基于RFID的消防器材巡检系统设计

汪 海，孙 锋

（江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122）

基于RFID的消防器材巡检系统设计

汪 海，孙 锋

（江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122）

根据目前消防器材巡检仍以传统的手工记录，纸质存档为主，以及对于巡检人员的监管效率低下的现象，设计了一种基于RFID的消防器材巡检系统。该系统设计利用RFID技术对巡检结果进行采集，通过GPRS网络将巡检结果传送至监管部门，从而实现了信息化、网络化的巡检，大大提高了监管效率。结果显示，该系统能稳定可靠地进行消防器材巡检作业以及巡检报告地上传。

RFID技术；GPRS技术；巡检系统；STM32L4

近年来，全国接连发生火灾现象，造成较大社会影响，消防安全再次引起人们的关注。而消防器材的完好对于消防安全起着至关重要的作用。所以，定期对消防器材进行巡检是必不可少的。然而目前消防器材的巡检仍以传统的人工查验、手工记录、纸质存档为主，这种巡检方式的弊端日益明显。首先，巡检质量不高:巡检人员需手动书写巡检报告，并将报告交递给监管部门，其中还有不可避免地人为错误；其次，监管效率低下:监管部门对于巡检人员有没有去巡检、什么时候去的、去了什么地方、发现什么问题等，无法及时知晓，只能通过现场检查来确定；还有，随着消防器材数量的与日俱增，通过查阅纸质存档获取某个消防器材的具体信息是非常困难的[1]。为了解决这些问题，文中设计了一种基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的消防器材巡检手持终端，该手持终端利用RFID与GPRS技术，不仅能很好地提高巡检质量和监管效率，还可以使巡检结果信息化，做到永久保存。

1 消防器材巡检系统设计方案

本系统主要分为电子标签、手持终端和监管服务器3部分。系统示意图如图1所示。

图1 消防器材巡检系统示意图

1）电子标签

在消防器材表面贴上存储其具体信息（如:生产日期、保质期、位置坐标等）的电子标签。电子标签根据供电形式分为:有源标签、无源标签和半有源标签，根据工作频率又分为:低频标签、高频标签、超高频标签以及微波标签[2]。在此系统中，考虑到消防器材都是金属制成以及应用的特殊要求，我们选择无源高频（13.56 MHz）抗金属标签，它的识别的范围在4～5 cm左右，能很好的满足本系统的设计要求。

2）巡检手持终端

作为便携式设备，设计以低功耗微控制器、射频模块以及GPRS模块为核心的巡检手持终端，巡检人员工作时，只需携带手持终端，通过RFID技术读取每个消防器材的信息并完成巡检任务，然后在通过GPRS网络将巡检结果实时传送至监管服务器。

3）消防器材监管服务器

消防器材监管服务器提供了巡检任务管理、户籍管理、数据管理等功能。其中任务管理包括任务的制定以及任务的下载；户籍管理是指监管部门对自己所管辖的单位以及单位内消防器材的管理，数据管理及分析就是对巡检人员发送的巡检结果进行管理与分析。

由于文章篇幅有限，文中主要介绍消防器材巡检手持终端的设计。

2 手持终端设计

文中设计的消防器材巡检手持终端主要包括微控制器、射频模块、GPRS模块等，如图2所示。

图2 手持终端硬件总体框架

2.1 微控制器

本设计中的微控制器选用ST公司最新推出的基于ARM Corte-M4内核的同时具备超低功耗与高性能的STM32L476RGT6。一方面，在ART Accelerator技术的支持下，它的处理速度达到80MHz/DMIPS，打破了当前超低功耗微控制器的性能极限[3]。另一方面，STML4系列采用90纳米工艺，在加上ST公司独创的智能架构以及多达7个子模式选项的电源管理，使其在电池供电模式下可以实现4nA超低功耗。除此之外，它内部还配有1MB Flash和128KB RAM，而且外设资源也非常丰富，主要包括:SPI、I2C、U（S）ART、USB OTG以及CAN总线接口等。所以，STM32L476完全可以满足本次设计的要求[4]。

2.2 射频模块

射频模块采用恩智浦公司的MFRC522，这是一款应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度读写芯片[5]。不仅支持ISO14443A标准，还具有低电压、低成本、体积小等优点，是便携式手持设备研发的较好选择。射频模块中的天线是巡检终端与电子标签之间通讯的载体，具有非常重要的地位。天线在设计中可以等效成电阻、电容以及电感所构成的谐振电路，将谐振电路的谐振频率与电子标签的工作频率（13.56 MHz）相匹配，才可以得到最佳的通讯效果。此外，天线设计中另一个重要的参数即品质因数，其具体公式如下:

式（1）中的f是工作频率，L是天线的尺寸，R是天线的半径。一个完整系统的最佳品质因数一般在10～30之间[6]。

射频模块与微处理器之间的通讯方式采用SPI方式，这种方式具有连接电路简单、使用方便、传输速度快等优点，其具体的硬件电路图如图3所示，图中省去了一些STM32L476没有用到的引脚。

图3 MF RC522电路原理图

2.3 GPRS模块

本系统选用SIMcom公司的SIM900A作为GPRS模块，它属于四频GSM/GPRS模块。这款产品采用SMT封装形式，性能稳定，性价比高[7]，能够满足本次设计的需求。在设计中采用USART方式连接，具体接法为，将SIM900A的RXD和TXD两个引脚分别与STM32L476的PA2和PA3相连，具体电路设计如图4所示。其中SIM900A的TXD口用于向STM32L476发送数据，RXD口用于接收STM32L476传来的数据，最终通过天线将数据发送出去。另外，在SIM卡电路设计中，为了保护SIM卡在每个信号管脚都加了一个稳压管。

图4 GPRS模块电路原理图

2.4 电源管理

在本系统中，由于每个模块的工作电压不一样，如STM32L476的工作电压为1.71～3.6（典型值3.3 V）[8]，射频模块工作电压3.3 V[9]，GPRS模块的工作电压4 V[10]等，所以必须对每个模块单独供电。由于文章篇幅有限，文中仅对这3种电压进行介绍。在本系统中采用单节电压为3.7 V，大容量3 000 mAh的锂电池供电，此外，为了方便日后功能的拓展，加入了常用的5 V电压。

为了得到4 V电压和输出2 A的电流以供SIM900A正常工作，本设计中选用MICREL公司的MIC29302线性稳压器，其最大输出电流可达3 A，完全可以满足需求。微控制器与MF RC522的3.3 V电压利用LM1117-3.3线性稳压器可轻松得到。

图5 电源模块

2.5 人机交互

本系统的人机交互方式主要通过电阻式触摸屏以及LCD来表现。为了使消防器材巡检手持终端更智能、更便捷，文中采用触摸屏的设计。随着信息时代的发展，触摸屏出现的越来越频繁，与键盘相比，触摸屏更耐用、反应速度更灵敏、能耗更低、空间更小[11]。触摸屏的种类繁多，最常使用的是电阻式与电容式，其中电阻式触摸屏不仅价格便宜、精度高而且防灰防水雾[12]，更适合本次设计的要求。触摸屏的正常工作需要一个控制器，本设计中采用XPT2046作为触摸屏的控制器。LCD显示方面选用2.8寸ALINETEK TFTLCD模块，该模块支持65 K色显示，分辨率达到320×240[13]，大大提高了图像的质量而且自带触摸屏，更加方便了开发与设计。

3 监管服务器设计

消防器材监管服务器要具有数据接收模块，用于接收巡检手持终端所上传的数据；巡检任务管理，用于任务的制定与发布；户籍管理，用于对所管辖单位的消防器材管理；数据管理和分析；以及权限登录。服务器的整体功能结构如图5所示。

本系统的监管服务器是基于.NET平台采用C#语言进行开发。C#一种面向对象、运行效率极高的编程语言，是.NET平台开发的首选语言[14]。.NTT类库是一个面向对象的综合性可重用类型的集合，它为应用程序的开发提供了各种高级的组件和服务，使得IT人员可以大大提高开发效率[15]。

图6 消防器材服务器功能结构图

4 测试与分析

对系统的测试主要有:手持终端的可靠性测试、终端与服务器间能否正常通讯以及服务器的稳定性等。

1）手持终端读卡距离的测试，将电子标签固定，手持终端从远处（10 cm）逐渐靠近电子标签，直到读出标签信息，此时的距离即为手持终端的读卡距离。除此之外，由于手持终端是基于锂电池供电，所以必须对锂电新的续航能力进行测试，其中包括待机时间、工作时间（只测试的是读卡，并未上传数据）、待机电流以及工作电流的测试，具体测试结果如表1所示。

表1 手持终端可靠性测试结果

2）终端与服务器的通讯方面，进入手持终端的通讯模块，设置好对应的ip地址与主机端口[16]，分别在学校图书馆地下停车库、教学楼以及宿舍3个地方进行进行巡检作业后，并将巡检报告发送至服务器，结果发现只有在地下车库的巡检报告未能成功时实发送到服务器，分析原因是因为地下车库的GPRS信号太弱。

3）服务器的稳定性测试，经过为期一个月的测试，服务器一切运行良好，并未出现系统崩溃、数据丢失等不稳定的现象。

5 结束语

本文基于RFID技术设计了消防器材巡检系统，通过巡检人员携带手持终端，利用RFID技术读取每个消防器材的信息并完成巡检任务，然后在经GPRS网络将巡检结果实时传送至监管服务器。监管人员可以通过后台服务器实时监测巡检情况以及查询历年巡检记录。相比于传统的巡检，本系统能大大提高巡检以及监管的效率，进一步提升消防器材巡检以及监管工作规范化、信息化水平。

[1]Ye Jiang，Feng Qi.The design of RFID based inspection system for power telecommunication Networks[C]//2010 6th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing（WiCOM），Chengdu，2010：1-4.

[2]王新意.低功耗超高频无源电子标签射频前端的研究与设计[D].北京：北京交通大学，2011.

[3]意法半导体（ST）新款STM32L4微控制器突破超低功耗应用的性能极限[J].电子设计工程，2015（11）：74.

[4]曹小娜.ST STM32L4:整合Cortex-M4内核超低功耗高性能MCU[J].世界电子元器件，2015（4）:42-43.

[5]林建.基于GPRS与RFID的智能巡检系统设计[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[6]黄俊祥，陶维青.基于MFRC522的RFID读卡器模块设计[J].微型机与应用，2010（22）:16-18.

[7]霍涛，贾振堂.基于STM32和SIM900A的无线通信模块设计与实现[J].电子设计工程，2014（17）:106-110.

[8]毕晓东.意法半导体STM32L4演绎低功耗与高性能完美结合[J].电子技术应用，2015（7）:107.

[9]林小平，鲁青.非接触CPU电子纸可视卡读写器系统设计[J].计算机工程与设计，2014（4）:1226-1230.

[10]李颀，周维，薛宇航，等.基于RFID的油田钻具巡检手持终端的开发[J].电子器件，2013（6）:864-868.

[11]解伟.基于STM32的自动气象站控制模块设计[J].电子测试技术，2014（7）:107-110.

[12]翟霄翔，郝久玉，郑军.电阻式触摸屏在嵌入式系统中的应用[J].电子测试技术，2015（2）:36-37.

[13]周占领.基于GPRS与ARM的巡检仪的设计[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[14]胡秀芳，陈增禄，吕双庆，等.基于ARM高级定时器的高频交错SPWM实现方法[J].陕西电力，2015（4）：32-35.

[15]袁丽娟.GPRS无线数据传输终端设计与研究[M].成都：四川大学出版社，2010.

[16]梁玉.基于C#的数据采集上位机软件设计[D].西安：西安电子科技大学，2014.

Design of fire equipment inspection system based on RFID

WANG Hai，SUN Feng
（College of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122，China）

According to the current fire equipment inspection records are still the traditional manual，paper-based archiving，and regulatory inspection efficiency is low phenomenon for staff，the inspection system of fire equipment was designed based on Radio Frequency Identification（RFID）.The inspection system use RFID technology to capture inspection results，through the GPRS network to transfer inspection results to the regulatory authorities.Fire equipment inspection system not only realized the information，network inspection，supervision can be done remotely，greatly improving the efficiency of supervision.The results show that the system can stably and reliably carry out fire fighting equipment inspection operations and the inspection report.

RFID；GPRS；inspection system；STM32L4

TN709

A

1674-6236（2017）23-0059-04

2016-10-21稿件编号：201610121

汪海（1991—），男，江苏淮安人，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统开发。