罗 丹

（中国电子科技集团公司 第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

在各类军警部门、科研院所及企事业单位日常工作中，经常面临着对重要仪器仪表、物资装备及涉密资产等重要物品的管理[1]。这类物品由于本身承载着重要信息，在实际管理过程中因为其使用场所较分散、工作区域内及区域外流转率高等特点，使其集中管控实现困难[2]。依靠记账、人工流程派单等传统管理方式导致管理滞后、监管程度低以及重要物品丢失等安全隐患依然存在。

随着移动互联网及信息传感技术的不断发展、迭代，利用信息传感设备和互联网通过某种协议将任一物品连接起来，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理方式的“物联网”模式[3]已被广泛应用到物流跟踪、物资管理、智慧农业、食品追溯等众多领域，在提高面向大量目标集群、分布式管理效率方面发挥了显著作用[4]。

基于物联网技术的物品管理已在智能制造、智能仓储及智慧物流等典型物联网应用领域逐步实现[5]，其中多基于有源、无源RFID标签技术[6]、NFC技术以及条码标签技术[7]实现对物品的识别及管控。本文根据重要物品的实际特点，设计了基于低功耗RFID电子标签的重要物品管理系统。该系统采用可复用、多种识别方式的标签技术对重要物品从产生到流转各环节进行有效实时管控。

1 低功耗RFID电子标签设计

1.1 RFID系统组成

RFID（射频识别）系统主要由电子标签、阅读器和数据管理系统组成[8]。RFID系统组成框图如图1所示。

图1 RFID系统组成框图

（1）电子标签

电子标签内含有唯一识别码，用来标示其所附着的对象。当电子标签接收到阅读器的发射信号时，电子标签被“唤醒”，同时根据射频指令完成相应的动作，并将响应信息反馈给阅读器。

（2）阅读器

阅读器将“唤醒”信号和指令信号射频传递给电子标签，从接收到的电子标签所反馈信息中对信号进行解码、初步过滤、去冗余等处理，完成对电子标签信息的获取和解析，将有用的数据通过网络和数据管理系统交互。

（3）数据管理系统

数据管理系统主要完成数据信息的存储及管理。在RFID系统中，根据电子标签获得能量的方式，系统主要分为有源RFID系统和无源RFID系统[9]。本文所设计的RFID系统为有源RFID系统，系统中所使用的标签为有源RFID标签。

1.2 低功耗RFID电子标签

本文所设计的RFID电子标签为有源电子条码标签，集成了2.45 GHz频段、HF频段、二维码等识别模式通信接口，通过2.45 GHz RFID读写器、HF RFID读写器、NFC读写器和扫码枪等多种识别终端可对其进行操作。低功耗RFID电子标签结构原理框图如图2所示。

低功耗RFID电子标签由电源模块、条码显示电子纸模块、CC2500射频收发模块、开关模块、NFC近场通信模块、STM32主控制器模块及天线模块构成。用户通过NFC终端、标签中的NFC近场通信模块及NFC天线模块实现对物品标签中的电子纸显示条码信息的控制，通过STM32主控模块对开关模块的设置实现CC2500射频收发模块的激活、休眠及关闭模式间的切换，实现合理降耗。

图2 低功耗RFID电子标签结构原理框图

2 重要物品管理系统的设计与实现

2.1 系统组成

本文所设计的重要物品管理系统主要包括低功耗RFID电子标签、数据采集模块、传输模块、系统控制模块、数据存储模块和报警模块。基于低功耗RFID电子标签技术的重要物品管理系统框图如图3所示。

图3 基于低功耗RFID电子标签技术的重要物品管理系统框图

系统中数据采集模块为标签信号采集端，包括本地标签信号集群采集端、本地近场标签信号采集端和外场标签信号采集端，由不同频段的RFID阅读器、二维码扫码器、移动扫码终端及移动NFC终端构成。每一件受管控的重要物品表面均固定一枚低功耗RFID电子标签，通过NFC数据采集端或者二维码数据采集端进行本地近场信号采集实现物品的入库、出库管理，将物品放入管控区域中，通过固定2.45 GHz RFID数据采集端，用户能够在系统控制模块中实时读取到有限空间内所有物品的标签信息，系统控制模块通过对比数据存储模块中历史物品标签信息与实时空间内的标签信息对当前物品状态进行判断，状态异常时将启动报警装置。当工作人员携带重要物品外出时，通过移动扫码或移动NFC数据采集端实时上报重要物品信息，当在外场产生重要物品时，工作人员通过移动数据采集端即时为需要管控的物品建立入库台账，管理人员在系统控制模块中对外场重要物品进行远程管控。系统中的信号交互都通过传输模块，根据本地传输以及远端传输实际要求来完成。传输方式主要包括有线网、无线局域网及移动通信网络。

2.2 系统网络架构

重要物品管理系统实际应用中的典型网络拓扑结构[10]如图4所示。它主要由管理应用单元、数据交互单元、服务器单元、应用单元、重要物品管理单元、边界控制单元和区域定位单元组成。

图4 重要物品管理系统实际应用中的典型网络拓扑结构

（1）管理应用单元。该单元中用户使用系统控制模块对重要物品进行入库、出库等操作，并能够实现重要物品状态的实时查询以及管理平台系统的基本设置。

（2）数据交互单元。该单元实现各单元间的数据交互。

（3）服务器单元。该单元实现重要物品数据的存储、维护及业务功能。

（4）应用单元。该单元由数据采集终端、低功耗RFID标签、接口转换设备以及报警器等硬件元素组成。根据平台实现的不同功能，应用单元主要分为三部分：重要物品管理单元、边界控制单元以及区域定位单元。

（5）重要物品管理单元。该单元实现重要物品标签的入库以及重要物品状态信息的实时读取等功能。

（6）边界控制单元。该单元对越界重要物品进行实时数据捕获，对未授权越界重要物品进行告警。

（7）区域定位单元。该单元实时采集流动重要物品的位置信息并上传服务器，结合数据库以及RFID定位算法对流动重要物品进行有效区域控制并定位。

2.3 系统软件设计

重要物品管理系统软件功能设计部分主要包括物品库管理、系统管理、安全管理以及接口管理四部分。物品管理系统软件功能如图5所示。

图5 物品管理系统软件功能

3 重要物品管理系统应用过程分析

基于低功耗RFID电子标签技术的物品管理系统应用示意如图6所示。

物品管理系统典型工作过程如下。

（1）为新产生的重要物品固定一个低功耗RFID电子标签，电子标签上显示的条形码及对应的标签编码内容由系统控制模块通过NFC读写器、扫码器等传入标签内，由电子标签显示出来。

图6 基于低功耗RFID电子标签技术的物品管理系统应用示意

（2）通过扫码枪或NFC阅读器识别该重要物品标签，在系统控制模块中输入相应的重要物品信息，为重要物品建立入库台账，信息确认无误后，系统控制模块将相应的重要物品信息存储到本地数据存储模块，以及外场数据存储模块中，打开标签中2.45 GHz射频信号开关，设置为频率唤醒模式（WOR），设置标签侦听模式及休眠模式的周期，标签将根据WOR模式下设置的休眠模式与侦听模式相互转换的时间进行不同模式的周期性转换。

（3）将重要物品放入管控区域内，标签处于侦听模式时得到管理系统分配的信道信息，将转换为2.45 GHz信号发送、接收工作模式，将相关物品信息以及标签信息通过2.45 GHz频段射频信号发出，管理系统中会识别到区域内受管控物品数量变化，并将区域内最新的物品信息保存到本地数据存储模块中以及外场数据存储模块中。

（4）当有外场任务需要携带某重要物品时，工作人员从管控区域中取出目标物品，通过手持NFC终端或扫码终端，关掉目标物品中2.45 GHz射频信号开关，系统控制模块将识别出区域内物品的变化情况，此时告警系统启动。

（5）工作人员通过系统控制模块、手持NFC终端或扫码终端，对该物品进行出库登记，告警系统关闭，目标物品被带出，本地以及外场数据存储模块将对重要物品状态信息进行更新。

（6）在携带目标物品外出过程中，工作人员通过手机扫码或NFC手机实时更新物品的状态信息，管理人员能够在系统控制模块中查询到外出物品状态。

（7）当外场产生重要物品时，工作人员为新产生的重要物品固定外出时携带的备用低功耗RFID电子标签，通过扫码/NFC手机上传该物品信息至数据存储模块对目标物品建账，管理人员可通过系统实时跟踪新产生的重要物品状态。

（8）当一个低功耗RFID电子标签需要为一个新的物品进行标识时，管理人员通过系统控制模块以及RFID阅读器对标签的ID进行更改，并将相应的条码以及数字显示到电子纸显示模块上，同时通过更改数据存储模块中的相关信息对标签对应的新入账物品进行系统注册。打开标签中2.45 GHz射频信号开关并设置该频段内的相关状态参数，使2.45 GHz射频信号模式激活，标签能够开始使用，达到标签复用的效果。

4 结 语

本文提出并设计一种基于低功耗RFID电子标签技术的重要物品管理系统设计方案，对内、外场工作中流转的重要仪器仪表、物资装备及涉密资产实现了全过程管控。低功耗RFID电子标签采用了多种识别模式通信接口，通过电子标签技术使被附着对象的ID编码可视化、可变化，满足条码标签的复用需求。重要物品管理系统基于低功耗RFID电子标签设计，扩大了接入系统的终端种类及数量，既能实现一定区域内重要物品的集群式实时管控，也能够对重要物品进行远程移动式管理。