UHF RFID 手持机的开发和应用

RFID技术，是支持万物互联的物联网能够快速普及的支撑技术。RFID标签，通过存放被标识物体的信息，在各种物联网应用中实现了物与物的信息交流，是物联网中主要的信息获取方式。近年来，随着物联网技术的社会接受度越来越高，以UHF RFID为代表的智能系统已经在零售，物流，制造，医疗，安防，汽车，航空，军事等诸多领域广泛应用，为提升人们的生活便利，实现智慧物联起到了关键作用。本文主要探讨UHF RFID手持机（PDA）的系统开发，并以高铁维护工具管理系统为例，详细阐述了UHF RFID手持机在物联网时代的关键作用。

RFID手持机的应用十分的广泛，一般来说，RFID手持机功能需求总结如下：

（1）具有数据读写功能。RFID手持机通过对电子标签的数据进行读取或者修改。
（2）具有无线通信功能。RFID手持机把采集到的数据通过无线网络发送至上位机。这里的无线通信功能可以是WiFi，蓝牙，或者4G/5G移动网络。
（3）具有显示功能。RFID手持机应有人机交互界面，方便使用人员的操作。
（4）一些RFID手持机需要具有GPS定位功能。RFID手持机可定位当前的位置信息，并通过无线通信功能传输到上位机。及时定位，可以方便问题的快速解决，提高工作效率。

RFID手持机的系统设计总体框图如图1所示，系统主要分为两部分：RFID手持机和上位机。RFID手持机通过ISO18000-6C标准（Gen2）与电子标签进行通信，从而读取电子标签中存储的信息。RFID手持机通过无线通信协议与上位机通信，将从电子标签中读取的信息上传到上位机，上位机软件对数据进行管理。

（图1：RFID手持机系统应用总体框图，摘自李龙飞的“基于UHF频段RFID手持机的开发与设计”）

RFID手持机内部结构框图如图2所示，RFID手持机以微处理器为核心，包括射频识别模块、GPS模块、显示模块、供电模块和无线通信模块。微处理器主要对各个模块进行控制，协调各模块功能实现。射频识别模块和GPS模块采集信息，采集的数据返回给微处理器，微处理器在显示模块上显示采集的信息，同时也可以将采集的信息通过无线通信模块传给上位机。举例来说，我们可以选用ARM架构的多核处理器，满足Android 系统的运行需求。选用的WiFi模块支持IEEE 802.11协议和2.4G/5G双频，能保证网络连接和数据传输的稳定性。同时手持机带有USB 2.0 Type⁃C，以支持软件的调试。RFID模块可以采用Thingmagic公司的M6e系列或者最新上市的M7e系列。M6e系列模组的核心引擎采用基于Impinj公司的R2000芯片，该芯片内置了ISO/IEC 18000⁃6C的完整协议处理系统，工作频率为840~960 MHz，适用于全球所有的超高频RFID工作。其中，该芯片专有的自干扰对消（SJC）技术可以让芯片在复杂的工作环境中保持稳定，适合复杂的工作环境。该芯片的读卡距离（线极化）>21 m，读卡距离（圆极化，室内）>25 m，能很好满足查找的距离需求。最新上市的Thingmagic公司的M7e系列模组核心引擎采用了基于Impinj公司最新的E系列芯片，不仅功耗和尺寸大幅降低，同时继承了自干扰对消（SJC）技术，以更好的接受灵敏度进一步提升了读取距离。

（图2：RFID手持机内部结构框图，摘自李龙飞的“基于UHF频段RFID手持机的开发与设计”）

在UHF RFID手持机软件开发的关键技术中，RSSI信号强度估算距离是一个关键的应用。接收的信号强度指示（Received Signal Strength　Indication，RSSI）主要用于计算发射者和接收者之间的距离。根据发射点的功率到接收点的功率建立信号强度与距离的衰减模型，但是，由于实际过程受到环境等因素的影响，只能进行距离估算。R2000模块扫描识别标签时会返回实时的RSSI值，但是，由于RSSI值会受到环境的影响而变得不稳定，需要采集多组数据进行分析计算。我们可以通过下面的步骤来实现利用RSSI信号强度估算距离。

（1）数据采集（室内）

每10 cm做一个测量点，每个测量点采集10次RSSI值，设立20个测量点为一组数据。

（2）建立衰减模型

对每组的每个测量点的RSSI值进行均值处理，减少环境因素的影响。可以运用Matlab软件进行多项式拟合（Polynomial），距离为y轴，RSSI值为x轴，分析得到衰减模型。模型拟合曲线如图3所示。扫描标签返回的RSSI会实时转化为距离显示到界面上，以便操作人员对目标物的位置进行估计判断。

（图3：RSSI信号强度估算距离模型，摘自杨光友的“基于RFID和WiFi的车间工具管理手持机开发”）

在实际使用过程中，可能会有大量设备标签同时处于UHF RFID手持机的工作范围内。如果有2个或2个以上的标签同时向阅读器发送数据，阅读器就会出现数据冲突，产生数据互相干扰的现象，即标签碰撞。手持机扫描多标签时需要将每次接收到的标签数据进行比对，完整的且未重复的数据帧保存在缓存数组中，并为其分配一个计数器。在下一次检测到该标签时增加计数器的值，计数器值最高的标签则为当前距离阅读器最近的标签，将其保存。其他数据帧则舍弃，在多标签扫描中确定当前标签。最后将计数器值最高的标签的RSSI换算为平均距离估值。这样我们就读取到了当前标签并知道了大致距离。

我们以UHF RFID 手持机在中国高铁维护工具管理的应用作为例子，详细阐述UHF RFID 手持机对于保障高速铁路安全、高效运行，减少现场维护人员和管理人员的工作量，降低人为疏忽带来的风险，具有的重要意义。

高铁维修工具管理的特点如下所示：

（1）高铁检修工具管理具有专业性。高铁检修工作是一项非常复杂、专业的工作，在铁路系统中也分为多个部门分别负责，比如工务部门、电务部门、通信部门、供电部门等，主要目标都是相同的，那就是让设备处于正常的工作状态，及时发现、处理故障设备，确保铁路的正常运营。但其使用工具的种类和型号各不相同，其管理要求也有不同，比如工务部门的维护工具以机械类工具为主，要求不要出现遗落在现场，电务部门以仪器仪表类设备为主，更注重设备功能状态的完好。高铁维修工具管理现场如图4所示。

（2）高铁检修工具设备管理的安全性。理论上每个检修工具设备是要求唯一的编号，检修过程中所用的工具种类繁多、规格多、数量大，并且检修现场情况复杂，检修人员的业务素质和责任心参差不齐，给工具管理带来许多不确定因素。

（3）高铁检修工具管理要求不同，高铁检修工具可以分为一般工具和测量工具。一般工具只需确保其功能完备，但对于测量工具，应按照《计量法》的要求，定期对工具进行检定，确保其技术参数符合测量要求，防止出现超标、未校验工具进行检修工作的情况，另外一些工具设备按照相关要求，定期进行维护保养，为确保安全超出一定期限的工具设备要求进行报废处理。

（图4：高铁维修工具管理现场，摘自杨丽的“基于RFID的手持式高铁工具管理系统设计”）

有效地、科学地构建一套基于UHF RFID技术完整的智能化便携式工具管理系统，是实现高铁维修工具智能化管理的关键。我们需要设计从用户身份认证管理、工具出库、工具归还、工具盘点、工具绑定到测试、工具数据同步的管理信息系统，基于UHF RFID 手持机的系统设计主要目的在以下几个方面：

（1）保证高铁维护工具各管理环节能够快速、高效地进行，部门管理人员能及时掌握工具或设备的状态，针对铁路相关部门维护工具管理需要，优化维护工具管理流程，利用RFID自动识别技术无需人工干预的优点，将RFID技术运用到高铁维护工具的管理系统中，为维护工具管理自动化、智能化提供技术支撑手段。利用射频标签取代传统的人工清点，以实现高铁维护工具管理的自动化、智能化，改善工具出／入库、工具盘点过程中出现的低效率、易出错的缺点，保证及时发现出／入库工具不一致的情况并快速掌握工具库各类工具的具体数目。

（2）RFID承载信息容量大，可将维护工具的重要信息和近期的使用记录录入电子标签，在各个作业环节中，可以直接对RFID标签进行操作，能够提高工具设备信息查询的速度，快速准确地进行工具盘点并及时对工具进行维护和更换，保证工具设备的完好，减少因此导致的事故隐患。

（3）每块RFID标签芯片具有唯一的ID号，维护工具与RFID标签芯片绑定后一一对应关系就确定了，这样确保每一个维护工具设备不会出现被人复制，维护工具的使用、管理的可追溯性有了技术条件。

（4）除用于维护工具管理部门的需要外，系统适用维护现场使用条件，能够将RFID手持机带到维护现场，现场维护作业完成后，利于手持机对工具进行盘点，及时发现遗漏在现场的工具，降低因此带来的安全风险。

最后，对于UHF RFID 手持机硬件系统来说，读卡器功率的精确控制是实现目标精确定位成功的关键。UHF 超高频 RFID标签是通过电磁反向散射耦合的方式获取能量和传输信息，其标签读取距离由弗林斯传输方程决定：

从方程可知，UHF标签最大可读距离R由四个因素决定： Pr为标签的接收功率（最低开启功率）； Pt为阅读器天线发射功率； Gt为阅读器发送天线增益； Gr为标签接收天线增益； 这四个因素决定了UHF标签最大可读距离R。在标签的接受功率Pr 和标签接收天线增益Gr无法改变的情况下，就需要精准的控制读卡器发射功率Pt 和设计合适的读卡器发送天线增益Gt。读卡器天线发射功率的调节是最有效的精准调节UHF标签读取距离的手段。而其关键就在于读卡器中UHF 超高频 RFID 模组的选择，Jadak 公司的ThingMagic 品牌的UHF（超高频）模组系列，独立的读取和写入功率控制，可在 -5 dBm 至 +33 dBm (2W) 范围内以 0.5 dB 的步进进行调节。尺寸最小的Pico 模组甚至可以以步长为 0.01 dB的步进进行调节，这就为精准控制读卡器天线发射功率提供了坚实的基础，为系统的精确定位提供了可能。

最新上市的M7e模组继承了ThingMagic模组的一贯的优良特性，包括：

1）支持宽范围的射频传输功率（读取和写入功率可独立设置）
2）射频传输功率精度高（在不同的频率不同的温度情况下精度保持稳定）
3）射频传输功率调节步长小（可以满足精细调节）
4）经过优化的标签读取和写入算法，使得读写速度达到协议的最高速度；
5）支持全球的大部分地区的频率范围；
6）拥有大多数国家和地区的无线射频认证，可以协助客户获取指定地区的认证。
7）支持定制化标签（例如温度标签，湿度标签等）存储扩展区域的读取和写入；
8）不同模组使用统一的API（应用程序接口）可以大大方便客户的持续研发。

图：M7e-PICO模组及M7e-DEKA模组