鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件運輸有源電子標(biāo)簽設(shè)計

摘要：鋼結(jié)構(gòu)倉儲是鋼結(jié)構(gòu)加工后物流中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，冶金施工現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)運輸大多是依靠汽車運輸。電子標(biāo)簽的信息采集和通信的可靠性對于鋼結(jié)構(gòu)倉儲物流管理至關(guān)重要。文章通過設(shè)計基于STM32的有源電子標(biāo)簽，用于鋼結(jié)構(gòu)倉儲物流，通過433MHz射頻通信與標(biāo)簽識別器交換信息，提高倉儲管理效率。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)倉儲；有源電子標(biāo)簽；RFID；STM32；433MHz

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0085-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

1 課題來源及意義

鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和安裝對于項目進(jìn)度和順利投產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。目前公司承擔(dān)的冶金項目中，鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝的體量巨大。通過對多個煉鋼、連鑄工程項目的鋼結(jié)構(gòu)安裝總量進(jìn)行匯總和對比，我們發(fā)現(xiàn)，一個煉鋼、連鑄生產(chǎn)線的鋼結(jié)構(gòu)總量在2萬噸左右，其構(gòu)件數(shù)量約為3萬件。如何確保這數(shù)萬件構(gòu)件能夠按照項目安裝進(jìn)度相互匹配，是一個亟待解決的問題。RFID物流系統(tǒng)可以運用RFID標(biāo)簽作為鋼結(jié)構(gòu)物流系統(tǒng)的一部分，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)過程中嵌入RFID標(biāo)簽，與物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合的物流系統(tǒng)能夠顯著提升每個環(huán)節(jié)的效率，使每個環(huán)節(jié)在高效性、準(zhǔn)確性與安全性方面都取得重大進(jìn)步[1]。

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被視為一種必然的發(fā)展趨勢，其中，日本、韓國、美國等發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其物聯(lián)網(wǎng)研究工作走在世界前列[2]。

要實現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，物流管理轉(zhuǎn)型是首要步驟。在物流倉儲數(shù)字化建設(shè)中，智能化的傳感器技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及當(dāng)前如火如荼的5G技術(shù)都是數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分[3]。

鋼結(jié)構(gòu)倉儲是現(xiàn)場物流中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在鋼結(jié)構(gòu)倉儲信息化方面，倉儲信息的采集和傳遞是基礎(chǔ)且重要的工作。倉儲信息的攜帶和傳遞由電子標(biāo)簽完成，電子標(biāo)簽對信息的采集和信息傳遞功能是否有效、可靠，直接關(guān)系到整個鋼結(jié)構(gòu)物流倉儲環(huán)節(jié)的管理和運營[4]。

2 電子標(biāo)簽的基本原理

有源電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)中，最主要的部分是微控制器和射頻前端，此外還包括一些輔助部分，如天線、存儲器和電源模塊等。微控制器和射頻前端選擇不同的芯片，其功能和作用范圍也將有所不同。有源電子標(biāo)簽的基本工作過程如下：與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信的是閱讀器，閱讀器在與有源電子標(biāo)簽連接后，首先會讀取標(biāo)簽的信息。在系統(tǒng)正式開始工作后，會首先配置射頻前端的狀態(tài)，讓其處于接收狀態(tài)，以接收電子標(biāo)簽的信息。當(dāng)感應(yīng)到電子標(biāo)簽的存在后，再由微控制器決定是否接收數(shù)據(jù)。在此期間，射頻前端需要等待來自微控制器的命令，若收到命令，則接收來自電子標(biāo)簽的信息，并同時給微控制器一個應(yīng)答，以防止重復(fù)發(fā)送命令導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

3 方案設(shè)計

3.1 本設(shè)計方案概述

射頻識別技術(shù)已經(jīng)是一種相對成熟的非接觸式識別技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過電磁耦合的方式對標(biāo)簽進(jìn)行自動識別，識別過程是非接觸的。隨著射頻識別技術(shù)的不斷發(fā)展和市場的日益擴大，越來越多的制造商正在推出各種功能的識別系統(tǒng)，并逐漸將其擴展到運輸行業(yè)領(lǐng)域[5]。

基于電子標(biāo)簽的基本讀取過程，本設(shè)計包含以下幾個方面，如圖1所示。

3.2 硬件設(shè)計

硬件部分是整個基于STM32設(shè)計的有源電子標(biāo)簽的基礎(chǔ)，也是最重要的部分之一。本文完成了電源電路設(shè)計、STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計（包含串行電路設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、LED指示燈電路設(shè)計和晶振電路設(shè)計） 、按鍵及蜂鳴器電路設(shè)計、通信接口電路設(shè)計、下載及調(diào)試接口電路設(shè)計和天線接口電路設(shè)計。

3.2.1 電源電路設(shè)計

本設(shè)計中的STM32具有多個電源引腳，典型工作電壓為3.3V。由于外置的+5V電源無法直接適配芯片，因此通過一個轉(zhuǎn)換器將+5V 直流電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V，以提供合適的電源電壓。當(dāng)電源穩(wěn)定供電時，電源LED中的藍(lán)燈會亮起，以起到提示作用。發(fā)光二極管LED1用于指示電源狀態(tài)。其他保護(hù)元件，如F1 保險管，用于過流保護(hù)；電容C1、C3用于防止自激振蕩，抵消電感效應(yīng)；電容C2、C4用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，對高頻噪聲和振蕩有很好的抑制作用，同時防止電壓不穩(wěn)定時對系統(tǒng)造成損害。

3.2.2 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計

存儲方式：STM32單片機開發(fā)板支持多種存儲方式，本設(shè)計中采用串行FLASH芯片作為開發(fā)板的存儲方式。開發(fā)板集成了一個容量為128Mbit（共16M字節(jié)） 的串行FLASH，型號為W25Q128FVSIG，掛載在STM32的PA5、PA6、PA7和PA13接口上。電路設(shè)計圖如圖2所示。

復(fù)位電路：對于STM32微控制器，當(dāng)復(fù)位引腳處于低電平時，微控制器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鍵按下時，微控制器的引腳變?yōu)榈碗娖剑瑢崿F(xiàn)復(fù)位功能；不需要復(fù)位時，按鍵處于彈開狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。按鍵按下時可能會產(chǎn)生抖動，導(dǎo)致電壓出現(xiàn)不平滑的毛刺信號，此時需要一個濾波電容來過濾電壓變化，使其趨于平緩。當(dāng)開關(guān)打開，7端口為高電平，復(fù)位結(jié)束。

LED指示燈電路：當(dāng)單片機正常工作時，LED指示燈點亮。電容和電阻起到平穩(wěn)電壓的作用，避免指示燈閃爍導(dǎo)致對系統(tǒng)狀態(tài)的錯誤判斷。按下復(fù)位鍵時，LED燈的正向端口接地，LED燈熄滅；復(fù)位鍵未被按下時，LED燈的正向端口有電源供電，LED燈點亮。

晶振電路：STM32 微控制器需要兩個外部時鐘源，分別為高速外部時鐘源（HSE）和低速外部時鐘源（LSE）。由于外部時鐘更加穩(wěn)定精確，程序一般默認(rèn)使用外部時鐘；若無外部時鐘，則采用內(nèi)部時鐘源。本設(shè)計中均選取外部時鐘源。高速外部時鐘源通過產(chǎn)生精確的主時鐘來驅(qū)動外部設(shè)備；低速外部時鐘源為片內(nèi)時鐘提供時鐘源，要求功耗低且精確度高。選擇接入電容以及1K歐姆的電阻，確保晶振能夠正常起振并維持時鐘穩(wěn)定。本設(shè)計中選用20pF 電容作為HSE的負(fù)載電容，10pF電容作為LSE的負(fù)載電容。

3.2.3 按鍵及蜂鳴器電路設(shè)計

由于蜂鳴器的工作電流較大，STM32無法直接提供如此大的電流，因此使用三極管進(jìn)行驅(qū)動。電阻R10主要用于防止蜂鳴器誤發(fā)聲。由于三極管的特性，其基極必須串接電阻，否則容易造成電路故障，并可能影響STM32微控制器的IO口。發(fā)射極也需要串接電阻，用于在高阻態(tài)輸入時保護(hù)電路，使其可靠截止。在GPIO處同樣適用，此處不再贅述。

3.2.4 通信接口電路設(shè)計

C1101是本設(shè)計選用的通信接口電路的芯片，它可以處理數(shù)據(jù)包、緩沖數(shù)據(jù)，快速處置數(shù)據(jù)傳輸并且對電磁波方面的激發(fā)也可以進(jìn)行處理，它是一個高集成、多功能、低功耗的射頻芯片。通信接口電路如圖3 所示。

3.2.5 下載及調(diào)試通信接口電路設(shè)計

BOOT0和BOOT1是STM32微控制器最基本的引腳，這兩個引腳會產(chǎn)生三種電平狀態(tài)，用以控制微控制器在復(fù)位后的程序執(zhí)行區(qū)域和工作模式。通常情況下，BOOT0和BOOT1引腳接地，無須特殊設(shè)置。

下載及調(diào)試通信接口電路由BOOT電路和SWD 電路組成，是STM32用于數(shù)據(jù)輸入、程序下載及運行的電路設(shè)計。

3.2.6 晶振電路與天線接口電路設(shè)計

由于調(diào)制好的信號不能直接被接收，其中的高次諧波會影響信息內(nèi)容，而射頻電路正是為此而存在，它對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換并消除毛刺，使信息傳輸更加準(zhǔn)確。而傳輸好的信息，則需要天線將其轉(zhuǎn)化為電磁波進(jìn)行傳遞。因此，本模塊非常重要，無線模塊的好壞直接關(guān)系到數(shù)據(jù)及通信的穩(wěn)定性，是整個設(shè)計的關(guān)鍵部分。

如圖4所示，在CC1101的各項外圍元件中，C1是數(shù)字部分片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的退耦電容，C2、C3是晶體負(fù)載電容，C4、C5充當(dāng)射頻平衡轉(zhuǎn)換器，射頻平衡轉(zhuǎn)換器的DC模塊電容由C8擔(dān)任，L1、L2、L3也屬于射頻平衡轉(zhuǎn)換器的一部分。射頻LC濾波模塊電容（直流） 由C9擔(dān)任。C6、C7也是匹配電容，用于射頻濾波，同功能的還有L4、L5、L6。電阻R是內(nèi)部偏電流參考電阻，整個電路的晶振采用外接帶兩個電容負(fù)載的晶體振蕩器。

經(jīng)過阻抗匹配后的射頻電路再加上天線，CC1101 與天線之間的電路完成，如圖5所示，其中也需要平衡轉(zhuǎn)換器的參與。平衡轉(zhuǎn)換器也被稱為BALUN電路，C17、L4、C19和L5形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，平衡轉(zhuǎn)換器電路的作用是轉(zhuǎn)換端口信號的形式。L5、L7、C21構(gòu)成一個T型濾波器電路，電容C20、C21、C22起濾波作用。整個電路的晶振采用外接帶兩個電容負(fù)載的26MHz晶體振蕩器。

選擇天線需要根據(jù)電路的要求進(jìn)行。對于有源電子標(biāo)簽的設(shè)計而言，在一個功率不大、距離較遠(yuǎn)的射頻識別系統(tǒng)中，需要信息接收可靠、不易受惡劣環(huán)境影響、成本低廉的天線。在此電路中，直接選用50Ω的天線。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)倉儲中的應(yīng)用是冶金施工領(lǐng)域的熱點。它將RFID技術(shù)與無線傳輸和信息安全等技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個鋼結(jié)構(gòu)倉儲物流的運輸、信號識別的信息管理系統(tǒng)，為鋼結(jié)構(gòu)施工管理以及鋼結(jié)構(gòu)倉儲中的存儲、運輸?shù)葦?shù)據(jù)的更新與變化提供更高效的管理[6]。本文研究的有源電子標(biāo)簽相對于無源電子標(biāo)簽具有更明顯的優(yōu)勢。有源電子標(biāo)簽的傳輸距離更遠(yuǎn)，能更多地應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件運輸；讀取速度更快，能提高鋼結(jié)構(gòu)施工中的工作效率；并且更能適應(yīng)惡劣環(huán)境，促進(jìn)其他施工專業(yè)大體量設(shè)備的應(yīng)用[7]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林君暖.基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的智能物流系統(tǒng)設(shè)計研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2016（2）：38-40.

[2] 董紅星，李夢.鐵路貨運倉儲物流發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向研究[J].中國管理信息化，2016，19（12）：117.

[3] 陳海明，崔莉.面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型檢測[J].計算機學(xué)報，2016，39（5）：853-871.

[4] 潘晶鵬，鐘敏，趙光.基于有源RFID技術(shù)的北京大興機場資產(chǎn)設(shè)備點檢系統(tǒng)[J].自動化應(yīng)用，2019（1）：74-75.

[5] 陳黎明，王蓉，李恒.倉庫管理的信息化技術(shù)應(yīng)用趨勢[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2018，31（6）：110-112.

[6] 張成海.完善機制 共享數(shù)據(jù) 統(tǒng)一追溯編碼標(biāo)準(zhǔn)：追溯的歷史、現(xiàn)狀、趨勢與對策[J].中國自動識別技術(shù)，2018（1）：31-39.

[7] 王瑞卿，洪良，王曉華.基于RFID和ZigBee技術(shù)的服裝吊掛系統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計[J].紡織高校基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)報，2017，30（4）：490-495，502.

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