基于RFID和树莓派的物品收纳管理系统

2022-10-24卢依思盘茂杰郑思晴梁焕诗魏纵横

现代计算机 2022年16期

卢依思，盘茂杰，郑思晴，梁焕诗，魏纵横

（广东技术师范大学计算机科学学院，广州 510665）

0 引言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，日常生活中需要使用的物品种类日益繁多，人们时常会遗忘或无法寻得自己所需物品。除此之外，一个人的生活态度也可从他所处环境的整洁程度反映出来。如何做好物品的存储和管理工作，不仅是一个简单的收纳问题，更是一项人生的重要课题，收纳对于提高人们生活便利是一件利大于弊的事情。因为物品都是有价值且被需要的，有必要将它们分类整理，并放置在合适的位置上。但是，传统的物品收纳只是依靠纸笔和便签纸进行手工记录，工作效率较低，而且容易出错。在此背景下，如何利用智能设备进行物品收纳管理成为人们关注的一个重要问题。

在物联网技术的支持下，智能设备可以为物品添加相关信息属性，在提供查找物品便利的同时，让用户能及时了解某些物品的重要信息，例如：家居智能设备的运行情况，药品或者食品是否过期，等等。为了实现以上的物品收纳管理功能，本文通过调研获得物品收纳管理系统的相关需求，并开发出了基于RFID和树莓派的物品收纳管理系统。

1 国内外研究现状

1.1 物品收纳管理系统

目前市面上的物品收纳管理系统，主要是针对贵重的、易丢失的物品，而这种系统大部分是面向需要管理物品较多的企业、行政机关单位或者是藏书较多的图书馆，只有极少部分是针对家庭收纳管理的，而且成本较高，灵活性不足。

其中，鲁金屏等设计的资产管理系统是用于事业单位的系统，支持手持阅读器手动盘点、自动盘点设备远程盘点这两种资产盘点方式。唐赞淞等提出一种家庭物品智能管理系统方案，主要通过手机APP和RFID技术结合的模式，实现物品位置检测及物品有效期提醒等功能。

1.2 4G

4G技术，即第四代无线通信技术，它拥有比3G更快的数据传输速度,以满足传输多样信息的需求，为人们的日常生活带来极大的便利。

从2009年4G面世以来，信息技术行业在4G技术的推动下发生了翻天覆地的改变。高效的GPS，手机游戏的社交，汽车的智能化，电子媒体，短视频，云计算和云存储等技术在我国都得到了发展，这些技术被广泛应用在人们生活的方方面面，是一种成熟的远距离无线通信技术。

1.3 RFID

RFID技术使用电子标签来标志某个物品，再通过读写器对标签上数据进行收集和处理。作为非接触性自动识别技术，射频识别（RFID）已在国内外迅速发展。通过射频信号可以捕获静态或者快速移动的物体相关信息，用来加以识别。与条形码识别和直接标记技术相比，RFID技术有更长的读取距离，更大的信息储存容量，更高的防污染性能和可读可写的读写性能，并且能够重复使用，在一个读取过程中，可以同时阅读多个电子标签。目前，RFID技术在国内外的物品管理中得到了广泛的应用，特别是在图书管理和物流仓储管理上。

2 需求分析

基于上述问题，本文从硬件和软件两方面对物品收纳管理系统进行了详细分析和设计，利用RFID技术，采用无线电信号识别的方式，无接触式地读取特定目标对应的数据信息。在不影响管理效率的同时，最大程度地降低物品管理难度。

为应对不同的应用场景，我们将系统分为两大功能模块：单物品操作功能、多物品操作功能。

在物品管理过程中，系统会对单个物品进行操作，面对日常的添加、借出、归还、盘点，本系统有：添加物品（入库）、拿出物品、放入物品、查询物品等功能，实现对单个物品的日常操作；面对多物品操作，本系统有：多物品识别、拿出物品、放入物品、盘点物品等功能。多物品操作可实现批量操作，在一定程度上提高了物品的识别效率和准确率。同时，当我们需要对所有物品进行日常盘点时，多物品操作功能的多物品识别可以识别出周边粘贴RFID标签的物品，在显示屏显示所识别出的若干物品，仓库盘点人员只需点击该功能几次，进行对比即可，大大提高盘点效率。

同时，为应对无区域网覆盖的情况，我们在该系统加入了4G通信模块，保证网络的供给。用户可根据需求，选择加入或不加4G通信模块。

3 系统设计

3.1 系统架构设计

基于RFID和树莓派的物品收纳管理系统整体架构如图1所示，包括感知层、传输层和应用层。

图1 按层次划分的系统架构图

感知层由RFID电子标签、RFID阅读器芯片以及主控板树莓派组成，用于识别物品并采集相关数据；网络层使用4G模块将感知层采集数据上传至云端；应用层则提供了一套树莓派上位机系统和一套Web应用程序，用户使用相应系统即可实现对物品的各种操作。

3.2 系统功能模块划分

本系统共提供了两套应用软件，系统整体的功能划分如图2所示，分为登录注册模块、物品管理模块、借还记录模块和盘点统计模块，其中Web端实现了登录注册模块、物品管理模块的借出物品、归还物品、借还记录和盘点统计等功能；上位机软件则实现了物品管理的所有功能以及借还记录和盘点统计等功能。

图2 系统功能划分图

4 硬件设计

4.1 硬件选型

此系统所需的硬件设备主要有：树莓派、RFID模块、4G模块。下面将详细介绍各硬件特点及选择原因。

树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，以MicroSD卡为内存硬盘，拥有多个USB接口和I/O口，具有所有PC的基本功能，可以安装系统，做服务器等，价格却比计算机便宜许多，体积又小。因此，本系统选用了型号为PI4B-2GB的树莓派。

RFID模块包括了阅读器芯片、天线和电子标签。RFID具有电子标签存储信息量大、信息可修改、安全性高、无线传播，以及信息传输范围广等优点。阅读器芯片可以通过天线实现与电子标签的无线通信，实现对标签识别码和内存数据的读出和写入操作。

4G模块是基于4G网络来进行通信的，是指支持TD-LTE和FDD-LTE等LTE网络制式的统称，具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点。本系统采用的4G模块为SIM7600CE 4G HAT。

4.2 硬件模块搭建

树莓派主板拥有多个USB接口和I/O口，因此本系统硬件层搭建只需将4G模块通过树莓派USB口相连，RFID阅读器通过GPIO引脚口与树莓派相连，硬件层具体架构如图3所示。

图3 硬件架构图

5 软件设计

5.1 软件系统整体架构

基于RFID和树莓派的物品管理系统在软件方面主要由三部分组成：第一部分为树莓派终端的以Python为脚本的物品管理程序，是本系统的核心软件；第二部分为B/S架构的Web应用程序，提供给用户更加便利的物品管理页面，辅助树莓派终端软件，提升用户体验感；第三部分为组织、存储和管理数据的云数据库。系统整体架构图如图4所示。

图4 系统整体架构图

云数据库具有低成本、高可靠和轻松部署等优点，在本套系统中起到了软件中间件的作用。云数据库是一个非常可靠又重要的中间件，它不仅能对树莓派上传的数据进行加工处理和保存，还可以与树莓派终端软件、Web端软件实时连接，进行数据交互。通过使用云数据库，两套软件系统之间形成了一条高效传输的数据链路。

树莓派终端和Web网页通过共同连接到云数据库，实现物品数据共享，从而相辅相成地实现有序、合理的物品管理，实现物品管理的数据化、可视化。

5.2 树莓派终端软件设计

树莓派终端软件采用Qt设计UI界面，基于RFID模块、4G模块和树莓派等硬件基础，使用Python语言进行开发，通过感知层采集数据，并实时与云端进行数据交互，实现物品管理各项功能。

5.3 B/S架构的Web应用程序设计

Web采用了Spring+SpringMVC+Mybaits的框架加上Maven管理项目结构，实现前后端分离，并实时获取云端数据，对云端数据进行查看修改，实现对物品管理数据的可视化。

5.4 数据库设计

本系统采用MySQL语言进行数据库设计，根据系统的需求分析与总体设计，为实现物品的各项管理操作，共设计有用于存储物品信息的data表、用于存储借出记录的table_out_storage表、用于存储归还记录的table_in_storage表共三张数据表。各表详细结构如图5、图6和图7所示。

图5 data表

图6 table_out_storage表

图7 table_in_storage表

6 系统实现

6.1 硬件功能实现

通过RFID模块实现的功能主要是识别RFID标签的EPC以及个数。利用射频信号和空间耦合，实现对被识别物体的自动识别。RFID模块通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。当一台粘贴RFID标签的物品进入某一特定区域，可立即被RFID模块自动识别，同时串口将对应读卡器号码以及相应标签信息内码实时传递发送至树莓派，从而展开批量入库、出库、清点等工作。RFID模块识别到的标签效果如图8所示。

图8 RFID模块识别标签效果图

通过4G模块实现的功能主要是提供网络给树莓派，辅助信息的上传，应对周围无区域网覆盖的情况，在一定程度上降低了该系统的使用限制。

关于树莓派使用串口发送命令，控制4G模块的核心代码如下所示：

4G模块实现流程图如图9所示。

图9 4G模块实现流程图

6.2 软件实现

树莓派终端软件系统中，使用RFID阅读器作为传感器采集数据，通过树莓派结合4G模块上传至云端并进行数据交互，从而实现入库、借还、识别、盘点等物品管理操作。树莓派终端软件拥有Web软件所没有的RFID模块，因此终端软件拥有特有的入库和RFID识别功能。当使用入库、RFID识别或借还功能时，树莓派将通过串口向RFID模块发送读取等命令，而RFID阅读器则将接收的标签信息返回给程序，程序对采集信息进行处理和再加工后，与云数据库进行交互，从而实现各个功能。树莓派终端的软件流程见图10。