基于RFID技术的智能文件定位柜

摘 要 ：针对纸质文件的智能化管理需求以及存在的串读率和漏读率高的痛点，文中设计了一种基于无源RFID 技术的智能文件定位柜，通过双馈点 PCB 近场天线阵列的设计，结合基于天线阵列的三维区域定位算法，实现文件的精准区域定位。同时，结合人脸识别技术与电控门锁，实现文件的专人管理。通过指示灯展示文件所在柜组中的区域位置，可以实现文件的快速精准定位。本设计可以实现对文件的专人管理授权、实时定位、全柜盘点、存取记录查询等功能，大幅提高文件管理人员的工作效率，并有效解决文件标签的位置串读以及标签漏读等问题。

0 引 言

近年来，随着物联网技术的不断突破，人工成本的提高，以及文件种类和数量的不断累积，文件的智能化手段也多种多样。其中，RFID 技术是近几年发展最快的管理手段之一 [1]。基于 RFID 的文件管理系统虽然应用较普遍 [2-4]，但其难点并不在于软件平台端，而是在于 RFID 文件柜的读全率和读准率。特别是发生仓库文件转移、借用、调用等事件时，读全率和定位准确率决定了文件的溯源、定位、查找等是否能满足使用需求 [5]。而市面上基于无源 RFID 技术的文件柜，几乎都存在一定的漏读和串读问题，在精准定位方面存在欠缺。避免串读和漏读的技术手段也多种多样，如根据天线盘点时间和标签分组的方式优化读全率 [6]，引入防碰撞算法提高标签的读取准确率 [7]，采用 RFID 标签定位方法实现文件准确定位 [8-10]。但漏读率和串读率是一对矛盾的因子。当漏读率低的同时，容易引起相邻标签的串读。本文通过合理的近场天线阵列设计和区域定位算法可以实现文件的精准区域定位，真正实现 RFID 赋能文件的智能化管理应用 [10]。

1 总体设计

本文主要介绍了智能文件柜的软硬件设计，其整体设计方案如图 1 所示。其中，主柜含有 Android 人机交互主机，主副柜均含有 RFID 主控板及天线阵列。RFID 主控和天线阵列是智能柜的核心组件。主副柜之间可通过网口级联，形成一组智能柜，由主柜与文件管理平台 / 上位机进行业务交互，1 台主柜最多可以级联 20 台副柜单元。

2 详细设计

2.1 硬件设计

根据智能文件定位柜的功能需求，硬件配置主要包括Android 主机，RFID 主机及天线阵列，人机交互显示屏等。智能框体硬件框图如图 2 所示。

柜体结构为 5 层，每层 4 个存放区域，单柜共 20 个存放区域。柜体内每个区域下铺设定制的 PCB 双馈点近场天线阵列。天线阵列的馈线接到安装在柜体左侧隔层内的天线分支器阵列的输出口，其中每一层布置 1 分 8 路的分支器。RFID 主控板包含 8 端口的 RFID 模块、锁控和灯控单元，位于柜体顶部隔层。RFID 模块与每一层的分支器射频线相连接，RFID 主控与天线分支器阵列之间通过 485 通信。柜门采用对开方式，柜门由电控锁控制。顶部含有紧急机械开锁开关，可通过专用钥匙打开。柜体顶部和每个区域对应的层板位置均含有定位指示灯。

每个文件存放区域之间用金属挡板隔开。实际使用时将文件存放在文件袋 / 文件盒中，文件袋底部贴上 RFID 标签，文件竖放排列在各区域。

Android 主机搭载 17 寸电容触摸屏，与摄像头模组、刷卡模组、指纹模组和语音模组实现人机交互功能，嵌入安装在左柜门上，负责智能柜的文件业务和人机交互。RFID 主机负责柜体 RFID 数据的盘点和锁控、灯控部分。Android 主机和 RFID 主机之间通过以太网完成数据交互。Android 主机采用 RK3288 主芯片，运行 Android 7.1 系统。RFID 主机采用 TI AM335x 主芯片，运行 Linux 4.0 系统，搭载基于 IPJR2000 的高端 RFID 模块。

天线阵列包含 20 块 PCB 双馈点近场天线，每个区域一块。该天线通过双馈点方式可实现天线场强分布范围可控且场强强度均匀分布。每一块天线的双馈点分布连接到分支器的其中 2 个端口，RFID 主控开始工作时，分别盘点馈点 1和馈点 2 所连天线电路，形成的 2 个场强在空间分布上互相弥补，有效避免单馈点天线引起的盲区弱区问题 [10]。电源模块采用输出 12 V/8 A 的开关电源为硬件电路供电。副柜电源可通过级联线从主柜取电。

2.2 软件设计

智能文件定位柜的软件分为 3 大部分，其中柜体包含 Android 主机的 APP 程序和 RFID 主控的软件程序，文件管理平台作为智能文件柜的业务管理软件。智能文件管理柜的软件框图如图 3 所示。本文重点关注柜体端的软件设计。

Android 主机运行 Android 7.1.2 系统，搭载 17 寸电容触摸屏，主要完成与 RFID 主控板的文件柜标签数据交互，结合文件管理平台的文件业务功能，实现对人员存取权限控制、文件精准定位、存取记录自动记录、异常提醒等功能。Android 主机配置双目摄像头模组、IC 刷卡模组和指纹模组，实现人员权限控制。语音模组用于对人机交互操作进行语音提醒。

RFID 主控的软件核心功能为 RFID 多标签的盘点和定位。由于 RFID 的技术特性，同一个标签可以被一定范围内的多根天线读到，需要通过定位算法准确得出每一个标签对应的区域位置，从而完成对标签的准确定位。启动盘点时，首先根据 RFID 天线阵列形成三维立体空间模型，依次使能每一个区域对应的天线进行标签盘点，汇总整柜盘点数据后，数据分析得到天线阵列信息表、每根天线盘点到某文件标签的 RSSI 信号强度值、某文件标签被盘点的次数等参数值。将这些参数值通过多标签定位算法计算后逐一得出文件标签的最优位置 [10]，再根据当前柜体数据库中在库的文件进行差异比较，得出本次存取的文件数据结果。

3 系统测试

为验证系统的准确性和稳定性，文件柜中存放文件袋和文件盒。每区域按照≤ 50 个文件袋，整柜存放≤ 1 000 本RFID 文件进行存取测试，RFID 标签选用长条形标签，贴于文件底部的中间位置。连续进行 1 000 次存取操作，定位准确率≥ 99.5%，读全率 100%。每区域按照≤ 20 个 1 cm 宽度的文件盒，整柜存放≤ 400 个文件盒进行存取测试，连续进行 1 000 次存取操作，定位准确率≥ 99.9%，读全率100%。

文件柜实物存取示意图如图 4 所示。配合使用的文件管理上位机如图 5 所示

4 结 语

本文设计了一种基于 RFID 技术的智能文件定位柜，主要用于存放文件盒 / 文件袋 / 图书等形式的文本材料。针对RFID 技术应用于文件管理的漏读和串读痛点，设计了基于近场天线阵列，结合定位算法实现的精准区域定位柜。该文件柜可完成对整柜文件标签的完整盘点和准确定位，通过人脸识别等权限控制，实现专人专管。通过自动记录存取信息和位置信息，配合文件管理平台，真正实现文件的智能化管理。

审核编辑 ：李倩