基于RFID技術(shù)的智能文件定位柜

摘 要 ：針對紙質(zhì)文件的智能化管理需求以及存在的串讀率和漏讀率高的痛點，文中設(shè)計了一種基于無源RFID 技術(shù)的智能文件定位柜，通過雙饋點 PCB 近場天線陣列的設(shè)計，結(jié)合基于天線陣列的三維區(qū)域定位算法，實現(xiàn)文件的精準區(qū)域定位。同時，結(jié)合人臉識別技術(shù)與電控門鎖，實現(xiàn)文件的專人管理。通過指示燈展示文件所在柜組中的區(qū)域位置，可以實現(xiàn)文件的快速精準定位。本設(shè)計可以實現(xiàn)對文件的專人管理授權(quán)、實時定位、全柜盤點、存取記錄查詢等功能，大幅提高文件管理人員的工作效率，并有效解決文件標簽的位置串讀以及標簽漏讀等問題。

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷突破，人工成本的提高，以及文件種類和數(shù)量的不斷累積，文件的智能化手段也多種多樣。其中，RFID 技術(shù)是近幾年發(fā)展最快的管理手段之一 [1]?；?RFID 的文件管理系統(tǒng)雖然應(yīng)用較普遍 [2-4]，但其難點并不在于軟件平臺端，而是在于 RFID 文件柜的讀全率和讀準率。特別是發(fā)生倉庫文件轉(zhuǎn)移、借用、調(diào)用等事件時，讀全率和定位準確率決定了文件的溯源、定位、查找等是否能滿足使用需求 [5]。而市面上基于無源 RFID 技術(shù)的文件柜，幾乎都存在一定的漏讀和串讀問題，在精準定位方面存在欠缺。避免串讀和漏讀的技術(shù)手段也多種多樣，如根據(jù)天線盤點時間和標簽分組的方式優(yōu)化讀全率 [6]，引入防碰撞算法提高標簽的讀取準確率 [7]，采用 RFID 標簽定位方法實現(xiàn)文件準確定位 [8-10]。但漏讀率和串讀率是一對矛盾的因子。當(dāng)漏讀率低的同時，容易引起相鄰標簽的串讀。本文通過合理的近場天線陣列設(shè)計和區(qū)域定位算法可以實現(xiàn)文件的精準區(qū)域定位，真正實現(xiàn) RFID 賦能文件的智能化管理應(yīng)用 [10]。

1 總體設(shè)計

本文主要介紹了智能文件柜的軟硬件設(shè)計，其整體設(shè)計方案如圖 1 所示。其中，主柜含有 Android 人機交互主機，主副柜均含有 RFID 主控板及天線陣列。RFID 主控和天線陣列是智能柜的核心組件。主副柜之間可通過網(wǎng)口級聯(lián)，形成一組智能柜，由主柜與文件管理平臺 / 上位機進行業(yè)務(wù)交互，1 臺主柜最多可以級聯(lián) 20 臺副柜單元。

2 詳細設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)智能文件定位柜的功能需求，硬件配置主要包括Android 主機，RFID 主機及天線陣列，人機交互顯示屏等。智能框體硬件框圖如圖 2 所示。

柜體結(jié)構(gòu)為 5 層，每層 4 個存放區(qū)域，單柜共 20 個存放區(qū)域。柜體內(nèi)每個區(qū)域下鋪設(shè)定制的 PCB 雙饋點近場天線陣列。天線陣列的饋線接到安裝在柜體左側(cè)隔層內(nèi)的天線分支器陣列的輸出口，其中每一層布置 1 分 8 路的分支器。RFID 主控板包含 8 端口的 RFID 模塊、鎖控和燈控單元，位于柜體頂部隔層。RFID 模塊與每一層的分支器射頻線相連接，RFID 主控與天線分支器陣列之間通過 485 通信。柜門采用對開方式，柜門由電控鎖控制。頂部含有緊急機械開鎖開關(guān)，可通過專用鑰匙打開。柜體頂部和每個區(qū)域?qū)?yīng)的層板位置均含有定位指示燈。

每個文件存放區(qū)域之間用金屬擋板隔開。實際使用時將文件存放在文件袋 / 文件盒中，文件袋底部貼上 RFID 標簽，文件豎放排列在各區(qū)域。

Android 主機搭載 17 寸電容觸摸屏，與攝像頭模組、刷卡模組、指紋模組和語音模組實現(xiàn)人機交互功能，嵌入安裝在左柜門上，負責(zé)智能柜的文件業(yè)務(wù)和人機交互。RFID 主機負責(zé)柜體 RFID 數(shù)據(jù)的盤點和鎖控、燈控部分。Android 主機和 RFID 主機之間通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交互。Android 主機采用 RK3288 主芯片，運行 Android 7.1 系統(tǒng)。RFID 主機采用 TI AM335x 主芯片，運行 Linux 4.0 系統(tǒng)，搭載基于 IPJR2000 的高端 RFID 模塊。

天線陣列包含 20 塊 PCB 雙饋點近場天線，每個區(qū)域一塊。該天線通過雙饋點方式可實現(xiàn)天線場強分布范圍可控且場強強度均勻分布。每一塊天線的雙饋點分布連接到分支器的其中 2 個端口，RFID 主控開始工作時，分別盤點饋點 1和饋點 2 所連天線電路，形成的 2 個場強在空間分布上互相彌補，有效避免單饋點天線引起的盲區(qū)弱區(qū)問題 [10]。電源模塊采用輸出 12 V/8 A 的開關(guān)電源為硬件電路供電。副柜電源可通過級聯(lián)線從主柜取電。

2.2 軟件設(shè)計

智能文件定位柜的軟件分為 3 大部分，其中柜體包含 Android 主機的 APP 程序和 RFID 主控的軟件程序，文件管理平臺作為智能文件柜的業(yè)務(wù)管理軟件。智能文件管理柜的軟件框圖如圖 3 所示。本文重點關(guān)注柜體端的軟件設(shè)計。

Android 主機運行 Android 7.1.2 系統(tǒng)，搭載 17 寸電容觸摸屏，主要完成與 RFID 主控板的文件柜標簽數(shù)據(jù)交互，結(jié)合文件管理平臺的文件業(yè)務(wù)功能，實現(xiàn)對人員存取權(quán)限控制、文件精準定位、存取記錄自動記錄、異常提醒等功能。Android 主機配置雙目攝像頭模組、IC 刷卡模組和指紋模組，實現(xiàn)人員權(quán)限控制。語音模組用于對人機交互操作進行語音提醒。

RFID 主控的軟件核心功能為 RFID 多標簽的盤點和定位。由于 RFID 的技術(shù)特性，同一個標簽可以被一定范圍內(nèi)的多根天線讀到，需要通過定位算法準確得出每一個標簽對應(yīng)的區(qū)域位置，從而完成對標簽的準確定位。啟動盤點時，首先根據(jù) RFID 天線陣列形成三維立體空間模型，依次使能每一個區(qū)域?qū)?yīng)的天線進行標簽盤點，匯總整柜盤點數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分析得到天線陣列信息表、每根天線盤點到某文件標簽的 RSSI 信號強度值、某文件標簽被盤點的次數(shù)等參數(shù)值。將這些參數(shù)值通過多標簽定位算法計算后逐一得出文件標簽的最優(yōu)位置 [10]，再根據(jù)當(dāng)前柜體數(shù)據(jù)庫中在庫的文件進行差異比較，得出本次存取的文件數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性，文件柜中存放文件袋和文件盒。每區(qū)域按照≤ 50 個文件袋，整柜存放≤ 1 000 本RFID 文件進行存取測試，RFID 標簽選用長條形標簽，貼于文件底部的中間位置。連續(xù)進行 1 000 次存取操作，定位準確率≥ 99.5%，讀全率 100%。每區(qū)域按照≤ 20 個 1 cm 寬度的文件盒，整柜存放≤ 400 個文件盒進行存取測試，連續(xù)進行 1 000 次存取操作，定位準確率≥ 99.9%，讀全率100%。

文件柜實物存取示意圖如圖 4 所示。配合使用的文件管理上位機如圖 5 所示

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于 RFID 技術(shù)的智能文件定位柜，主要用于存放文件盒 / 文件袋 / 圖書等形式的文本材料。針對RFID 技術(shù)應(yīng)用于文件管理的漏讀和串讀痛點，設(shè)計了基于近場天線陣列，結(jié)合定位算法實現(xiàn)的精準區(qū)域定位柜。該文件柜可完成對整柜文件標簽的完整盤點和準確定位，通過人臉識別等權(quán)限控制，實現(xiàn)專人專管。通過自動記錄存取信息和位置信息，配合文件管理平臺，真正實現(xiàn)文件的智能化管理。

審核編輯 ：李倩