随身物品防丢失提醒装置设计

何国斌，王保民，井发启（.中北大学化工与环境学院，山西太原03005；.青海省安全生产科学技术中心，青海西宁80008）



随身物品防丢失提醒装置设计

何国斌1，王保民1，井发启2
（1.中北大学化工与环境学院，山西太原030051；2.青海省安全生产科学技术中心，青海西宁810008）

摘要：以保护和管理个人随身携带的贵重物品为目的设计了一款便携式的物品防丢失装置。该装置分为主机和子机两部分，主机由物主佩戴，子机则装在被管理的物品上，通过使用RFID系统来实现该装置的监管功能，选择2.45G便携式手持机以及相应的有源电子标签，一旦物品离开物主超过一定距离，主机就会发出警报，从而避免物品丢失，其监管距离在50m内，使用者可自行调控。该装置体积小，便于携带，大大提高了被监管物品的安全性。

关键词：RFID；便携式手持机；有源电子标签；定制型应用软件；多方管理

近年来，伴随着人均收入水平的不断提高，市场商品日益多元化、智慧化，个人拥有的物品、特别是便携式物品越来越多，其中有许多贵重的高科技物品，例如笔记本电脑、个人PDA设备、手机、数码相机、电子词典、便携式数字影音播放器、钱包、各种信用卡等，一旦发生丢失或被盗而致其中的个人隐私被不良分子利用，持有人就会因为隐私泄露而带来各种不良后果。基于这些因素，随身物品防丢失提醒装置便应运而生。本设计采用当前热门的无线射频识别技术（RFID），将形状多变、功耗小、成本低且尺寸较小的电子标签作为随身物品防丢失装置的跟踪定位器，对随身物品进行实时跟踪，以此来尽量减少个人财产的损失，最大限度的保证个人的财产安全。

1　系统整体设计方案概述

该装置利用RFID技术实现物品监管和报警功能。采用2.45G远距离读卡技术来识别电子标签，将电子标签与需要监管的随身物品进行绑定，再通过手持设备读取卡片信息，读取通信距离在50m内是可调的，装置设定距离后，一旦阅读器读取不到卡片的信息，软件将会发出警报指令，驱动警报装置震动或者鸣响，从而实现区域性的物品监管定位功能。

2　硬件设计

硬件设计包括主机和子机的设计。该装置利用RFID技术实现物品监管和报警功能，故在硬件设计上主要是阅读器和电子标签的选择。

2.1主机的设计

RFID阅读器的硬件设计均可以概括为射频模块和基带处理模块（也称为控制模块）两部分。射频模块机构由发射通道和接收通道两部分构成，主要功能为：产生并发出高频电磁波，激活电子标签并为之供能；对基带发射信号进行调制，达到与电子标签通信的要求，接收解调标签反射回来的射频信号[1]。RFID阅读器基带部分主要由数据采集和数据缓存处理两部分组成，主要功能是与相关应用软件进行数据通信，按照应用软件的相关指令，实现阅读器与电子标签的身份识别，与标签实现数据通信并完成应用系统指令要求[2]。在此过程中，控制中心控制和协调阅读器各功能模块的工作、控制数据的存储、缓存以及与主机的通信。

2.1.1阅读器选择原则

在RFID系统中，阅读器的选择至关重要，可根据使用环境的要求，综合考虑阅读器的工作频率、输出功率、输出端口、阅读器形式匹配天线等技术参数。具体选择原则如下[3]：

（1）工作频率。阅读器的工作频率要和电子标签统一。

（2）输出功率。阅读器的输出功率必须符合使用国家或地区对于无线发射功率的许可标准，以满足人类健康等需要。

（3）输出端口。根据需要可选择RS232、RS485、RJ45、韦根、无线网络等接口类型中的一种或多种。

（4）阅读器形式。可考虑选择固定式阅读器还是手持式阅读器。

（5）匹配天线。阅读器选定后还需要考虑与之相配的天线的类型和数据。

2.1.2阅读器类型的选择

目前，市面上RFID阅读器多种多样，鉴于该防丢失装置的随身性以及工作环境的非固定性，在阅读器的形式上选择便携式阅读器。这类阅读器将天线、阅读器和主控机三者集成于一体，小巧，便于携带，因此又称为便携式手持机。该装置已广泛用于物流仓储、会员管理、交通运输、电力抄表、停车场管理、自行车租赁、公交一卡通、导游IC卡管理等领域。

2.1.3手持机型号的选择

本设计选择苏州木兰公司的ML4001手持机。它采用2.45G手持读卡器，读卡器和卡之间采用微波通信，从而实现远距离自动识别传输，应用其独有的RFID技术，使得读卡有效距离可以实现0～30m范围，并且可以同时识别200张有源卡。

（1）ML- M4001手持机的电气特性：

工作电压：+24VDC

工作电流：<1000mA

可靠性：MTBF≥70000h

工作寿命：>15年

通信接口：RS485/Wiegand /CAN总线

（2）ML- M4001手持机的微波链路特性：

信号调制方式：GFSK

工作频率：2.4～2.45 GHz

接收灵敏度：≤- 93dBm

天线极化：垂直

识别范围：全向识别

微波通讯距离：0～30m

位误码率/B.E.R：10-7

通讯加密：按客户要求

微波通讯检错：CRC16循环冗余校验

（3）ML- M4001手持机的工作环境

①抗干扰和防雷设计，满足工业环境要求；②使用温度：- 40℃～+80℃；③保存温度：- 60℃～+80℃；④抗电磁干扰：10V/m0.1- 1000MHz AM调幅电磁波。

2.2子机的设计

在随身物品防丢失提醒装置中，子机充当的角色就是被监管者，主机通过对它的监管从而达到对与其相绑定的物品的监管。本设计中电子标签就是防丢失装置中的“子机”。在物品监护系统中，需要先将各种随身的物品信息存储到RFID标签中，同时为了满足应用的需要，还需要对RFID标签的用户自由存储区进行格式的设计[4]。

标识物品的RFID数据格式的设计重点在于用户自由存储区。因为采用TID就能够唯一的标识单个物品，所以重点在于用户区设计，对标签中的EPC代码区无需设计。在用户存储区中的64个字节中，原本可以存储很多物品相关的属性信息，但本文通过轮询的方式来实现物品电子标签的轮询，访问方式较为简单，存储区利用前两个字节来存放物品的标识号，和物品的顺序号再匹配上位机桌面系统的物品存储数据就能实现对物品的识别监护[5]。用户区数据设置如图1所示。

2.2.1电子标签的类型选择

基于上述“主机”部分选择的是2.45G手持机，“子机”部分电子标签的选择必须与其相匹配，故选择微波频段的电子标签。微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，电子标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。以目前技术水平来说，无源微波电子标签比较成功的产品相对集中在902～928MHz工作频段上，2.45GHz 和5.8GHz射频识别系统多以有源微波电子标签产品面世。有源标签一般采用纽扣电池供电，具有较远的阅读距离。

2.2.2电子标签产品特性的确定

基于电子标签和阅读器的适配度考虑，本装置的电子标签设计以木兰公司的ML- T80只读系列远距离电子标签的技术参数为主要参考依据。ML- T80电子标签是构建于木兰完全自主知识产权的RFID创新技术平台上的定位管理电子标签，通过专门读写器可以完成对人员的定位和自动识别[6]。

本设计中，利用ML- T80的定位功能，可在每一个需监管物品上配带一个带有固定编号的标签，标签会主动发出无线电信号（1秒钟发送3次）给手持机，手持机就可以确定物品的位置及活动范围，从而可以实现对物品的监控，满足人们对随身贵重物品的安全管理和实时追踪的需求。

该有源电子标签的工作原理为：有源标识卡不断主动向外发出无线电信号（1秒钟发送3次，该发送功率可以根据用户要求进行修改），并且能够传播很远的距离。该无线信号是有编码的，每个标识卡的编码是唯一的。标识卡发出的无线信号如果是在读卡器的有效测量距离内，则该无线信号通过读卡器上的天线被读卡器接收并解码，然后读卡器通过TTL232/RS232/RS485/CAN总线/以太网/Wiegand- 26/ Wiegand- 34/USB/GPRS接口将信息发送给管理系统或其它监控系统。

软件主界面接口工作流程如图2所示。

2.2.3电子标签的外形选择

常见的有源电子标签有纽扣式、挂链式、卡片式、腕带式等，适用于不同的环境。纽扣式和卡片式适用于钱包等物品的监管；挂链式适用于钥匙、手机等物品的监管；而腕带式则适用于防止儿童走丢。

使用电子标签要注意以下事项：①保持标签表面干燥；②不要将其放在金属较多的地方；③不要将其放在密闭的空间内；④不要将其放在有腐蚀性物品附近；⑤请在其正常的工作温湿度下使用；⑥检修不得随意更改产品元器件的参数、规格、型号。

3　应用软件设计

本装置采用的是面向应用性的定制性软件，更加贴近用户的使用。通过软件可以及时获取用户所需数据，及时让管理人员了解物品情况。启动软件后，它可以自动获取电子标签的编号，并在界面中列出各个标签的唯一标识号，并且软件具有重命名功能，可以将标识号更改成电子标签所标识的物品名称，从而使得物品管理更加明确。此外，软件可以设定监管距离以及警报方式，包括震动和响铃方式。

关于软件开发，可参照IAR公司嵌入式工作台：MSP430开发软件很多，常用的是IAR公司集成开发的环境：IAR Embedded Workbench工作台以及调试器C- SPY。该嵌入式工作台为开发不同目标单片机的项目提供强大的开发环境，并为每一种目标单片机提供工具，它可以在Windows环境下运行，可以同时编辑汇编C语言源文件，集成工具和编辑器，用户界面直观以及超文本帮助全面。

订制开发后的应用软件基本操作主界面用于显示标签名称、数目以及当前状态，右侧菜单栏主要是一些基本设置，包括工作距离的设定、警报方式的设定以及标签发送信号间隔时间等。

4　结论

综上所述，针对随身物品防丢失装置的设计集成了RFID、GSM和GPRS三大技术，本设计使用通用性较高而且携带方便的便携式手持机以及有源电子标签作为核心部件，此外，选择定制型应用软件可实现多端登陆功能，不仅可以满足该装置对距离可调和多通道功能的要求，同时也实现了多方管理，大大提高了本装置的可靠性和实用性。

参考文献

[1]胡瑞涛.煤矿井下人员定位系统的设计与研究[D].西安：西安科技大学，2012.

[2]黎先君.井下人员定位系统及其数据采集处理技术研究[D].湖南：中南大学，2012.

[3]段银联.基于RFID技术的矿井人员定位监控系统研究[D].安徽理工大学硕士论文，2009.

[4]康东，石喜勤，李勇鹏.射频识别（RFID）核心技术与典型应用开发案例[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5]王杰，温俊杰.电子标签技术及其在现代物流中的应用[J].科协论坛（下半月），2011（9）：125- 126.

[6]董丽华. RFID技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.□

Design of Portable Goods and Anti Loss Reminder Device

HE Guo-bin1，WANG Bao-min1，JING Fa-qi2
（1. Institute of Chemical Industryand Environment，North Universityof China，Taiyuan 030051，China；2. Science and Technology Center of Production Safetyin Qinghai Province，Xining810008，China）

Abstract:In this paper，the protection and management ofthe advent ofthe era ofsmart people for the purpose ofdesigninga portable device to prevent the loss of goods. The device is divided into two parts of the host and the sub machine，the host is worn by the owner，and the sub machine is equipped with the RFID system to realize the supervision function of the device，select the 2.45G portable handheld machine and the corresponding active electronic tags，once the object to leave the main over a certain distance，the host will send an alert. To avoid the loss of goods，to ensure the safety of personal items. Its monitoring distance in the 50m，the user can self control，and the volume is small，easy to carry，thereby greatly improving the safetyofthe regulated items.

Key words:RFID；portable handheld machine；active electronic tags；customized application software；multi management

作者简介：何国斌（1990-），男，在读研究生，研究方向：安全人机模拟与仿真，18674460698，369794359@qq.com。

收稿日期：2015- 12- 04

中图分类号：TP309；X913.2

文献标识码：B

文章编号：1008- 553X（2016）02- 0057- 03

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.018