基于超高頻RFID的儲能系統智能鑰匙柜的設計

摘要：文章設計了一款基于超高頻RFID技術和觸摸屏交互的儲能站智能鑰匙柜。該鑰匙柜創新性地集成遠距離圓極化天線和4.3英寸觸摸屏交互界面，實現了鑰匙的精準識別與便捷操作，使系統鑰匙識別準確率顯著提升，平均借還時間縮短至10秒以內，較傳統方案效率提升80%以上。系統通過RFID技術實現鑰匙的精準識別，并采用改進的防沖突算法，使多標簽群讀峰值可達700張/秒。觸摸屏提供友好的用戶交互界面，同時具備遠程監控和數據管理功能。研究結果表明，該智能鑰匙柜能有效提高儲能站鑰匙管理的效率和安全性，為電力設施管理提供新的解決方案。主要技術貢獻包括：提升多標簽復雜環境下的識別穩定性，縮短借還流程時間。

關鍵詞：智能鑰匙柜；超高頻RFID；高增益天線；觸摸屏；儲能站；智能化管理

中圖分類號：TP391" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）24-0098-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著“雙碳”目標的推進和新型電力系統的建設，儲能站作為電力系統的重要樞紐，其安全管理面臨前所未有的挑戰。傳統機械鑰匙管理方式導致的運維效率低下和安全問題日益凸顯，特別是在極端天氣頻發的背景下，鑰匙管理的智能化升級已成為行業亟待解決的痛點。為此，本研究設計了一款基于超高頻RFID技術和觸摸屏交互的智能鑰匙柜，旨在提高鑰匙管理的智能化水平。智能鑰匙柜的創新之處在于，采用工作頻率為902～928 MHz的超高頻RFID技術，配合定制化高增益圓極化天線，實現中遠距離識別和360°全向讀取能力，識別準確率顯著提升。此外，系統集成的4.3英寸工業級觸摸屏采用防眩光設計，支持手套操作和濕手觸控，極大提升了在變電站等復雜環境下的操作便捷性。系統還具備遠程監控和數據管理功能，為儲能站的鑰匙管理提供全面的解決方案。

1 系統需求分析

在儲能站中，通常存在大量設備和工具需要管理，且鑰匙管理需確保安全、便捷與高效。現有鑰匙管理系統存在一些不足，例如傳統人工管理存在安全隱患，無法實時監控鑰匙使用情況，操作復雜等。基于此，智能鑰匙柜應滿足以下需求：

高效管理：快速讀取鑰匙信息，鑰匙識別響應時間≤0.5 s，支持1 000條/s的數據處理能力，實時記錄每把鑰匙的使用情況，避免鑰匙丟失或錯亂。

安全性：設置多級權限管理（管理員、運維員等） ，只有授權人員才能取用和歸還鑰匙，防止非授權人員使用。

操作便捷：通過觸摸屏提供圖形化操作界面，觸摸屏響應時間≤0.3 s，具備應急機械解鎖裝置，方便用戶操作。

可擴展性：支持通過RS485、RS232等接口接入多個擴展柜，支持未來對更多設備的接入與管理。

可靠性：系統可在?30 ℃～+70 ℃環境溫度范圍內穩定運行，支持雙電源冗余供電。

1.1 ESP32-S3

主控芯片及其特點 ESP32-S3搭載的雙核處理器主頻高達240 MHz，內置512 KB SRAM，具有豐富的通信接口和多種低功耗模式，支持Wi-Fi和藍牙等無線通信[1]，非常適合用于物聯網設備。 在本系統中，ESP32-S3作為智能鑰匙柜的核心控制模塊，能夠高效管理高頻RFID讀卡器的數據、鑰匙的存取記錄、觸摸屏交互界面、狀態查詢、權限設置等功能。觸摸屏的引入使操作更加直觀便捷，結合ESP32-S3的低功耗特性，確保系統在長時間運行中的穩定性和節能性，為用戶提供高效、智能的鑰匙管理體驗。

1.2 TPS5430電源芯片

TPS5430[2]是一款高效、同步降壓型DC-DC轉換器，支持最大3 A的輸出電流和高達95%的轉換效率。其寬輸入電壓范圍和低導通電阻的MOSFET設計，使其特別適用于多種電源輸入場景，如鋰電池或外部直流電源。由于其高效性能和小巧設計，TPS5430能夠滿足智能鑰匙柜中多個模塊（如ESP32-S3、RFID讀卡器、觸摸屏等） 的穩定供電需求，同時減少系統功耗與發熱，確保設備高效運行和長時間工作。 在本系統中，TPS5430的高輸出電流能力和優異的效率非常適合支持物聯網設備和嵌入式系統中對電源的高要求，尤其在多個模塊同時工作的情況下，可以確保系統穩定可靠地供電。

1.3 RFID讀卡器

本系統采用L460型號、雙核E710主控芯片的多通道RFID讀卡器，具備卓越的多標簽識別能力，標簽群讀峰值可達700張/秒。結合先進的防沖突算法和數據模型，能夠在高密度標簽環境中快速、穩定地識別大量標簽[3]。其支持RS232、RS485、USB、以太網等多種通信接口，提供靈活的系統集成方案。 選擇L460讀卡器，是因為其高讀取速度和出色的多標簽處理能力，能夠滿足儲能站中鑰匙數量多、讀取要求高的特點，確保系統在高效管理和高密度環境下的穩定運行。

1.4 高頻圓極化天線

本系統采用遠距離超高頻（UHF） 圓極化天線，顯著提升信號接收范圍和讀取性能。考慮到儲能站中的鑰匙可能以不同方向擺放，圓極化天線能夠有效降低對標簽方向的要求，實現任意角度的信號接收。該天線輻射范圍廣、靈敏度高，能夠在5 m以內的范圍內穩定識別標簽[4]，確保在多標簽和復雜環境下的高效識別。 圓極化天線的設計使得即使標簽處于不同角度或位置，系統也能快速、準確地完成識別。其遠距離特性進一步擴展了讀取范圍，適用于大范圍、高密度的應用場景，如倉儲管理、物流跟蹤和智能安防等領域。在本系統中，天線的優化性能顯著增強了適應性和可靠性，確保RFID識別過程的高效性和穩定性。

2 系統設計

2.1 系統架構

智能鑰匙柜的系統架構包括RFID讀卡器、高頻圓極化天線、4.3英寸觸摸屏、主控模塊（ESP32） 、安全控制模塊及通信模塊。各模塊通過高效協同，實現智能化、便捷化和安全性的鑰匙管理。系統架構圖如圖1所示。

RFID讀卡器模塊：利用超高頻RFID技術實現快速讀取帶RFID標簽的鑰匙信息，具備高讀取速度和長距離識別能力。

高頻圓極化天線模塊：配合RFID讀卡器使用，增強RFID信號的傳輸距離和質量，提高識別精度和覆蓋范圍，確保在復雜環境下高效識別。

觸摸屏模塊：提供直觀的用戶交互界面，支持鑰匙的借用、歸還、管理設置等操作，觸摸屏采用高清顯示屏，能夠清晰地顯示操作信息和提示，提升用戶體驗。

ESP32主控模塊：負責存儲所有操作數據，包括鑰匙的借用、歸還和使用人信息。采用加密存儲和認證機制，確保數據的安全性和隱私保護，支持后續查詢與分析。

安全控制模塊：控制柜體的門鎖、報警系統以及與外部設備的通信，確保柜體的物理安全性和穩定性。

2.2 RFID讀卡器與高增益天線

RFID（射頻識別） 技術是一種基于射頻信號進行非接觸式通信的技術。在本設計中，采用超高頻（UHF） RFID讀卡器，快速識別并讀取鑰匙上附加的RFID標簽。每個標簽包含唯一的身份標識（ID） ，實現精確的鑰匙管理，具有高效的識別能力，識別速度可達到每秒700個標簽。

高增益天線與RFID讀卡器配合使用，提升了信號的傳輸質量與接收范圍。天線的高增益性能保證在復雜環境中，RFID標簽依然能夠穩定讀取。這使得鑰匙柜可以在不同環境下有效工作，不受外界干擾。

2.3 觸摸屏操作界面

本智能鑰匙柜配備了4.3英寸觸摸屏，作為用戶交互界面，提供直觀且流暢的操作體驗。該觸摸屏分辨率為800×480像素，確保顯示內容清晰細致，用戶操作更為便捷。界面設計遵循人機交互設計原則，采用扁平化設計風格，確保界面簡潔、直觀，且符合用戶操作習慣。用戶通過觸摸屏可完成以下操作：

查詢鑰匙狀態：顯示當前鑰匙是否可用、借用人信息及歸還時間等。

鑰匙借用與歸還：用戶通過輸入授權信息（如密碼或刷卡） 進行鑰匙借用與歸還，觸摸屏將實時更新鑰匙狀態，確保系統的實時性和準確性。

報警功能：當出現非法操作或柜體異常（如未按時歸還鑰匙） 時，觸摸屏將顯示報警信息，并可觸發警報系統，及時提醒相關人員采取行動。

歷史記錄查詢：管理員可以通過觸摸屏查看鑰匙的借還記錄，確保每把鑰匙的使用軌跡可追溯，增強管理的透明度與安全性。

2.4 數據存儲與管理

系統通過主控模塊外接SD卡[5]實時記錄所有操作信息，包括鑰匙的借用、歸還及異常操作等數據。該存儲卡選用了閃迪32 GB的存儲容量，能夠有效支持大量數據的存儲，保證長期運行的可靠性和高效性。所有操作數據都被實時寫入該存儲卡，并使用LittleFS[6]文件系統進行管理，確保系統能夠及時處理并記錄每一次操作，提升系統響應速度和可靠性。

數據存儲格式：

所有操作記錄（如鑰匙借用、歸還、異常操作等） 都以JSON格式存儲。每一條記錄都包含時間戳、操作類型、操作員信息、鑰匙編號、借用時長、歸還狀態等字段。JSON格式便于結構化存儲和后續查詢、分析。

歷史記錄查詢：

用戶可以通過4.3英寸觸摸屏隨時查詢歷史記錄。屏幕上顯示操作記錄的列表，用戶可通過日期、操作類型、用戶ID等篩選條件進行精確查詢。每一條記錄顯示詳細信息，包括操作時間、鑰匙編號、借用時長及狀態等。通過觸摸屏，用戶還可以選擇查看單條詳細信息，確保操作的透明性和可追溯性。

報表生成：

系統支持自動生成詳細報表，幫助管理人員分析鑰匙使用情況，優化管理流程。報表內容包括以下方面：

鑰匙使用頻率：統計每個鑰匙的借用次數，顯示借用高頻和低頻鑰匙，便于管理人員對資源進行合理調配。

借用時長分析：計算每個借用操作的時長，并按時間段（如日、周、月） 匯總，幫助管理人員了解鑰匙的使用模式，優化借用時長的管理。

異常操作統計：列出所有異常操作記錄（如未歸還、逾期歸還等） ，并進行分析，幫助管理人員及時采取措施預防類似事件發生。

2.5 安全設計

智能鑰匙柜的安全設計包括物理安全與系統安全兩方面：

物理安全：為了提高智能鑰匙柜的防破壞能力，本系統采用高強度金屬外殼，并配備符合GB/T 10408-2000防撬標準的加固部件，確保在遭受意外沖擊或非授權外力嘗試時，依然能夠提供有效防護。柜門配備電控鎖，斷電后仍可保持鎖定狀態，有效防止惡意開鎖。此外，柜體表面可選配報警傳感器，當檢測到明顯震動或強力撬動時，立即觸發聲光報警。

系統安全：在系統層面，采用AES對數據傳輸和存儲進行加密處理，確保敏感信息（如用戶ID、鑰匙ID、操作日志等） 不被竊取或篡改。用戶權限分為“管理員”“操作員”兩類，管理員具備查看全部歷史操作及修改配置的權限；普通操作員僅可進行借還鑰匙。所有操作都需要經RFID卡或密碼驗證，系統會自動記錄驗證結果。在異常情況下，如多次識別失敗或驗證超時，則觸發聲光警報并禁止進一步操作。

通過以上物理與系統兩層安全策略，從硬件到軟件實現了智能鑰匙柜的全方位防護。

2.6 電源與能效

智能鑰匙柜采用穩定的電源供電，通過節能策略，系統在待機狀態下關閉屏幕顯示和RFID讀卡器，使其保持較低能耗。主控模塊支持低功耗模式，結合高效的電源管理芯片，進一步降低了系統運行時的能耗。這種設計不僅保障了鑰匙柜的長期穩定運行，還減少了維護成本，適用于需要高可靠性和節能環保的應用場景。

2.7 硬件設計

2.7.1 電源模塊

選用TPS5430作為5 V輸出的供電芯片，AMS1117把5 V轉化成3.3 V，如圖2 電源模塊原理圖所示。F1保險絲用于保護電路，當電流超過3 A時，保險絲會熔斷，切斷電路防止過流損壞。D3二極管用于反向電壓保護，防止輸入電源反接時損壞電路。C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28（電容） 用于輸入和輸出濾波，平滑電壓并減少紋波噪聲。L1電感用于儲能和濾波。

2.7.2 主控模塊

如圖3 主控模塊原理圖所示，TXD0和RXD0用于燒錄程序，DB0–DB7、CS、RS、WR、RESET、BL_CTR這些引腳用于和屏幕通信，TXD、RXD用于和RFID讀卡器通信，3V3和GND用于連接供電部分的3V3和GND。

2.7.3 RFID讀卡器

如圖4 RFID讀卡器模塊接口圖所示，TXD、RXD和主控的RXD、TXD交叉連接，用于和主控模塊通信，讀取ID卡數據；5 V和GND用于連接供電部分的TPS5430芯片輸出的5 V和GND。

2.7.4 屏幕模塊

為保證系統流暢度，選用4.3英寸電阻觸摸屏，分辨率為800×480，采用并行接口與系統進行數據通信。如圖5 屏幕模塊接口圖所示，DB0–DB7、CS、RS、WR、RESET這些引腳用于和屏幕通信，屏幕的3V3、GND連接AMS1117芯片輸出的3V3和GND，AMS1117的輸出規格為3.3 V、1 A，屏幕的工作電壓范圍是2.5～3.3 V。

2.8 軟件設計

如圖6 程序流程圖所示，系統啟動后首先完成各模塊初始化，隨后進入是否只須權限設置狀態，系統會暫停10秒等待用戶選擇，超過10秒進入下一個流程。當只須權限設置時，進入權限設置程序，系統權限分管理員和員工兩種，只有管理員能進行權限配置。接著系統進入刷卡和輸入密碼等待狀態，當檢測到用戶通過刷卡或密碼驗證時，系統會讀取并驗證操作者ID和鑰匙ID信息，驗證成功后開啟柜門。當操作者ID或鑰匙ID不正確時，系統進行錯誤警告。操作者完成鑰匙存取操作并關閉柜門后，系統會再次掃描鑰匙ID，并將操作記錄存儲至數據庫。流程末端設有關機按鍵，允許管理員安全終止系統運行。整個流程采用雙重驗證機制確保安全性，操作被完整記錄，實現了鑰匙管理的可追溯性和安全性保障。

3 結論

本設計的儲能站智能鑰匙柜通過RFID技術和高增益天線相結合，并結合4.3英寸觸摸屏界面，實現了鑰匙的高效、智能管理。相較于傳統的人工管理方式，本系統有效解決了鑰匙管理中的效率低、容易出錯等痛點，提升了管理的安全性和便捷性，確保鑰匙在儲能站場所的安全存取。這一智能鑰匙柜方案不僅具有較高的應用價值，也為相關場所提供了可靠的鑰匙管理解決方案。

盡管如此，本系統仍存在一些局限，如標簽防護、數據安全性和網絡集成等方面有待進一步優化。未來，隨著RFID技術和智能硬件的不斷進步，系統可在這些領域進行改進，以滿足更高的安全性和智能化需求，推動智能鑰匙柜在更多領域的廣泛應用。

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【通聯編輯：唐一東】