基于4G全網(wǎng)通智能電子工牌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴志慶 盧天祥 張東斌

摘? 要：設(shè)計(jì)一款融合4G通信系統(tǒng)、加速度傳感器、RFID，以及多種定位技術(shù)的智能電子工牌，為企業(yè)提供綜合管理解決方案。4G通信系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話、數(shù)據(jù)傳輸，可促進(jìn)員工之間的高效互聯(lián)和信息共享；加速度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，有效管理電源能耗，確保工牌可靠性和續(xù)航時(shí)間；RFID技術(shù)用于簡(jiǎn)化考勤管理，提高考勤數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；多種定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，提高安全生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)可提升企業(yè)生產(chǎn)效率和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)企業(yè)管理向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能電子工牌；4G移動(dòng)通信系統(tǒng)；定位技術(shù)；加速度傳感器；RFID

中圖分類號(hào)：TP311.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）23-0190-06

Design of Intelligent Electronic Work Card System Based on 4G All Network Communication

LAI Zhiqing1， LU Tianxiang2， ZHANG Dongbin2

（1.Guangdong Beidou Xingsheng Education Technology Co.， Ltd.， Guangzhou? 510630， China;

2.China Rongtong Security International Group Co.， Ltd.， Beijing? 100007， China）

Abstract： Design an intelligent electronic work card that integrates 4G communication system， acceleration sensor， RFID， and multiple positioning technologies to provide comprehensive management solutions for enterprises. The 4G communication system supports real-time voice calls and data transmission， promoting efficient interconnection and information sharing among employees; the acceleration sensor monitors the operation of the equipment， effectively manages power consumption， and ensures the reliability and endurance of the work card; RFID technology is used to simplify attendance management and improve the accuracy of attendance data; multiple positioning technologies achieve real-time position monitoring and improve safety production efficiency. This system can improve the production efficiency and industry competitiveness of enterprises， and promote the development of enterprise management towards digitalization and intelligence.

Keywords： Intelligent Electronic Work Card; 4G mobile communication system; positioning technology; acceleration sensor; RFID

0? 引? 言

在當(dāng)今的數(shù)字化和智能化時(shí)代，企業(yè)辦公環(huán)境正朝著更高效、更智能的方向發(fā)展。智能電子工牌是一種全新的工作模式，在企業(yè)辦公中的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯。本文介紹一種智能電子工牌，采用4G全網(wǎng)通的通信模式，融合了多種定位方式（包括GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、LBS（基站定位系統(tǒng)）、Wi-Fi定位、BT（藍(lán)牙定位）），可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話、實(shí)時(shí)定位、考勤打卡和一鍵SOS等功能，輔助管理人員實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的崗位管理，保障了工作人員的權(quán)益，從降低成本、優(yōu)化管理、提高工作效率、塑造企業(yè)形象等方面為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

智能電子工牌系統(tǒng)集成了一系列的功能，為現(xiàn)代企業(yè)辦公帶來(lái)巨大的便利和效益。該系統(tǒng)可提供免費(fèi)的語(yǔ)音通話功能，使員工之間能夠輕松實(shí)現(xiàn)即時(shí)溝通，促進(jìn)了員工之間的協(xié)作和信息交流，提高了員工的工作效率；系統(tǒng)采用4G全網(wǎng)通通信模式，確保通信暢通無(wú)阻；多種定位方式（包括GNSS、LBS、Wi-Fi和BT）使管理人員可以隨時(shí)追蹤員工的位置，有助于提高工作內(nèi)容的可視性，優(yōu)化資源配置，增強(qiáng)工作場(chǎng)所的安全性；考勤打卡模塊通過(guò)電子方式記錄員工的工作時(shí)間，簡(jiǎn)化了考勤管理流程，減少了糾紛和誤差；系統(tǒng)還提供一鍵SOS功能，員工可以在緊急情況下快速發(fā)出求助信號(hào)，從而保障了員工的安全。

1.2? 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

該智能電子工牌的硬件組成如圖1所示。主要由電源管理電路、顯示鍵盤電路、喇叭麥克電路、三軸傳感器電路、SIM卡電路、GNSS模組電路、藍(lán)牙模組電路、RFID模組電路和AIR724核心板電路共九個(gè)模塊組成。

1.3? 各功能模塊實(shí)現(xiàn)

1.3.1? 電源管理電路模塊

電源管理電路如圖2所示，其主要功能是確保設(shè)備獲得穩(wěn)定的電源供應(yīng)。外部電源入口采用當(dāng)前主流的USB-C口，連接端口采用靜電防護(hù)TVS管ESD05V14T-LC，該TVS管結(jié)電容低、體積小，符合IEC61000-4-2防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求；充電IC采用MP26028EQ，它是一款高性能線性單節(jié)鋰離子電池充電器，該芯片集成高壓輸入保護(hù)，可以承受高達(dá)20 V的輸入浪涌，支持恒定電流（CC）和恒定電壓（CV）充電模式，可提供最大至1 A的可調(diào)充電電流、可調(diào)電池滿電閾值、過(guò)溫保護(hù)、電池溫度監(jiān)測(cè)、反向電流阻斷和涓流充電功能。通過(guò)LDO IC SP6205EM5-L-3-3/TR對(duì)GNSS模組、藍(lán)牙模組、RFID模組的電源進(jìn)行按需輸出，最大可以支持500 mA的電流；核心板AIR724UG模組采用電池直接供電，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)器（ADC）對(duì)外部電源輸入狀態(tài)及電池容量進(jìn)行檢測(cè)與測(cè)量；為保存GNSS的星歷數(shù)據(jù)及時(shí)鐘，采用可充電的環(huán)保鋰電池ML414H-IV01E作為備用電源供電。

1.3.2? 顯示鍵盤電路模塊

顯示鍵盤電路如圖3所示，包括OLED顯示屏、鍵盤、工作指示燈。SPI接口0.96寸的OLED顯示屏，用于顯示各種信息和用戶界面，同時(shí)還處理鍵盤輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備的互動(dòng)；2×4矩陣鍵盤，用于輸入信息或選擇不同的選項(xiàng)，以滿足各種應(yīng)用需求；在熄屏的狀態(tài)下，可以通過(guò)工作指示燈及信號(hào)指示燈了解設(shè)備的待機(jī)狀態(tài)。

1.3.3? 喇叭麥克電路模塊

喇叭和麥克風(fēng)電路用于音頻輸入和輸出。喇叭負(fù)責(zé)播放聲音，其對(duì)于語(yǔ)音通話、警報(bào)鳴響和通知發(fā)布非常重要。麥克風(fēng)用于捕獲輸入的聲音，允許用戶進(jìn)行語(yǔ)音通話、發(fā)出SOS信號(hào)或錄制聲音。

1.3.4? 三軸傳感器電路模塊

采用由Bosch Sensortec開發(fā)的BMA250A三軸加速度傳感器。它提供全方向的動(dòng)態(tài)加速度測(cè)量，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、智能手表和其他便攜式設(shè)備，本設(shè)備采用的I2C接口與核心板連接，提供高精度的加速度數(shù)據(jù)，用于檢測(cè)設(shè)備的加速度和方向變化，以確定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3.5? SIM卡電路模塊

設(shè)計(jì)采用兩張SIM卡有助于提高通信的穩(wěn)定性和可靠性。有些時(shí)候，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在某些地區(qū)可能不穩(wěn)定或信號(hào)較差，同時(shí)使用兩個(gè)不同運(yùn)營(yíng)商的SIM卡，設(shè)備可以在信號(hào)較差的情況下自動(dòng)切換到更好的網(wǎng)絡(luò)，從而更好地保持通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.3.6? GNSS模組電路模塊

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）是設(shè)備定位的關(guān)鍵部分，采用中科微電子的ATGM336H（基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片—AT6558），支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（包括中國(guó)的BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS（WAAS、EGNOS、GAGAN、MSAS）），具有低成本、低功耗、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，適用于車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備，可以直接替代國(guó)外的GPS模塊。采用低功耗、高增益、低噪聲系數(shù)的低噪聲放大器（LNA）芯片AT2659S作為內(nèi)置有源天線，支持北斗、GPS、GALILEO、GLONASS等L1頻段衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；典型噪聲系數(shù)為0.8 dB；典型功率增益為20 dB；典型輸入P1dB為-15 dBm；工作頻率為1 550～1 615 MHz；電流消耗為4.4 mA；寬供電電壓范圍為1.4～3.6 V；2.0 kV HBM ESD管腳保護(hù)電路；內(nèi)部集成的50 Ω輸出匹配電路；外圍電路。

1.3.7? 藍(lán)牙模組電路模塊

藍(lán)牙模組采用的是Silicon Labs公司的BG22藍(lán)牙芯片，它是一款低功耗芯片，專為室內(nèi)和室外定位應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)，支持藍(lán)牙定位服務(wù)（Angle of Arrival - AoA和Angle of Departure - AoD），使其在實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航領(lǐng)域表現(xiàn)出色。具有高精度、低功耗和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，可用于跟蹤和定位物體、人員或資產(chǎn)。

1.3.8? RFID模組電路模塊

RFID模組采用NXP Semiconductors（恩智浦半導(dǎo)體）公司的PN532，該芯片是一款高性能的13.56 MHz RFID（射頻識(shí)別）模塊，用于讀取和寫入NFC（近場(chǎng)通信）卡片和標(biāo)簽。它支持ISO14443 Type A和B、MIFARE以及FeliCa等協(xié)議，使其適用于多種應(yīng)用，如門禁系統(tǒng)、智能卡、票務(wù)系統(tǒng)、支付解決方案和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。PN532模塊提供I2C、SPI和UART等接口，方便與各種微控制器和單片機(jī)進(jìn)行通信。它具有高度集成的天線驅(qū)動(dòng)和解調(diào)器，能夠在不同環(huán)境下快速、可靠地識(shí)別RFID卡片。本設(shè)計(jì)采用UART接口與核心板連接，用于識(shí)別和跟蹤物品或員工，還可用于射頻識(shí)別技術(shù)，用于員工考勤打卡、訪問(wèn)控制和資產(chǎn)管理等應(yīng)用。借助RFID技術(shù)，設(shè)備可以與特定標(biāo)簽或卡片進(jìn)行通信，識(shí)別并記錄相關(guān)信息。

1.3.9? AIR724核心板電路模塊

核心板電路采用的是上海合宙的Air724UG-NFM，是一款基于紫光展銳UIS8910DM平臺(tái)設(shè)計(jì)的LTE Cat 1無(wú)線通信模組，支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠(yuǎn)距離通信和Bluetooth近距離無(wú)線傳輸技術(shù)，同時(shí)支持VoLTE、Audio、Camera、LCD、Keypad等功能，支持Wi-Fi Scan，模組提供有USB、UART、SPI、I2C、SDIO等通用接口，滿足IoT行業(yè)的各種應(yīng)用訴求。充分利用Air724UG-NFM模組提供的豐富接口進(jìn)行開發(fā)，采用SDIO進(jìn)行電源及按鍵的管理，SPI對(duì)接顯示屏，I2C獲取加速度傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)，3路UART通過(guò)IC TXB0108PWR進(jìn)行1.8 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換，分別與GNSS、藍(lán)牙、RFID模組進(jìn)行通信，通過(guò)Wi-Fi Scan功能實(shí)現(xiàn)Wi-Fi定位功能（Wi-Fi與Bluetooth只能二選一）。

通過(guò)如圖2所示的電源管理電路，如圖3所示的顯示鍵盤電路，如圖4所示的RFID、藍(lán)牙、GNSS電路，如圖5所示的核心板、SIM卡、加速度傳感器、喇叭、麥克等電路模塊相互協(xié)同工作，使智能電子工牌具備多種功能，其中包括通信、定位、聲音輸入/輸出、用戶界面與其他設(shè)備和系統(tǒng)的互聯(lián)。

2? 嵌入式設(shè)計(jì)

終端嵌入式軟件由平臺(tái)層（展銳8910）、硬件驅(qū)動(dòng)層、功能模塊層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層5部分組成。

2.1? 平臺(tái)層（展銳8910）

基于展銳8910平臺(tái)的平臺(tái)層提供一個(gè)強(qiáng)大的基礎(chǔ)框架（包括FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），用于任務(wù)管理和調(diào)度，Scan Wi-Fi模塊允許設(shè)備掃描并連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)；LWIP提供了TCP/IP協(xié)議棧，支持網(wǎng)絡(luò)通信；4G Cat.1模塊使設(shè)備能夠通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸；FS（文件系統(tǒng)）支持文件存儲(chǔ)和管理；GPIO、UART、I2C和SPI接口提供與外部硬件設(shè)備通信的能力，從傳感器到外圍設(shè)備均可使用這些接口。

2.2? 硬件驅(qū)動(dòng)層

硬件驅(qū)動(dòng)層為多種硬件設(shè)備提供支持。Gsensor（加速度傳感器）用于檢測(cè)設(shè)備的傾斜和運(yùn)動(dòng)；OLED（有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏）提供高質(zhì)量的圖形和文本顯示，用于用戶界面和信息顯示；RFID（射頻識(shí)別）模塊允許設(shè)備與RFID標(biāo)簽進(jìn)行通信；藍(lán)牙（BT）支持短距離通信，通過(guò)對(duì)藍(lán)牙基站信號(hào)的掃描實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置服務(wù)；GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）提供定位和導(dǎo)航功能，用于室外位置服務(wù)；Key（按鍵）支持用戶輸入，用于設(shè)備控制和交互。

2.3? 功能模塊層

功能模塊層可為嵌入式系統(tǒng)提供核心功能。初始化模塊確保系統(tǒng)的正確啟動(dòng)和硬件資源的初始化，為其他模塊提供一個(gè)可靠的基礎(chǔ)；控制算法模塊則涵蓋了各種算法和邏輯，用于智能控制硬件設(shè)備的行為（從傳感器數(shù)據(jù)的處理到?jīng)Q策制定）；坐標(biāo)變換模塊在多傳感器環(huán)境中起到關(guān)鍵作用，確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，對(duì)導(dǎo)航和位置服務(wù)發(fā)揮至關(guān)重要的作用；信號(hào)處理模塊（4G）用于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，處理網(wǎng)絡(luò)通信和連接管理，支持實(shí)時(shí)通信和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；定位融合模塊將多種定位技術(shù)（如GNSS、Wi-Fi、藍(lán)牙和LBS）整合在一起，以提供更準(zhǔn)確的位置信息。這些功能模塊協(xié)同工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的多功能性和適用性。

2.4? 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是嵌入式系統(tǒng)的核心，包括多個(gè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)模塊，它們共同構(gòu)建了系統(tǒng)的功能和行為。系統(tǒng)初始化業(yè)務(wù)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動(dòng)，初始化各硬件資源和配置，為后續(xù)操作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；電源管理業(yè)務(wù)涉及設(shè)備的電源控制，以優(yōu)化能源消耗，延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)使用傳感器數(shù)據(jù)和控制算法來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)；通信業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程通信，支持實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換；RFID射頻識(shí)別技術(shù)用于標(biāo)簽識(shí)別；狀態(tài)指示業(yè)務(wù)通過(guò)LED、屏幕等設(shè)備狀態(tài)指示元素向用戶提供設(shè)備狀態(tài)信息，提高用戶交互性；位置狀態(tài)業(yè)務(wù)整合多種定位技術(shù)，如GNSS、Wi-Fi、藍(lán)牙和LBS，用以提供準(zhǔn)確的位置信息服務(wù)。在一些業(yè)務(wù)模塊的協(xié)同工作下，構(gòu)建了嵌入式系統(tǒng)的核心功能，從智能設(shè)備控制到位置跟蹤和通信，這個(gè)多層次的業(yè)務(wù)邏輯體系使得系統(tǒng)功能強(qiáng)大，更加智能和高效。

2.5? 應(yīng)用層

在終端上電或開機(jī)后，嵌入式系統(tǒng)開始進(jìn)行硬件初始化，讀取相應(yīng)的硬件的參數(shù)，4G讀取SIM卡的信息后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，注冊(cè)成功后與后臺(tái)服務(wù)器建立連接，按照應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與發(fā)送，將相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，通過(guò)調(diào)用不同的業(yè)務(wù)邏輯模塊實(shí)現(xiàn)多樣化的應(yīng)用功能，提升了工作場(chǎng)所作業(yè)的效率、安全和互動(dòng)性。實(shí)時(shí)定位功能利用定位融合模塊，結(jié)合GNSS、Wi-Fi、藍(lán)牙、LBS等技術(shù)，實(shí)時(shí)提供員工位置信息；通話/對(duì)講功能通過(guò)調(diào)用通信業(yè)務(wù)邏輯模塊，使員工之間可進(jìn)行語(yǔ)音通話調(diào)度；考勤打卡功能簡(jiǎn)化了員工考勤流程，通過(guò)調(diào)用考勤業(yè)務(wù)邏輯模塊，員工可以輕松完成簽到和簽退工作，省卻了煩瑣的手動(dòng)記錄，提高了考勤的準(zhǔn)確性，降低了管理成本；SOS緊急求助功能通過(guò)調(diào)用安全業(yè)務(wù)邏輯模塊，為員工提供一鍵緊急求助的功能，增強(qiáng)了工作場(chǎng)所的安全性。

整個(gè)終端的嵌入式功能架構(gòu)如圖6所示。

3? 功能測(cè)試

電子工牌的功能測(cè)試是確保該系統(tǒng)各個(gè)功能正常運(yùn)行和符合預(yù)期需求的重要測(cè)試階段。以下是可能涵蓋的一些功能測(cè)試點(diǎn)：

1）個(gè)人定位功能。測(cè)試系統(tǒng)是否能夠準(zhǔn)確獲取員工的位置信息，并顯示在相關(guān)界面上，如圖7、圖8所示。

2）通話/對(duì)講功能。驗(yàn)證通話/對(duì)講功能是否能夠建立通信，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話，測(cè)試通話質(zhì)量和通信延遲。

3）考勤打卡功能。測(cè)試員工是否能夠使用工牌進(jìn)行簽到和簽退，記錄工作時(shí)間，確保考勤數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，如圖9所示。

4）SOS緊急求助功能。測(cè)試SOS緊急求助按鈕的可用性，確保緊急消息能夠及時(shí)發(fā)送。

通過(guò)細(xì)致的功能測(cè)試，可以確保電子工牌系統(tǒng)的各個(gè)功能正常工作，滿足員工需求，提高工作效率，同時(shí)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性。

4? 結(jié)? 論

電子工牌作為現(xiàn)代工作場(chǎng)所的關(guān)鍵工具具備多項(xiàng)功能，包括個(gè)人定位、通話/對(duì)講、考勤打卡、SOS等，用以提高作業(yè)安全性和管理便捷性。通過(guò)不斷地測(cè)試和改進(jìn)，電子工牌系統(tǒng)可以成為多用途工具，為企業(yè)提供數(shù)字化和智能化的解決方案，提升工作場(chǎng)所的生產(chǎn)效率。希望電子工牌的廣泛應(yīng)用可以為員工帶來(lái)更加便捷、更加智能的工作體驗(yàn)，同時(shí)促進(jìn)工作場(chǎng)所的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。

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作者簡(jiǎn)介：賴志慶（1980—），男，漢族，廣東蕉嶺人，電子技術(shù)工程師，本科，研究方向：車聯(lián)網(wǎng)電子技術(shù)；盧天祥（1989—），男，漢族，河南商丘人，中級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)；張東斌（1979—），男，漢族，山東泰安人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：電子與信息技術(shù)、信息資源管理。