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基于RFID超高频技术的防串读智能管理柜优化设计与验证论文

 人参与  2025-03-05 10:50:46  分类 : 理学  点这评论  作者：团论文网  来源：https://www.tuanlunwen.com/
　　摘要：RFID超高频技术广泛应用于智能管理柜中，但是智能柜柜内层板、门板的四周连接位置等普遍存在微小的缝隙，导致超高频信号从这些位置泄漏，或外界射频信号侵入，从而误导系统对柜内物RFID标签的读取，使得存放物品的各层之间产生串读。采用了硬件结构优化和软件算法优化相结合的方案解决该问题。硬件结构上，智能柜的柜体设计成多层框架结构，并在柜体层板与柜体的连接缝隙处安装屏蔽组件，以此来隔离超高频信号。软件算法上，在中间件程序中增加收集读写器天线对每个标签的RSSI值，并比对、筛选最优值的算法，从而确定该标签对应的读写器天线位置。采用“标签盘全读取测试法”和“防串读性能测试法”对智能管理柜进行测试和验证。经过批量生产测试验证，结果表明：所提软硬件相结合的方案可以彻底解决智能管理柜串读的问题，比现有应用中采用的全密封结构法、PCB近场天线阵列法等解决串读问题更精准和经济性。提高了智能管理柜数据的准确性和管理人员的管理效率。所提方案将进一步拓宽各类智能管理柜的应用场景。

　　关键词：RFID技术；智能管理柜；防串读

　　0引言

　　随着物联网技术的蓬勃发展，各领域和行业已逐步采用智能化的各类智能管理柜替代人工进行重要文件、贵重物品等管理。在这种趋势下，射频识别（RFID）技术作为高效的管理方法之一得到了广泛应用[1]。然而，目前基于RFID超高频技术的智能管理应用会面临两种痛点:一是当物品管理者不知道柜内物品总数时，难以通过盘点的标签数据判断是否已经将物品全部盘点完毕[2]。二是智能管理柜的柜内、柜外都容易发生标签串读，管理员无法知道物品的准确位置，从而极大地增加了物品管理者查找物品、文件的时间。所以如何能够准确无误地对智能柜中物品进行精准的读取、识别和查找[3]，解决当前管理柜串读的问题是关键。

　　当前市场上的智能管理柜在贵重物品、文件管理领域的研究已经积累了一定的技术基础，针对物品管理的RFID智能管理柜均有许多的应用案例和应用场景。并且，RFID的快速、无接触盘点等优势在这些产品的应用中被充分地展现出来[4]。但RFID的标签串读、受使用环境影响较大等问题也被充分地暴露出来[5]。目前市面上的智能管理柜产品解决串读问题的解决方案有许多，如采用全密封结构法、PCB近场天线阵列法、采用RFID标签定位法、引入防碰撞算法实现物品、文件的精准读取[6-8]。但是这些方案经过在国内各大项目的招标测试验证中均发现无法彻底解决串读问题，或者有些解决串读的方案成本又太高。

　　本文以某智能管理柜设计为例，采用硬件和软件相结合方案，在结构设计上采用多层框架结构+屏蔽组件，软件中间件程序收集、比对和筛选标签的RSSI值，以此来解决智能管理柜的串读问题。通过解决串读问题，使得采用RFID的管理方案可以在多领域、多场景拓展和深化，为企业进入到新产品线和行业扫除了技术障碍。

　　1 RFID超高频技术

　　1.1工作原理

　　RFID超高频技术的工作原理是通过无线射频识别实现非接触式的信息传输，它利用感应或后向电磁散射等方式，在读取器和标签之间传送信息[9]。如图1所示，读取器会发出一个给定频率的无线信号，通常为超高频电磁波且具有一定的能量。超高频电磁波的频段一般在860~960 MHz。当RFID标签被放置在读取器/写入器的传输天线工作区内时，会产生感应电流，这是因为电子标签内部的天线接收到读取器发出的无线信号后，会产生感应电流，从而激活电子标签，一旦电子标签获得电能，内部天线就会编码并传输其信息，这个信息可以包括标签的唯一标识符、存储的数据等[10]。编码的方式通常是将信息调制到载波信号上，然后通过电子标签的天线发送出去，读取器内部的天线接收到该载波信号后，会对其进行调整和解码，这个过程通常涉及对载波信号的频率、幅度等参数进行解调，然后将解码后的信号传输给后台主系统进行进一步处理，后台主系统可以根据解码后的信息进行各种操作，比如物品追踪、库存管理等[11]。
 

 
　　因此，基于RFID的超高频技术通过对超高频射频信号的传输和接收，实现了读取器和RFID标签之间的信息交互。这种非接触式的传输方式具有快速、准确、自动化等优点，因此在银行、医药、物流、零售、制造等领域得到了广泛的应用。

　　1.2应用存在的问题

　　RFID超高频技术在智能管理柜的应用中存在最主要的问题是串读和漏读。在实际应用中，有多种因素会导致RFID标签出现串读和漏读现象。

　　（1）硬件结构问题引起的故障。如果智能管理柜在柜体结构工艺上没能做到完全密封，存在柜内的层板残留缝隙和门板的四周缝隙的情况时，超高频信号会从缝隙中进入到柜体其余各层中，导致柜内物品信息的层与层相互串读。当前的智能管理柜中的普遍处理方式是在门板和层板的缝隙处贴屏蔽胶条，但是胶条使用一段时间后容易松脱，且脱落后不易排查，导致信号泄露引起串读。另外，粘贴海绵条费时费力，经济性比较差。

　　（2）RFID标签损坏引起的故障。如果RFID标签受到物理层面的损坏，如刮擦、撕裂或弯曲等，可能会导致RFID标签无法被系统正常读取，从而产生漏读现象。在当前市场的运用层面上基本采用更换故障标签或者采用提高RFID标签的高性能材料方案，以提高其性能，但这也增加了RFID标签的使用成本。

　　（3）外界环境的干扰引起的故障。在使用超高频识别技术的过程中，可能会受到其他无线信号的影响，例如蓝牙、Wi-Fi等[12]。这些干扰会对超高频信号产生影响，从而导致智能柜的系统产生误读。一般会采取选用不同的信号频带和信号频率，尽量减少多种信号相互之间的影响。

　　（4）智能柜中多个标签读取冲突引起的故障。当多个RFID标签同时处于读写器的读取范围内时，它们之间可能会发生冲突，导致读取失败[13]。通常的智能柜会采用优化算法的方式处理多标签读取的问题，但是效果往往不太明显。

　　（5）RFID标签粘贴在物品的位置不准确引起的故障。在智能柜中存放的每个物品都有自己独立的RFID标签，如果物品上的RFID标签没有按照要求贴在本应当的位置时，读写器可能无法取RFID信号，从而出现漏读的现象。所以通常设计者会划定一个特定的区域用来粘贴RFID标签，但是在实际操作中，智能管理柜的管理员并不完全会按照要求，准确地把标签粘贴在特定位置，从而无法从根源上解决系统漏读的问题。

　　2防串读智能管理柜设计

　　2.1设计原理方法

　　智能管理柜硬件系统总体分为底层RFID物理层、控制系统算法的中间层，和运行运用管理程序的应用层[14]。底层RFID物理层主要功能是起到RFID标签的盘点作用，控制系统算法的中间层主要起到数据接收、系统参数设置和检测RSSI值，运行运用管理程序的应用层主要是运行管理柜的管理系统实现管理柜设置的各种功能需求。在方案实施过程中，对系统框架进行简化后，其系统框架包含管理柜主控系统、读写器控制系统、电控锁控制系统、触摸显示屏、非接模块、指纹模块、人脸识别模块、语音提示模块等组成。系统框架如图2所示。存/取柜内物品时，首先需要进行人员权限识别（一般通过非接、指纹、人脸识别），确认有权限后输入需要存/取物品的RFID相关信息。如为存放物品：系统自动分配管理柜的物理地址，并打开相应的存放层/格，如为取出物品：系统自动打开存放物品的层/格。存/取后关闭层/格的门，系统会进行存/取物品的RFID标签盘点确认，语音提示操作是否成功。
 

 
　　为了实现物品精准管理功能，管理柜必须解决串读问题。本文的解决方案包含硬件结构设计方案和软件算法的优化方案。

　　在硬件结构方面，设计一种具有屏蔽功能的柜门及智能管理柜的结构方案，通过每层缝隙处设置压紧导电组件结构实现柜内层与层之间防串读，通过设置整圈压紧导电组件结构实现柜门四周缝隙防串读和信号泄露。

　　在软件算法方面，采用比对RSSI（标签接收信号强度）值判定该标签的物理地址具体对应的柜层，从而实现精准定位，在软件层面防止出现串读的现象。

　　通过硬件和软件两种方案协同进行，该设计方案对柜内信号泄露、门外信号误读均起作用，能准确定位文件位置、显著提升管理数据准确率，彻底解决智能管理柜的串读问题。

　　2.2硬件设计

　　本方案的智能管理柜硬件结构上设计为多层框架结构（通常设计成6层），包含多个存放区域。其中RFID读写模块、锁控模块放置在柜顶，RFID天线放置在存放区域的左右两侧，RFID读写器通过视频线连接各区域的RFID天线，锁控模块通过线缆连接每个区域的电控锁，锁控模块通过485接口或串口连接到RFID读写模块。智能管理柜主体结构设计如图3所示。包括：智能管理柜柜体、柜门、读写器装在智能管理柜主体顶部、读写器天线装在智能管理柜主体每层的左右侧。
 

 
　　根据本方案设计的超高频识别智能管理柜，通过柜体内的容置腔用于放置贴有RFID标签的物品，由层板将容置腔分隔形成至少两个层腔，以分别放置物品，提高空间利用率。同时，对应每一层腔设置有读写器天线，用于读取每一层腔内的RFID标签物品，以保证每一层腔内的物品均可被读取到。此外，在层板与柜体的连接缝隙处设置屏蔽件，用于屏蔽超高频信号，防止超高频信号从缝隙处泄漏，从而避免智能管理柜出现串读或误读现象。

　　2.2.1智能管理柜柜体

　　智能管理柜单层的柜体屏蔽结构设计方案如图4所示，具体在单层柜体对应的拼接缝隙处设计压紧导电组件结构，通过导电固定板底部加螺母方式，压紧导电组件方式达到防串读效果。
 

 
　　2.2.2智能管理柜柜门

　　智能管理柜单层的柜门屏蔽结构设计方案如图5所示，具体在柜门上通过导电固定板和导电组件，同时导电组件和智能管理柜柜体压合处为整圈配合结构。
 

 
　　单层柜体配合导电部件的结构件可以通过铆接方式固定在柜体上，如图6所示。
 

 
　　2.3软件设计

　　智能管理柜的软件主要分成3个部分，如图7所示，包含智能柜Android控制系统、RFID主控系统及资料控制系统平台。系统采用Android系统（7.1.2版本），型号为RK3288-Android7.1，SOC类型为RK3288W，固件版本为V2.1。该操作系统是开源软件，可以根据需要对该操作系统内核进行移植和裁剪[15]，实现在其基础上开发所需的功能。软件架构分为三层软件架构，即为底层（用于驱动软件）、中间层（用于系统的调度控制和资源分配）、顶层（各类运用程序的应用层，执行系统命令和业务指令）。
 

 
　　射频信号的接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）值是RFID系统中非常重要的参数[16]，在智能管理柜的超高频射频识别系统中，读写器通过天线向柜内的RFID标签发送和接收信号，读写器通过分析后会报告RFID标签的数据和超高频信号的RSSI值。

　　在智能管理柜的超高频RFID应用程序中，RSSI值用于提供相应标签在柜内读写器天线中的响应强度情况。然而，RSSI值不能精确测量柜内标签到读写器天线的物理距离，但是可以通过比对RSSI值判定标签在柜内的物理位置。在软件设计方案中，通过同一个标签比对不同天线反馈的RSSI值，哪个值最大，就结果最优，从而判定出标签在柜内的物理位置。

　　以某智能管理柜项目为例：RSSI按db的方式需要做在API中，在demo中增加了RSSI_db的选项，如图8所示。
 

 
　　RSSI底层算法公式[17]采用：

　　RSSI_db=20*log（2^Exponent*（1+Mantissa/2^Man‐tissa_Size））

　　以某智能管理柜项目标签测试为例，RSSI参数公式如图9所示。
 

 
　　Rssi value dec 79，hex 4F，BIN 0100 1 111

　　Mantissa 2:0 111=7 Exponent=01001=9 Mantissa_Size=3

　　Rssi_db=20×log（29×（1+7/23））-110=-50.35 dBm

　　某品牌读写器计算得到的-50.35 dBm即为实际值，不同读写器算出来的值会有细微差别。

　　3测试验证与结果分析

　　为了验证方案的有效性及设计的结构方案和软件方案是否可以达到客户使用需求，对本方案设计的智能管理柜分别进行标签盘全读取测试和防串读性能测试。只有同时通过两种测试，才能判定该方案彻底解决了串读问题。

　　3.1标签盘全读取测试

　　在实际应用中，标签盘全测试一般采用单层盘全测试法和满柜盘全测试法来进行测试和验证。通过测试，则表明设计的方案对智能管理柜的盘全功能有效。

　　单层盘全测试方法：单层放置300个标签文件，用某厂家RFID读写器软件工具进行读取，每层读取3次，取平均盘全时间，软件工具测试如图10所示。
 

 
　　单层盘全测试结果：单层300个标签文件，5 s内可以盘全，盘全率100%，测试结果如表1所示。
 

 
　　满柜盘全测试方法：满柜放置1 800个标签文件，用某厂家RFID读写器软件工具进行读取3次，记录盘全时间，软件工具测试如图11所示。
 

 
　　满柜盘全测试结果：满柜1 800个标签文件，在20 s内可以盘全，盘全率100%，测试结果如表2所示。
 

 
　　3.2防串读性能测试

　　智能管理柜的防串读性能测试一般采用柜内串读测试法和柜外串读测试法进行测试和验证。通过测试，则表明设计的方案对智能管理柜的防串读功能有效。

　　柜内串读测试方法：分别放置300个标签文件在第1层到第6层，用某厂家RFID读写器软件工具进行读取其他5个未放置文件层，每层读取3次，每次180 s，记录是否能读到标签数据。柜内串读测试软件工具如图12所示。
 

 
　　柜内串读测试结果：柜内任意层的标签均无法被其他层的RFID天线读到，测试的6层RFID标签柜内防串读成功率100%，结果如表3所示。
 

 
　　柜外串读测试方法：柜体内不放置标签文件，用某厂家读写器软件工具进行读取3次，各180 s，手持标签文件距离在柜体前30 cm进行上下、左右慢速移动，记录是否能读到标签数柜外串读测试软件工具如图13所示。
 

 
　　柜内串读测试结果：经过测试6层柜门，门外30 cm处的标签无法被读取，柜外防串读率100%，结果如表4所示。
 

 
　　4结束语

　　本文采用了某超高频智能管理柜为案例，重点分析了当前市面上或在各项目投标测试过程中智能管理柜存在的问题和原因。通过分析RFID超高频技术的工作原理和实现方式，设计了一种通过在硬件结构上和软件算法上协同且性价比很高的优化方案，通过结构上的隔离和算法上的比对解决智能管理柜的串读问题。主要研究工作如下：

　　（1）本文在该智能管理柜项目案例上详细地分析了RFID超高频智能管理柜存在的问题和原因，针对这一问题进行了一系列的测试，通过这些测试验证了智能管理柜串读问题分析的正确性。

　　（2）通过对RFID超高频技术进行理论分析和研究，找到了RFID超高频智能管理柜可以优化的方向，针对优化方向在硬件设计和软件算法上入手，解决智能管理柜柜内层与层信号串读及柜门内外信号串读问题，实现对物品的快速、精准定位和智能化管理。

　　（3）本文对所设计的智能管理柜进行了标签盘全读取测试和防串读性能测试，通过大量测试数据，表明设计方案可靠，可以彻底解决RFID超高频的智能管理柜的串读问题。

　　本文所述的方案和结论已应用在公司自研的超高频智能管理柜项目中，对比国内其他厂家产品，所设计方案更能准确地定位文件所在位置，投入的成本更低，显著提升了客户管理数据的准确率。改进的防串读智能管理柜设计对于各类企业、行业和机构来说都具有重要的意义和应用价值。本方案已经在金融抵押品智能管理场景得到批量化生产应用和验证。随着RFID超高频技术的普及和应用场景的不断拓展，采用本方案的防串读智能管理柜的应用场景将会更加丰富和多样化。

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