基于RFID技術的智能文件定位柜

摘 要 ：針對紙質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，文中設計了一種基于無源RFID 技術的智能文件定位柜，通過雙饋點 PCB 近場天線陣列的設計，結合基于天線陣列的三維區域定位算法，實現文件的精準區域定位。同時，結合人臉識別技術與電控門鎖，實現文件的專人管理。通過指示燈展示文件所在柜組中的區域位置，可以實現文件的快速精準定位。本設計可以實現對文件的專人管理授權、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，隨著物聯網技術的不斷突破，人工成本的提高，以及文件種類和數量的不斷累積，文件的智能化手段也多種多樣。其中，RFID 技術是近幾年發展最快的管理手段之一 [1]?；?RFID 的文件管理系統雖然應用較普遍 [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。特別是發生倉庫文件轉移、借用、調用等事件時，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手段也多種多樣，如根據天線盤點時間和標簽分組的方式優化讀全率 [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計和區域定位算法可以實現文件的精準區域定位，真正實現 RFID 賦能文件的智能化管理應用 [10]。

1 總體設計

本文主要介紹了智能文件柜的軟硬件設計，其整體設計方案如圖 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口級聯，形成一組智能柜，由主柜與文件管理平臺 / 上位機進行業務交互，1 臺主柜最多可以級聯 20 臺副柜單元。

2 詳細設計

2.1 硬件設計

根據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。

柜體結構為 5 層，每層 4 個存放區域，單柜共 20 個存放區域。柜體內每個區域下鋪設定制的 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隔層內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，可通過專用鑰匙打開。柜體頂部和每個區域對應的層板位置均含有定位指示燈。

每個文件存放區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人機交互功能，嵌入安裝在左柜門上，負責智能柜的文件業務和人機交互。RFID 主機負責柜體 RFID 數據的盤點和鎖控、燈控部分。Android 主機和 RFID 主機之間通過以太網完成數據交互。Android 主機采用 RK3288 主芯片，運行 Android 7.1 系統。RFID 主機采用 TI AM335x 主芯片，運行 Linux 4.0 系統，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，每個區域一塊。該天線通過雙饋點方式可實現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弱區問題 [10]。電源模塊采用輸出 12 V/8 A 的開關電源為硬件電路供電。副柜電源可通過級聯線從主柜取電。

2.2 軟件設計

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務管理軟件。智能文件管理柜的軟件框圖如圖 3 所示。本文重點關注柜體端的軟件設計。

Android 主機運行 Android 7.1.2 系統，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據交互，結合文件管理平臺的文件業務功能，實現對人員存取權限控制、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，實現人員權限控制。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 的技術特性，同一個標簽可以被一定范圍內的多根天線讀到，需要通過定位算法準確得出每一個標簽對應的區域位置，從而完成對標簽的準確定位。啟動盤點時，首先根據 RFID 天線陣列形成三維立體空間模型，依次使能每一個區域對應的天線進行標簽盤點，匯總整柜盤點數據后，數據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等參數值。將這些參數值通過多標簽定位算法計算后逐一得出文件標簽的最優位置 [10]，再根據當前柜體數據庫中在庫的文件進行差異比較，得出本次存取的文件數據結果。

3 系統測試

為驗證系統的準確性和穩定性，文件柜中存放文件袋和文件盒。每區域按照≤ 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。連續進行 1 000 次存取操作，定位準確率≥ 99.5%，讀全率 100%。每區域按照≤ 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 語

本文設計了一種基于 RFID 技術的智能文件定位柜，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 技術應用于文件管理的漏讀和串讀痛點，設計了基于近場天線陣列，結合定位算法實現的精準區域定位柜。該文件柜可完成對整柜文件標簽的完整盤點和準確定位，通過人臉識別等權限控制，實現專人專管。通過自動記錄存取信息和位置信息，配合文件管理平臺，真正實現文件的智能化管理。

審核編輯 ：李倩