、確定版本、消除掩模、恢復(fù)數(shù)據(jù)和糾錯碼字、糾錯、數(shù)字碼字譯碼等步驟。

QR二維碼的編解碼基于Google提供的ZXing開源代碼庫，常見的開發(fā)語言環(huán)境如Java、C++、Python、C#、Object-C、Ruby等均可支持；目前被廣泛應(yīng)用于各類Android、IOS平臺的手持終端上，通過攝像頭完成對QR二維碼的掃描與生成工作。ZXing可以在無網(wǎng)絡(luò)連接的條件下實(shí)現(xiàn)二維碼的識別生成，并且可以讀取部分模糊或缺損二維碼，還可以實(shí)現(xiàn)多碼同時讀取，較為適合戰(zhàn)時高效備件、精準(zhǔn)保障。

1.2.2 RFID射頻識別技術(shù)特點(diǎn)

RFID即射頻識別技術(shù)，屬于自動識別技術(shù)的一種，通過無線電波實(shí)現(xiàn)非接觸式雙向數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)交換。本文研究的無源RFID由射頻卡（應(yīng)答器）、讀寫器（閱讀器）和應(yīng)用系統(tǒng)（包括連接線路）三部分構(gòu)成。通過電磁反向散射耦合進(jìn)行電磁感應(yīng)，閱讀器向電子標(biāo)簽提供工作能量。當(dāng)標(biāo)簽離開射頻識別場時，標(biāo)簽無能量激活處于休眠狀態(tài)；當(dāng)其進(jìn)入射頻識別場，閱讀器所發(fā)出的射頻波瞬間激活標(biāo)簽電路，通過整流的方法將射頻波轉(zhuǎn)換為電能存儲在標(biāo)簽中的微小電容內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1.3 可行性分析

QR二維碼的優(yōu)勢在于信息存儲密度大、可靠性高、容錯性好、保密性強(qiáng)、可表示數(shù)據(jù)的類型多、空間利用率高等。可將備件代碼、名稱、供應(yīng)廠商、規(guī)格型號、列裝單位、生產(chǎn)日期、質(zhì)量等級、維修保養(yǎng)要求、封存期限等詳細(xì)靜態(tài)信息生成二維碼，通過紙質(zhì)貼片打印形式粘貼附著在備件表面。

RFID射頻識別技術(shù)的優(yōu)勢在于標(biāo)簽批量存取、信息存儲量大、適應(yīng)環(huán)境范圍廣泛、信號穿透力強(qiáng)等，其電子標(biāo)簽可重復(fù)讀寫，便于實(shí)現(xiàn)對備件的全壽命跟蹤。利用RFID射頻卡編碼（產(chǎn)品電子代碼，Electronic Product Code, EPC）的唯一性來唯一標(biāo)識每個備件代碼，批量記錄出庫和入庫信息、維修保養(yǎng)動態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時庫存盤點(diǎn)、位置查詢。

根據(jù)QR二維碼與RFID射頻技術(shù)的特點(diǎn)，分別將其作為靜態(tài)、動態(tài)信息的記錄載體。可同時將二維碼和RFID標(biāo)簽打印于備件標(biāo)識卡進(jìn)行集成，兩種標(biāo)簽互為補(bǔ)充，當(dāng)其中一種損壞、脫落或失效，可通過掃描二維碼對備件情況迅速進(jìn)行補(bǔ)充，打印并錄入新的RFID信息，確保備件信息連續(xù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用輕前端重后端的設(shè)計(jì)思路，由手持終端與備件管理信息終端計(jì)算機(jī)相互配合，將采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)同步上傳至上級機(jī)關(guān)，充分發(fā)揮RFID信息高效采集、QR二維碼信息存儲量大的優(yōu)勢，提高備件信息掌控權(quán)限，最大化還原信息真實(shí)度。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

備件信息系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用局域網(wǎng)連接，并由以下部分組成：

（1）手持終端：作為前端重要組成部分，軟件由預(yù)裝的SaaS（Software as a Service）平臺模式完成備件信息采集，硬件由自動對焦攝像頭的工業(yè)級PDA或手持設(shè)備終端構(gòu)成。射頻模塊執(zhí)行GB/T 29768-2013標(biāo)準(zhǔn)，使用超高頻（Ultra High Frequency，UHF）的工作頻段920～925 MHz，讀寫距離為2.5～1 000 cm。嵌入式二維碼識別模塊根據(jù)GB/T 35420-2017物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，配合LED燈完成掃描或生成備件信息工作。

（2）RFID打印機(jī)：根據(jù)備件信息生成的QR二維碼和RFID電子標(biāo)簽在熱敏紙上進(jìn)行打印，將打印后的QR二維碼和RFID標(biāo)簽共同粘貼在備件上，其中QR二維碼也可由普通激光打印機(jī)打印，便于統(tǒng)計(jì)與讀取各項(xiàng)備件信息。

（3）Web服務(wù)器：備件管理信息系統(tǒng)后端服務(wù)器操作系統(tǒng)為Linux，基于J2EE框架下的JBoss進(jìn)行源代碼開發(fā)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁管理更新。當(dāng)接收到瀏覽器發(fā)送的請求后，服務(wù)器處理該請求并將結(jié)果反饋回瀏覽器。服務(wù)器前端頁面支持JSP、extjs、velocity寫入，表現(xiàn)層使用耦合性較低且便于維護(hù)的Spring MVC，持久層使用Hibernate，業(yè)務(wù)層使用Spring框架模式。

（4）Elasticsearch搜索應(yīng)用服務(wù)器：作為一種分布式、高擴(kuò)展、高實(shí)時的搜索與數(shù)據(jù)分析引擎，將數(shù)據(jù)庫搜索壓力傳導(dǎo)至集群，使大量備件數(shù)據(jù)具有搜索、分析和探索的能力。

（5）Redis緩存應(yīng)用服務(wù)器：一種通過分布式緩存的方式應(yīng)對MySQL備件數(shù)據(jù)庫高密度查詢請求的內(nèi)存對象緩存系統(tǒng)，能夠減輕數(shù)據(jù)庫連接池與Elasticsearch搜索引擎并發(fā)處理的壓力，平衡負(fù)載，進(jìn)而提高查詢處理效率。

（6）軍用加密無線路由器：采用基于局域網(wǎng)通信方式，有效連接手持終端與備件管理信息系統(tǒng)終端計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。WiFi路由器無線信號覆蓋區(qū)域室內(nèi)可達(dá)100 m，室外可達(dá)400 m范圍，穿透性強(qiáng)、覆蓋廣，可實(shí)現(xiàn)對備件信息實(shí)時識別統(tǒng)計(jì)、修改完善。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 備件基本履歷信息模塊

備件基本履歷信息模塊包括備件名稱、生產(chǎn)日期、出入庫時間、型號代碼、供應(yīng)廠商、列裝單位參戰(zhàn)記錄等基本履歷信息。其中動態(tài)備件信息存儲在RFID電子標(biāo)簽中，在手持終端上就可以進(jìn)行讀寫修改，便于定位備件和查詢信息，QR二維碼中記錄靜態(tài)備件信息等永久存儲類型信息。

2.2.2 備件實(shí)時庫存狀態(tài)模塊

實(shí)現(xiàn)庫存?zhèn)浼?shù)目盤點(diǎn)、批量信息修改、實(shí)時位置查詢，同時根據(jù)大修記錄、重大故障、壽命周期、封存時限生成到檢、保養(yǎng)、報(bào)廢預(yù)警等提示信息。

2.2.3 備件動態(tài)管理日志模塊

詳細(xì)記錄每次出入庫包括請領(lǐng)歸還、使用測試、訓(xùn)練保障、維修保養(yǎng)、退役報(bào)廢等環(huán)節(jié)的具體時間以及負(fù)責(zé)人員等信息，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)單據(jù)電子化、全壽命簽名數(shù)字化。

2.2.4 備件性能結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模塊

存儲備件作戰(zhàn)性能、環(huán)境要求、缺陷信息、CAD模型等，便于戰(zhàn)時快速維修與3D打印。不同層級賦予不同訪問系統(tǒng)終端權(quán)限，確保備件系統(tǒng)安全保密。前三層級備件信息由作業(yè)處理層人員負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)，這一功能的性能結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)被賦予更高權(quán)限，訪問密鑰由管理控制層專人專管。

2.2.5 備件綜合信息查詢模塊

根據(jù)提交的字、句、段落、數(shù)據(jù)等以及具體時間、人員、狀態(tài)、型號信息，實(shí)現(xiàn)模糊查詢與精確查詢相結(jié)合的方式，并且可以根據(jù)備件數(shù)據(jù)整理自動生成圖表或綜合報(bào)表，實(shí)現(xiàn)信息分析功能。

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用QR二維碼與RFID射頻技術(shù)，將有效促進(jìn)備件管理信息系統(tǒng)的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)。由用戶按不同權(quán)限在手持終端登錄系統(tǒng)并提交請求后，系統(tǒng)自動根據(jù)功能需求進(jìn)入SaaS預(yù)裝的操作界面，根據(jù)是否需要掃描進(jìn)行下一步工作，如需批量錄入出入庫等動態(tài)信息、射頻識別編碼、記錄數(shù)量、修改數(shù)據(jù)；如果需要獲得備件生產(chǎn)日期、供應(yīng)廠商等詳細(xì)靜態(tài)信息則掃描二維碼，直接在終端上就可完成信息查找、修改、補(bǔ)錄等工作。當(dāng)遇有標(biāo)簽脫落、二維碼損壞或因少錄入、未錄入等導(dǎo)致賬、物、卡不符的情況，通過掃描即可迅速定位，便于對備件與相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行倒查和信息補(bǔ)充。完成操作保存后系統(tǒng)會生成新的備件數(shù)據(jù)信息，通過打印機(jī)進(jìn)行補(bǔ)打印后粘貼或磁性附著即可。日志中會自動記錄出入庫時間、人員等操作信息，便于查詢，無須重復(fù)補(bǔ)充，完成后退出操作界面即可。

3 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和增材制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于裝備工作各個方面，備件全系統(tǒng)全壽命管理成為未來智能化戰(zhàn)爭的必然趨勢。本文立足備件管理現(xiàn)狀與QR二維碼、RFID射頻識別兩種配套技術(shù)的特點(diǎn)，對備件管理信息系統(tǒng)進(jìn)行了必要性與可行性分析。在此基礎(chǔ)上對備件管理信息系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有用戶賦權(quán)、備件數(shù)據(jù)查詢、動靜態(tài)信息感知、狀態(tài)智能預(yù)警、數(shù)據(jù)報(bào)表自動生成等特點(diǎn)。

通過將QR二維碼與RFID射頻識別技術(shù)應(yīng)用于備件管理信息系統(tǒng)，有效提高備件精細(xì)化管理水平，促進(jìn)新軍事變革中的技術(shù)要素充分發(fā)揮作用，提高再生戰(zhàn)斗力生成效率，大大減少人工操作過程中無法避免的信息誤差與資源浪費(fèi)，降低作戰(zhàn)保障過程中存在的效率低下、保障失準(zhǔn)等問題，提升保障效能。系統(tǒng)以備件數(shù)據(jù)矩陣的表現(xiàn)方式克服傳統(tǒng)描述性信息的失真問題，以扁平化的組織架構(gòu)縮短信息傳輸鏈路，向戰(zhàn)略決策層提供從預(yù)研到再制造新裝備的建議。通過這一方式，未來將不斷提升備件管理水平與裝備保障效能。

注：本文通訊作者為于喜。