机智云AIoT开发平台+STM32F103+RFID的危险品管理系统

摘要:基于危险品引发的事故频发,而大多均属于管理不当造成的。且目前的危险品管理系统存在实时性较差、成本较高等缺陷,设计研发了一种基于RFID的危险品管理系统,应用超高频RFID读写器识别存放柜内的危险品,应用低频读写器作为柜外的电子密码锁。

以STM32作为主控制器,将从读写器接收到的危险品实时数据和开锁人员信息通过WiFi上传至云端,PC机和手机可登录云端远程访问实时数据。提高了危险品管理的实时性、安全性与高效性。

0引言
随着社会的发展和科学技术的不断进步,由于工业生产或科学研究的需要,人们接触与使用的危险物品(如:化学药品、易燃易爆危险品等)越来越多。日前,高校化学实验室爆炸、易燃易爆品仓库失火等由于危险品引发的事故频发。所以,危险品该如何管理的问题受到越来越多人的关注。

随着物联网的兴起,RFID技术已广泛应用于智能安保、生产自动化、公共交通等领域[1]。本文设计并实现了运用RFID技术对危险品进行实时监控,提前发现问题,避免危险事故的发生,或在危险发生时能及时发现危险源,以便进行及时有效的控制。

图1系统框图

1简介
1.1 RFID概述

RFID是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象,并获取相关数据信息[2]。RFID系统一般由电子标签、读写器、应用接口、RFID中间件与管理系统等构成。标签由天线和芯片组成,天线在标签及读卡器之间起到传递射频信号的作用,芯片里面保存每个标签具有的唯一电子编码和用户数据。每个标签都具有全球唯一的ID—UID,UID不能被用户修改,用户可对用户数据区进行读写、覆盖等操作。

读写器是读取(或写入)标签信息的设备,可对标签进行识别、读取、写入操作。RFID中间件是将底层RFID硬件和上层应用结合在一起的媒介,具有提供安全读写操作、数据传输等功能。

1.2 创新点

通过查阅相关资料,RFID在国内危险品管理方面较多的是对燃气瓶的管理。上海市为实现燃气瓶的监控和管理,在全市数以万计的钢瓶上都粘贴了RFID电子标签[3];2014年郑州市在全市的车载燃气瓶上推广应用RFID标签;同年,太原市也将RFID技术应用到液化气钢瓶上。

这些应用为RFID在危险品管理领域的运用打下了坚实的基础,保证了燃气瓶供应链的安全[4]。但是与先进国家智能化、全方位的管理系统相比,国内的RFID技术在危险品管理领域的研究和应用依然存在较大差距[5]。本设计主要解决了以下问题:

1. 解决了局域网对管理场合的限制,进一步保护了管理者的生命安全。
2. 解决了人员使用信息管理不全,不详细。
3. 解决目前超高频射频技术由于辐射距离过远造成的电子标签识别误差。
4. 降低了成本。
5. 远距离(>20cm)灵敏地判断危险品信息。
6. 随时随地访问,实时数据显示,系统更加智能化。

2系统硬件结构设计

本系统硬件部分由危险品存放柜、超高频RFID读写器、低频RFID读写器、控制器MCU、PC机或Android手机组成。系统框图如图1所示。

2.1危险品存放柜

本系统使用铁皮柜子作为危险品存放柜,一是由于铁皮柜子具有较强的抗压性及抗腐蚀性;其次,利用铁皮柜子的屏蔽特性,使贴有电子标签的危险品一旦被开柜取出,就无法被柜内的读卡器识别到。这样即可准确、实时地反映危险品使用时间、摆放位置等信息。

2.2超高频RFID读写器

使用超高频且功率较低的MagicRF系列的读写器芯片,与其他同类型、同功能的芯片相比,具有低电压、低功耗、小尺寸、低成本等诸多优点。采用此读写器通过寻址的方式对多天线进行寻址,并读取挂于危险品上的电子标签。例如,在一个多层铁皮柜子中放置一个RFID读写器,在柜子每一层放置一个天线,读卡器通过对天线寻址进而得知每一层放置的所有危险品信息。

由于本系统采用的是低功率的MagicRFQM100读写器芯片,其识别距离在3m左右,可以识别到一个铁皮柜子中所有的危险品。并且,其信号可以被铁皮柜子所屏蔽,一旦物品被取走便无法识别,既满足了设计需求,又降低了成本。

2.3低频RFID读写器

使用低频RFID读写器作为危险品存放柜上的电子密码锁,用来识别打开柜子的操作人员信息。采用MFRC522非接触式(13.56MHz)读写器芯片,读写距离在10cm之内;使用S50非接触式无源IC卡,自带天线,容量为8K位EEPROM,且每张卡具有唯一序列号(32位)。

操作人员每人对应一张IC卡,在使用危险品时,先刷卡解锁,此时人员信息被录入系统。同理,使用后归还时信息同样被记录。这样便实现了危险物品存取的实名制管理。

2.4机智云AIoT开发平台

机智云AIoT开发平台是致力于物联网云服务、经过多年行业内的耕耘及对物联网行业的深刻理解，推出一站式智能硬件开发及云服务平台。平台遵循开放设计原则，采用微服务架构，提供从定义产品、设备端开发调试、应用开发、产测、云端开发、运营管理、数据服务、AI应用等覆盖智能设备接入到运营管理全生命周期服务的能力。

机智云云端提供了产品的定义、产品数据点定义、虚拟设备调试、M2M服务、API服务等功能,为设备、应用接入提供云服务。设备端的模组系统GAgent,通过使用GAgent,根据机智云提供的协议与GAgent对接,使设备可以快速接入。

目前,已兼容国内主流的WiFi模块、移动4G网络、蓝牙、NB、红外转蓝牙模块。机智云提供了基于iOS、Android系统的IOTSDK。通过SDK可快速实现APP开发,无缝接入机智云,并根据SDK获取机智云AIoT开发平台逐步推出的新服务。

2.5主控制器

系统以STM32F103为主控制器,STM32和旗连读写器(超高频读写器)通过串行口进行数据交互,读取危险品信息。STM32与低频读写器MFRC522进行SPI通信,读取操作人员信息,并通过STM32和WiFi模块将读取的标签数据上传到云端和PC端,可以通过手机或PC端登录局域网进行实时监控。

3算法设计及功能实现

3.1危险品出入库管理及信息的获取与传输
为实现对危险品进出时间和操作人员信息的严格管理,需要实时获得存放柜中每件危险品的状态、密码锁的状态。

1. 库内管理

采用多天线寻址的方式获得危险品的实时状态。将读卡器与天线进行有线连接后对天线按照顺序进行寻址访问,读写器通过天线获得标签信息,每个天线对应不同的柜子编号。因此,系统能准确显示每个小柜子内的危险品的名称以及该危险品所在位置。

2. 出库管理

当操作人员用IC卡打开存放柜外的电子密码锁时,非接触式低频RFID读写器读取IC卡信息,即系统记入操作人员信息。由于柜子对射频信号传播的屏蔽性,当柜内物品被操作人员取出时,柜内读写器无法接收到物品已被取出柜子的信息,记录此刻时间,即为危险品被取出的时间。因此,每个危险品出库时,均可以准确获取操作人员信息、出库时间。

具体算法如下:超高频读写器t时刻对天线进行寻址,判断第i个天线是否返回数据,若返回数据,则读写器通过串口将数据传给单片机,单片机对串口数据进行解码并通过WiFi上传至云端;若未返回数据,则第i个的危险品被取走,单片机将取走危险品信息进行上传。同时,柜外的低频读写器读取t时刻标签信息,将信息传给单片机,单片机将数据解码得到操作人员访问信息,上传至云端。这样,危险品的实时信息均保存至云端,可通过手机端与PC端随时进行访问,获取数据。系统总体算法流程图如图2所示。

3.2PC端访问数据

PC端上位机软件基于VisualStudioCode平台开发。通过建立窗体、建立按钮、文本框的方式实现软件界面,通过引入time控件,建立定时器,实现对传输数据的读取。打开PC端软件,输入IP号后,点击开始监听即可得到此时存放柜内危险品的信息。

3.3手机端APP访问数据

在AndroidStudio平台上利用java语言进行开发。Android端软件具有界面设计简洁,操作简单,可以实时进行数据的查看等优点,适合于本系统的设计要求。程序分为:登陆云端服务器,获取云端数据及页面显示三部分。手机端不仅可以随时随地对危险品的数据进行实时访问,获取信息,还能通过云端访问历史数据,使得管理更加方便快捷。

图2系统总体算法流程图

4结束语

本系统主要用于易燃易爆的危险品、腐蚀品及贵重器材的管理,可以确保操作人员及管理人员的人身安全,提高管理效率,具有广泛应用。例如,可应用于存放化学试剂或的贵重仪器仪表的高校实验室,或存储易燃易爆物品的仓库等。其优点在于具有较好的实时性,打破了局域网的限制。具有较好的实时性体现在危险品信息的实时获取及显示,管理人员可以随时查看危险品情况,做到有危险早发现;

打破局域网的限制是指可以在移动端随时随地访问数据,假设仓库发生火灾时消防员可在手机APP上远程查看到仓库危险品的分布信息,尽快确定起火源头。尽管RFID技术提高了危险品管理的效率,但仍存在RFID标准不统一和存在辐射等问题。但相信随着科技和经济的发展,这些问题将会得到解决,RFID将会有广阔的发展前景。