基于RFID 技術(shù)的危化品管理柜的開發(fā)

褚靖，張洋，岳雷，彭啟偉，曹西征

(1.中電聯(lián)(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100000；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100000；3.中國電力科學研究院有限公司，北京 100000；4.南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇 南京 210000；5.北京合銳賽爾電力科技股份有限公司，北京 100000)

0 引言

危化品擁有特殊的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)，且不同危化品之間存在著不同特性，從而給對應(yīng)的儲存管理帶來嚴峻考驗。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及智能時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到各行業(yè)里，與通信傳感嵌入式技術(shù)不斷完善，其依托于硬件設(shè)備形成集成系統(tǒng)，功能性不斷健全，并可以借助于可視化設(shè)備實現(xiàn)最優(yōu)用戶體驗。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于易燃易爆、具有腐蝕性、毒害性的危化品的監(jiān)管中，能夠從危化品的存儲環(huán)境、狀態(tài)、人員信息、操作以及預(yù)警信息進行全方位的監(jiān)管，其包含有危化品入庫、取用、歸還、報廢等管理模式。因此在其中嵌入硬件技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)，可以用于開發(fā)基于RFID 技術(shù)的危化品管理柜，這種管理柜能夠形成柜式危化品安全管控系統(tǒng)，嵌入到實驗室倉儲、物流、運輸?shù)母鱾€生命管理流程的全過程當中[1]，可以提高對危化品的監(jiān)管效率和降低存儲風險，對于類似危化品貨物監(jiān)管開發(fā)管理柜的發(fā)展具有一定的參考價值。

1 基于危化品RFID 技術(shù)

射頻識別RFID 技術(shù)也被稱之為電子標簽技術(shù)，屬于一種非接觸自動識別技術(shù)，主要包含有讀寫器和電子標簽。在標簽設(shè)計、數(shù)據(jù)容量、應(yīng)用的各項讀取性能和環(huán)境影響上，RFID 標簽優(yōu)勢明顯，可以重復(fù)寫入信息循環(huán)使用，但相對成本較高。RFID 識別技術(shù)的優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于設(shè)備、倉儲管理領(lǐng)域當中[2]。由于危化品管理柜中容器大小不同，曲面條碼識別難度大，并且危化品的液體試劑會損壞所貼的紙質(zhì)條碼，因此為確保安全性、實用性，可以借助于RFID 標簽替代原本使用的條形碼和二維碼。

RFID 射頻識別的電子標簽和讀寫器應(yīng)用軟件構(gòu)成RFID 射頻識別系統(tǒng)，與傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽的不同，主要是含有內(nèi)置芯片、射頻天線和耦合元件，其工作頻段劃分為低頻、高頻、超高頻、微波四種形式。低頻高頻屬于電子耦合方式，讀取距離一般在1 m 以內(nèi)，常借助于IC 卡或ID 卡實現(xiàn)高頻RFID 技術(shù)。另外，利用電磁發(fā)射原理，其讀取距離最遠可達到幾米到十幾米，且內(nèi)部劃分不同能量驅(qū)動，分別有源標簽、半有源標簽和無源標簽。其中無源標簽讀寫器借助于天線激發(fā)射頻能量，此類讀取距離可達到十幾米，而半有源和有源標簽的能量內(nèi)部會安裝電池，讀取距離在100～1 000 m 之間。由此可見，將無源超高頻的RFID標簽應(yīng)用于危化品管理柜內(nèi)部屬于最佳方案，借助于超高頻RFID 讀寫模塊將信息寫入標簽內(nèi)部，可以最大程度減少人員流動頻率以及人員檢測頻率。

2 危化品管理柜的結(jié)構(gòu)

危化品管理柜的構(gòu)成包含儲藏柜、指紋鎖、電子天平、系統(tǒng)專用軟件等。

2.1 儲藏柜

危化品的儲藏柜通過硬件改造可以構(gòu)建形成并聯(lián)的電子管理系統(tǒng)。柜體本身包含兩部分，前部分是放置試劑的儲藏空間，后部分屬于通風隔層，中間留有通風孔連接排風裝置，通風時長和通風頻率結(jié)合系統(tǒng)進行設(shè)置。另外改造的儲藏柜柜門留有通風孔，利用排氣扇帶動空氣流通，可以防止液體揮發(fā)出來的氣體滯留在儲藏柜內(nèi)部，影響操作人員安全。并且儲藏柜還配備有門磁感應(yīng)器、溫濕度感應(yīng)器，以保障儲藏柜內(nèi)部環(huán)境的干濕度以及安全控制[3]。

2.2 指紋鎖

每個儲藏柜配置指紋鎖，指紋鎖主要負責分配采集各終端的數(shù)據(jù)指紋、ID 特征碼和索引ID，對比終端傳輸至后臺，形成授權(quán)和組合權(quán)限的電子工單，并且只有在工作流程當中才能解鎖，否則即使授權(quán)，指紋也不能開鎖，指紋鎖的授權(quán)設(shè)定按照實際要求采用三組有效指紋。并且指紋鎖具備不可移交性、安全可靠性和強制性，一般執(zhí)行雙人雙鎖操作規(guī)則。

2.3 電子天平

電子天平最大量程超過1.6 kg，精度達到0.01 g，結(jié)合通信接口能有效讀取電子秤上的數(shù)據(jù)，跟蹤電子標簽ID，將信息傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器之后記錄新的數(shù)據(jù)，并且要保障數(shù)據(jù)的真實性、可靠性，避免人工干預(yù)。

2.4 系統(tǒng)專用軟件

該軟件是借助于Java 形成flash 客戶端的技術(shù)，整體結(jié)構(gòu)采用B/S 結(jié)構(gòu)，裝有flash player 的瀏覽器連接服務(wù)器后，輸入登錄名和密碼，可進入該軟件系統(tǒng)處理內(nèi)部信息，理論上可兼容用于PC 端，連接Windows 操作系統(tǒng)。

2.5 儲藏柜RFID 技術(shù)編碼規(guī)則

儲藏柜共分四層，間距35 cm，可放置30 瓶危化品，設(shè)計每一層放置一個4 dBi 的超高頻RFID 天線，以提高標簽掃描的可靠性，并連接讀寫器的四個通道與主控芯片，借助于串口實現(xiàn)信息的交互性，而且每瓶危化品試劑都配備RFID 唯一的ID 標簽。識別時，RFID 天線會自行發(fā)出對應(yīng)的射頻信號，掃描到瓶壁上的標簽，結(jié)合標簽產(chǎn)生的感應(yīng)電流能量將試劑內(nèi)部的編碼返回到掃描機當中，以此進一步識別、解析設(shè)計編碼，獲取該危化品試劑的物理狀態(tài)、屬性、名稱等一系列數(shù)據(jù)信息，以及這部分危化品試劑是否在儲藏柜內(nèi)部。其中每個標簽設(shè)置有24 位數(shù)字，第一位數(shù)字代表當前試劑所屬系統(tǒng)存儲柜的編號，第3～6 位代表危化品的劇毒屬性，編碼規(guī)則如圖1 所示。

圖1 RFID 標簽編碼規(guī)則

RFID 技術(shù)編碼規(guī)則包含了危化品自身屬性、所屬柜號、化學特性、名稱、相忌特性、狀態(tài)以及使用的滅火器。由此可見，實驗室內(nèi)部存儲柜里所放置的危化品編碼方案規(guī)則完備，分類更精細，便于識別信息[4]。

3 RFID 的技術(shù)識別

3.1 識別系統(tǒng)配置

文章借助于超高頻RFID 讀寫器和射頻天線識別危化品標簽，其中具體識別包含有RFID 模塊，自身配備有串口通信板。在具體操作中，該系統(tǒng)中的下位機數(shù)據(jù)利用嵌入式的控制模板接口傳輸給上位機平臺，再通過解析讀寫模塊傳輸數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建通信方式自主設(shè)計的嵌入式控制板，開發(fā)移動端的工控軟件可降低硬件模塊成本。另外，其內(nèi)部設(shè)置雙cpu，其中主cpu 讀取標簽，副cpu 則負責數(shù)據(jù)管理。

RFID 解析讀寫模塊的功能，只針對設(shè)置有蜂鳴器驅(qū)動接口的自帶通信接口板，在應(yīng)用當中借助于us art串口通信識別數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行交互。其系統(tǒng)內(nèi)部的電源接口PIN1～PIN4 插入5 V 的電源接口工作，設(shè)置PIN9～PIN10 的接口可以連接芯片引腳，再連接軟件可以實現(xiàn)標簽數(shù)據(jù)的互動傳輸。另外通過實驗驗證測試表明RFID 模塊設(shè)計系統(tǒng)降低了原來的硬件成本。

目前超高頻RFID 模塊有兩種模式，即緩存模式和實時模式。由于實時模式會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)而且具有重復(fù)性，顯然不適用于規(guī)模較大的危化品數(shù)據(jù)管理，因此，針對危化品進行的RFID 管理柜儲存的模式以緩沖模式為主。緩沖模式是將讀取的試劑標簽的內(nèi)部信息放入到模塊當中的緩存區(qū)域內(nèi)，模塊標簽經(jīng)過過濾后，發(fā)送到嵌入式模塊當中，這樣能夠減小通信數(shù)據(jù)量。在多重復(fù)雜的數(shù)據(jù)環(huán)境下，超高頻RFID 模塊緩存模式應(yīng)用可以劃分為三個步驟，一是打開天線通道；二是盤存數(shù)據(jù)；三是上傳數(shù)據(jù)。

超高頻RFID 的四通道模塊本身配備有四個高速輪詢的天線，且時間都在25 ms 之間，依次打開存儲柜的四天線，軟件當中會配置合適的輪詢次數(shù)，以避免對標簽漏掃。當模塊按照工作指令執(zhí)行時，數(shù)據(jù)包頭均以0xA0 作為開頭，默認地址是0x01 發(fā)送指令碼0x74，以此來打開填寫通道。填寫通道設(shè)置0x00到0x03 對應(yīng)四個天線模塊，依次打開發(fā)送0x80 盤存標簽，盤存過程重復(fù)次數(shù)按指定要求重復(fù)對管理柜內(nèi)部的標簽進行統(tǒng)計[5]。系統(tǒng)設(shè)置0x01，由于盤存時間太長，通道盤存形成一組一循環(huán)來讀取管理柜內(nèi)部的所有標簽數(shù)據(jù)，如果循環(huán)次數(shù)超過N 次，發(fā)送指令碼會在0x91 上傳數(shù)據(jù)并清空緩存。當獲得標簽數(shù)據(jù)之后，會附帶標記一個地址數(shù)據(jù)頭0xA0 以及后期的數(shù)據(jù)，用于明確總線獲得的標簽數(shù)據(jù)具有完整性，從而將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳到上位機軟件當中，此時讀取信息識別完成。具體過程如表1 所示。

表1 工作指令碼

3.2 RFID 標簽讀取與處理

RFID 數(shù)據(jù)讀取用于危化品的入庫、歸還、報廢和取用，在具體操作當中，先按照類型進行查詢，再打開對應(yīng)的界面，然后根據(jù)流程進行操作。流程劃分為以下四個步驟。

第一步，調(diào)取several parts tm32 當中的set common方法，從而發(fā)送開啟存儲柜門的指令，使其抵達STM32 模塊當中。

第二步，用戶操作之后，系統(tǒng)內(nèi)部的MCU 會接收到關(guān)門的信號，以此轉(zhuǎn)化為RS485 發(fā)送給控制機。

第三步，工控機開啟get RFID Siri 的線程，綜合下位機掃描標簽，掃描標簽完成之后將數(shù)據(jù)回傳給用戶。

第四步，結(jié)合上位機的軟件處理回傳的數(shù)據(jù)，將處理結(jié)果以可視化的視頻方式反饋給用戶，從而體現(xiàn)在操作記錄表的對應(yīng)界面上。

更新標簽和實現(xiàn)流程是在用戶操作觸發(fā)事件后，由控制器打開工控機，工控機獲取指令后將數(shù)據(jù)進行處理，以此使內(nèi)部系統(tǒng)的嵌入式模塊和IC 刷卡器觸動超高頻RFID 讀寫模塊，等待管理柜門開啟獲取數(shù)據(jù)，之后再將數(shù)據(jù)反饋給用戶。可見，用戶存取操作需要系統(tǒng)先予以判斷危化品標簽，通過標簽獲取信息后確定具體操作模式，工控機會結(jié)合數(shù)據(jù)標簽進行對比，再用軟件進一步判斷，以此來提升整個系統(tǒng)操作的便捷性和智能化。

內(nèi)部系統(tǒng)會根據(jù)工控機接收到的標簽數(shù)據(jù)信息，判斷儲存柜的柜號，以此執(zhí)行對應(yīng)的代碼語句，從而調(diào)用數(shù)據(jù)庫的危化品。因此，標簽會與系統(tǒng)內(nèi)部的信息進行對比，判斷是屬于現(xiàn)有設(shè)計標簽還是屬于返回原始標簽，并且會根據(jù)返回的RFID list 標簽更新數(shù)據(jù)以備查詢信息。

管理人員對入庫的試劑進行管理時，會在數(shù)據(jù)庫當中插入所要入庫的危化品數(shù)據(jù)信息，而在報廢試劑時，會調(diào)取數(shù)據(jù)庫信息予以刪除數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)內(nèi)部處理標簽數(shù)據(jù)時，最頻繁使用的是查詢數(shù)據(jù)庫信息。另外用戶操作的危化品是否具有有毒性，會導(dǎo)致在操作流程方面存在一定的差異性，這樣不僅能提升用戶操作系統(tǒng)的便捷性，還注重了危化品提取報廢使用的安全性，能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，避免錯誤操作。

4 結(jié)語

在危化品倉儲管理安全、精準的基礎(chǔ)上，以存儲柜為載體，構(gòu)建具備管理控制系統(tǒng)的危化品安全管理柜，并且從實驗室暫存庫房安全管理角度分析，構(gòu)建了合理的、自動化的、精細化的、智能化的管理柜方案，以提高管理效率。超高頻RFID 技術(shù)應(yīng)用于危化品管理柜動態(tài)信息實時跟蹤記錄，對危化品全生命周期予以監(jiān)管，便于管控危化品的風險節(jié)點，以及時排除安全隱患，并且綜合主控軟件以及嵌入式的模塊硬件構(gòu)建的上位機下位機系統(tǒng)，使管理柜的管控系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用RFID 技術(shù)讀取危化品試劑標簽信息的功能，也能夠結(jié)合RFID 技術(shù)予以識別試劑動態(tài)信息數(shù)據(jù)，由此可見，RFID 技術(shù)具有數(shù)據(jù)整合、分級管理、實時監(jiān)控、無人值守、便捷操作的優(yōu)勢，具有較高的應(yīng)用價值。