基于无线射频识别技术的工器具管理系统设计分析

吴发杰 化俞新 徐祗尚

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266111）

在现代化背景下，传统工器具管理系统已无法良好满足实际需求，呈现出诸多弊端，为更好地满足现阶段工器具库存管理要求，可将物联网技术作为基础，在工器具管理系统设计过程中融入无线射频识别技术，以先进技术为支撑，切实完善工器具管理系统功能，使工器具申领、规划、报废、台账、保管等工作规范有序进行。

1 无线射频识别技术的原理与功能分析

1.1 技术原理

在无线射频识别技术体系内，最关键的部分则为读写器与电子标签，两者可通过天线完成信息通讯，其系统构成如图1 所示。读写器内部的天线能够将射频信号转为电磁波，并发射给电子标签，而电子标签内天线能够将电磁波能量转为射频电流能量，该部分能量将供应电子标签天线的运行，同时，在电子标签天线作用下，可其电子标签内信息数据发送给读写器，经信息解码转化后，由读写器发送给个人计算机。在上述结构中，电子标签天线属于内置天线，而读写器则存在两种天线，即分离式天线、集成式天线，其中集成天线多运用在高频近距识别场景内，而分离式天线则在超高频远距识别中发挥出良好效果，此外，需运用阻抗匹配电缆连接天线与读写器。在无线射频识别系统实际应用过程中，个人计算机将指令传输给读写器，指令以无线电波的形态由读写器传输给电子标签内部的天线识别区，待接收电磁波并感应其中信息后，将其电子标签存储器内相关数据信息传递给读写器，后将电波解调后将信息阐述给主机系统。

图1： 无线射频识别系统构成

1.2 技术功能

（1）无线射频识别技术最显著的优势在于非接触式识别信息，将其应用到工器具管理系统中后，能够精准识别工器具的名称、性质、用途、检验日期、使用日期、购买日期、生产日期、工具编号、保管人、归属人等信息。

（2）还可将工器具管理系统内无线射频识别系统与数据库对接，便于不同人员了解工器具库存数量、在用数量、维护记录、检修记录等，在精准化、全面化信息数据支撑下，高效开展工器具管理工作。

（3）在当前时代背景下，互联网已实现大规模普及，工器具管理系统可依托于互联网进行维护，并实现信息共享，同时还可对工器具信息数据进行统一整理与分类归纳。

（4）在无线射频识别技术支撑下能够实现工器具精准认证，使工器具信息查询不再依靠传统纸质标签，同时还可依靠无线射频识别技术设置失效保护，若工器具未及时校验检测，则会列入失效列表内，完成校验检测且性能参数达标后方可继续应用。

2 工器具管理系统中融入无线射频识别技术的设计分析

2.1 可行性分析

（1）技术可行性。无线射频识别技术作为物理网技术的一种而日渐完善，且在多领域产业中发挥出优异效果，且工器具管理模式已了解透彻，因此，将以无线射频识别技术为支撑设计工器具管理系统具有技术可行性。

（2）经济可行性。相较于传统管理办法，采用管理系统的方式监管工器具降低了财力成本与人力成本，且可提高工器具管理效率与质量，故该设计方式具有较强的经济可行性。

（3）用户可行性。在工器具维护管理工作中，基本无高年龄管理人员，均可良好掌握计算机系统操作技巧，故完成工器具管理系统设计开发工作后，通过简单培训工作即可良好应用工器具管理系统，故该设计方式具有较强的用户可行性。

2.2 功能需求分析

（1）要求系统能够根据人员职务层级设置不同权限，确保工器具能够被良好利用。

（2）工器具管理系统此需采用生命周期全过程管理办法开展工作，从入库登记到报废处理，构建一个完整的工器具管理体系。

（3）要求工器具管理系统能够实现精细化管理，对工器具进行准确识别，以此保障工器具管理工作效率与质量。

（4）该管理系统需能够记录工器具动态化信息，如日常维护、使用人员等，以此提高工器具管理效率。

2.3 设计原则分析

（1）便捷性。基于无线射频识别技术的工器具管理系统应用操作便捷，能够采用简单化操作完成工器具管理工作，无论工器具处于仓库还是现场，相关人员均可凭借手持终端进行管理。

（2）全面性。要求工器具管理系统能够满足日常管理需求，功能全面，并符合管理流程，以此方可确保该系统的应用价值。

（3）兼容性。工器具管理系统需采用通用性系统接口。以此确保工器具管理系统内信息数据能够对被有效读取，且要求电子标签、无线射频读写器符合范标准，其可支持其他二次开发接口。

（4）延展性。工器具管理系统应能够根据应用环境及要求的不同而进行功能删减，并可根据不同产业类型实现个性化设计，以此不断完善工器具管理系统功能。

（5）稳定性。工器具管理系统需很好地在不同环境中发挥作用，可良好适应不同恶劣环境，例如：要求电子表现与读写器可在潮湿、高温、强磁场、强电场等环境中仍可正常传输指令，使工器具管理系统能够很好地适应不同环境，继而实现稳定性信息数据的传输与读写。

3 工器具管理系统设计要点

3.1 总体架构

图2 为本次工器具管理系统总体架构情况，其以无线射频识别技术为基础，以无线射频读写器为核心，在实际应用时，可在无线射频读写器应用下进行工器具电子标签的读写工作，并将其对接云端数据库，使工器具管理系统获得庞大的数据支撑，以此便于工器具信息数据的交换共享，并以此方式完成工器具的维护管理与监督检查。在应用现场中，相关人员可借助手持机终端扫描读取工器具电子标签，此时在云端数据库、无线网络的协同作用下即可完成信息交互，从云端数据库内提取与电子标签相符的信息，而在读写器与电子标签的天线作用下，即可将工器具信息数据传输至手持终端机上，通过上述过程，现场人员则可准确获取工器具详细精准的信息数据，继而以信息数据为支撑机型工器具管理与应用工作。

图2： 工器具管理系统总体架构图

3.2 系统优势

按照上述总体架构设计工器具管理系统能够有效规避传统管理办法的弊端，且该管理系统具有以下优势。

（1）唯一性标签识别。该系统以无线射频识别技术为支撑，各工器具均具有自身唯一性电子标签，通过64 位数据编码用于区分不同的工器具，以此即可实现数据编码与工器具之间的一一对应，在唯一性标签应用下，则可快速完成工器具的定位工作。

（2）便捷化工器具管理。基于无线射频识别技术的工器具管理系统结合了云端数据库与电子标签，在两者的协同作用下，即可实现便捷化、实时性工器具管理工作。

（3）稳固性电子标签。区别于传统纸质标签，电子标签存在固定化、微小化、信息化的特征，且可根据工器具结构特征，将电子标签设置为多个形状，以此即可将电子标签稳固地的固定在工器具上，且可有效避免电子标签脱落、破损等问题，使相关人员可根据电子标签便捷化获得信息数据。

（4）强效化抗干扰能力。为最大限度地提高电子标签的抗干扰能力，现阶段出现了多类型标签封装形式，在实际应用期间，可依据工器具结构及种类预先封装，使电子标签能够良好地适应各类恶劣环境。此外，按照国家标准来看，超高频射频识别工作频率处于860 ～960 MHz 范围内，该频率可抵抗磁场干扰，进一步提高了射频识别系统的抗干扰能力。

3.3 软件设计

在工器具管理系统中，软件部分主要由计算机软件（客户端）、数据信息软件（服务器端）、读写器软件（手持端）等构成，其中数据信息软件主要用户维护、存储、更新工具器的数据信息，并负责客户端软件的读写、下载、访问等功能的，此外，为确保工器具信息数据能够更好地呈现，需借助Linux、Unix 等软件满足软件运行环境要求。计算机软件能够借助互联网调取读写云端数据库信息，并可实现数据库信息更新维护工作，此外， 还可在读写器作用下完成电子标签的暂停、作废与认证工作。读写器软件能够实现高效化电子标签读取工作，且可交互云端数据库，为信息共享互通奠定基础，确保工器具相关信息数据能够良好地传输至显示屏上。

3.4 硬件安装

在整个工器具管理系统内，除计算机设备外，最为关键的硬件装置为读写器、电子标签、读写手持设备。

（1）安装电子标签。电子标签是识别工器具身份的主要硬件，应按照工器具结构及类型将电子标签进行安装固定。在系统测试期间，可由相关人员自行安装，用于检验无线射频识别效果，而在工器具管理系统正式投入使用后，需由专门的生产厂家进行固定安装，以此确保电子标签安装稳固性。

（2）安装读写器。通常情况下，工器具多存储在仓库内，故为最大限度地保障工器具管理系统应用效果，可将读写器装置安设在仓库出入口处，以此确保工器具电子标签能够被良好识别。根据应用场景的不同，采用分体式读写器，其读写模块与通信天线相分离，该类读写器能够根据仓库场地大小确定安装数量，此外，还可选用一体式读写器，为需使读写器能量场能够良好覆盖电子标签必经区域，若无法实现完全覆盖，则需安设分体式读写器在。在读写器实际安装过程中，应对仓库布线等因素综合考量，对信号馈线技术参数与型号合理选择，通常情况下，要求信号馈线衰减因数低于1.5dB/10m。

（3）安装读写手持设备。该设备无需特定安装，其多用于现场环境中，为确保读写手持设备能够良好访问与识别数据库，实现工器具信息交互与数据查阅，要求现场覆盖无线网络或移动通信，使云端数据库可良好对接工器具管理系统。

3.5 功能模块

工器具管理系统的功能模块设置应符合实际需求，依靠无线射频识别技术设计工器具管理系统时，应统筹分析系统功能，并以此为依据确定功能模块。在本次工器具管理系统设计工作中，主要设置了以下功能模块：

3.5.1 电子标签管控模块

依靠电子标签管控模块能够编码激活工器具电子标签，并可进行认证、暂停与报废，为便于工器具管理系统的应用，需以通信网络为纽带，衔接关联工器具数据信息与电子标签，以此确保电子标签的有效识别。工器具管理系统内的电子标签管控模块可进行以下操作：借助读写器统一编码工器具电子标签，在此基础上关联云端数据库与电子标签，完成上述信息数据关联后续激活认证电子标签，未激活认证处理的电子标签无法被读写器识别。通过上述分析可知，工器具电子标签采用64 位数据编码的方式进行设置，故其电子标签具有唯一性，此时可确保云端数据库与电子标签之间的关联关系同样具有唯一性特征。考虑到工器具需进行预防性试验与强制性能校验工作，故在可电子标签管控模块内增设试验校验控制功能，在工器具管理系统内输入失效日期，以此确保工器具能够按照标准规范执行试验校验工作。在电子标签管控模块功能设计过程中，将工器具试验校验日期及间隔期限输入管理系统内，进一步将该试验校验日期定义为失效日期，若工器具未及时校验检测，则会列入失效列表内。当工器具进行预防性试验与性能校验时，需读取识别工器具电子标签，检测校验结果得出后可自动与该工器具关联，此时失效日期将按照试验校验时间间隔顺延。在工器具应用之前，可通过读取电子标签确认该工器具是否存在失效列表内，以此实现对工器具的有序规范管理。

3.5.2 工器具仓储模块

仓库进出口位置设有读写器，当工器具进出时则会被读写器识别电子标签，在读写器与电子标签内的天线作用下，将工器具信息编码传输给计算机终端，待计算机终端接收工器具信息编码后，则会从所对接的云端数据库访问调取工器具相关信息数据，继而完成工器具电子标签的读取工作。仓储模块能够确保工器具的进出数据能够被及时识别登记，有效保障了工器具的信息完整性，此外，依靠工器具仓储模块能够确保仓管人员良好完成信息读写操作，实现工器具信息数据的更新与编辑。

3.5.3 安全保障模块

安装保障模块是确保工器具管理系统稳定运行的基本，在工器具应用之前，可借助手持读写器识别电子标签，从云端数据库内调取数据后，可进一步将数据传输至显示屏，以更为直观便捷的方式呈现工器具信息数据，同时可根据信息数据判断工器具是否有效合格。

3.5.4 资源管理模块

在资源管理模块作用下，可实现工器具信息数据的全面统计，按照工器具用途、年限等将工器具归类，并可从库存量、在用量两方面显示工器具数据，为工器具调拨配置工作提供依据，继而实现工器具科学化管理。

3.5.5 权限分级模块

按照上述工器具管理系统功能分析可见，为确保工器具能够得到科学应用，需根据职务岗位进行工器具管理系统权限分级，通过分级管控减少工器具信息数据违规录入、清除、修改操作，同时，在权限分级模块运行期间，还可调取工器具信息数据录入、清除、修改历史记录，通过操作痕迹追踪，避免违规操作行为的发生。

3.5.6 维护管理模块

该模块主要为确保工器具管理系统延展性原则，使系统能够根据实际需求增减功能或系统调试，以此提高工器具管理系统的功能应用效果，此外，该模块还负责系统的自动维护工作与应急预案运行工作，当有故障隐患问题发生时，可根据故障程度而启动应急预案。

3.6 防碰撞算法

工器具电子标签在识别读取过程中可能会发生漏检现象，产生该现象的原因如下：

（1）受到电磁干扰而导致读写器无法准确识别。为避免该现象，需将电子标签固定在远离工器具金属部位的区域，或采用抗金属电子标签，而抗金属电子标签成本相对较高，在设计工器具管理系统时，应根据工器具结构材料及管理需求选择电子标签类型。

（2）电子标签应识别读取过程中存在遮挡现象，以此引发了无法识别现象。为防止电子标签无法识别，应将电子标签固定面朝向读写器天线。

（3）电子标签轮询操作过程中出现的漏检，为防止上述现象，需运用防碰撞算法确定轮询防碰撞机制。

将查询次数设为“G”，标签个数设为“n”，根据退避式算法来看，读写器需在轮询期间查询“T=2n-1”次，轮询过程中每出现一次碰撞，则会减少查询行为2 次，将碰撞次数设为“m”，则读写器所减少的查询次数为“2m”，故可将查询次数G 定义为“T-2m=2n-2m-1”。以上述查询次数定义为基础，进一步计算电子标签准确识别所需的吞吐量（S），其计算公式如下：

在式（2）中， 与 分别为数据信息长度与查询指令长度。按照式（1）、式（2）进行算法计算，在工器具管理系统内设置防碰撞算法，以此即可有效避免电子标签轮询操作过程中出现的漏检问题。

3.7 应用效果

按照上述设计要点研发工器具管理系统，本次所设计的工器具管理系统容易实现，且电子标签成本相对较低，故具有较强的经济性，为进一步验证工器具管理系统功能应用效果而进行试运行，对应用效果进行总结，主要如下：

（1）实现了工器具统一管理，并可有效控制现有资源。在工器具管理系统应用下，能够对不同用途、不同存储区域的工器具进行统一化数据管理，有助于管理人员掌握工器具信息数据，并可根据工器具的实时数据信息进行资源调配，继而使工器具管理决策的制定更为科学有效。

（2）依靠工器具管理系统实现了工器具的动态跟踪，并有效把控工器具的预防性试验与性能校验信息，使工器具能够始终处于有效期限内。此外，对于处于失效列表内的工器具，则会及时冗余警报处理，提醒相关人员尽快执行试验校验工作。

（3）以工器具管理系统内的信息数据为支撑，能够实现工器具的实时检查，使相关管理人员可准确获取工器具使用记录，便于工器具安全稽查工作的开展，及时纠正不正当工器具操作，此外，还可在工器具使用之前检查其性能，以此避免因失效工器具操作而引发的不良问题。

（4）根据工器具管理系统实现了工器具全过程追溯，可根据实际需求调取监管人、保管人、经手人、归属人信息，通过工器具的实时记录明确其使用情况，若出现工器具故障还可实现全过程追溯跟踪。

（5）依靠电子标签能够准确识别工器具，使工器具进出库管理工作更为便捷可靠。

4 结束语

综上所述，为解决传统工器具管理办法弊端，可基于无线射频识别技术设计工器具管理系统，用于改善工器具管理模式，提高工器具管理工作的智能化程度。在设计系统设计过程中，应根据现有需求确定总体框架，明确系统优势，并做好软件与硬件设计，在此基础上构建工器具管理功能模块，并完善标签防碰撞算法。本次所设计的工器具管理系统经实践应用后发现其效果较好，具有应用价值。