基于RFID與Android平臺的物品清點(diǎn)系統

RFID技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，由電子標簽及讀寫(xiě)器組成，具有信息容量大、保密性高、無(wú)需人工干預、識別效率高等優(yōu)點(diǎn)。其與上層應用軟件及后臺數據庫相結合，可實(shí)現物品管理、物品防偽、物品定位、身份識別等功能，被廣泛使用于物流管理、交通運輸、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

在智能家居中，RFID主要用于門(mén)禁系統、人員定位[1]等。智能家居（Smart Home）是以住宅為平臺，兼備建筑、網(wǎng)絡(luò )通信、信息家電、設備自動(dòng)化等功能，集系統、結構、服務(wù)、管理為一體的，體現高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境[2].智能家居的核心功能是安防報警與智能控制。當前市場(chǎng)上的智能家居系統主要有基于樓宇對講技術(shù)的智能家居系統、基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的家庭自動(dòng)化系統和基于智能手機的智能家居系統三大類(lèi)[3].主要的產(chǎn)品有：智能鎖、監控設備、各類(lèi)環(huán)境傳感器、智能電動(dòng)窗簾系統、家電控制等。國內智能家居行業(yè)起步較晚，智能家居產(chǎn)品存在系統復雜、價(jià)格昂貴、不切實(shí)際等問(wèn)題。智能家居企業(yè)所銷(xiāo)售的并不是產(chǎn)品，而是為特定的某部分人量身定做的一套完整的個(gè)性化服務(wù)，價(jià)格昂貴，是面向富人群體的消費，且系統設計復雜，產(chǎn)品也不夠多元化。這將不利于智能家居的長(cháng)期發(fā)展[4].

因此，在當前客戶(hù)個(gè)性化需求強烈的市場(chǎng)狀況下，開(kāi)發(fā)適合大眾消費、操作方便的智能家居產(chǎn)品具有重要意義。本文基于便攜式RFID與Android智能終端，是一款適用人群較廣、操作方便的智能物品清點(diǎn)的移動(dòng)應用系統，用于實(shí)現家庭式倉儲管理。

1相關(guān)技術(shù)

1.1 RFID技術(shù)

無(wú)線(xiàn)電射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種利用無(wú)線(xiàn)電的自動(dòng)識別技術(shù)。典型的RFID系統通常由電子標簽、讀寫(xiě)器、RFID中間件和應用系統軟件組成[5].電子標簽及讀寫(xiě)器通過(guò)無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)進(jìn)行通信，可讀取標簽中的物品ID信息，實(shí)現非接觸識別，并能同時(shí)識別多個(gè)標簽。電子標簽具有一定的存儲容量，能唯一標識物品，具有使用壽命長(cháng)、可重復使用等優(yōu)點(diǎn)。RFID中間件是讀寫(xiě)器與應用系統軟件的中介，管理著(zhù)讀寫(xiě)器及其讀取的數據，并將數據交付給上層的應用軟件（如數據庫）。帶無(wú)線(xiàn)通信功能（如藍牙、WiFi）的RFID讀寫(xiě)器將無(wú)線(xiàn)通信模塊嵌入讀寫(xiě)器中，上層軟件通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信信號獲取電子標簽信息，使得用戶(hù)可以隨時(shí)隨地獲取RFID標簽信息，解決有線(xiàn)讀寫(xiě)器不可移動(dòng)的限制。

RFID系統按其使用的無(wú)線(xiàn)電頻率可分為低頻RFID系統、高頻RFID系統及超高頻RFID系統。被廣泛應用于門(mén)禁系統、身份識別、產(chǎn)品管理、集裝箱管理、生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化管理等領(lǐng)域。在識別距離方面，讀寫(xiě)器的可識別范圍與其制作工藝有關(guān)，比如天線(xiàn)設計、讀寫(xiě)器功率設計等。一般的，低高頻系統讀寫(xiě)距離較小，在10 cm左右，高頻標準ISO15693在降低傳輸速率、加大天線(xiàn)設計與讀寫(xiě)功率的情況下，識別距離可達1 m；超高頻在較大工作范圍，能做到較快的傳輸速率，工作距離可達3 m~10 m，但是超高頻電波受環(huán)境影響大，不能穿透許多材料，比如水、灰塵等。在實(shí)際應用中，需要考慮價(jià)格、讀寫(xiě)距離、安全特性、存儲信息量等因素，用于確定合適的頻段及方案[6].

1.2藍牙技術(shù)

藍牙是一種低功耗、中短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，為移動(dòng)設備之間提供快速、方便的無(wú)線(xiàn)通信連接，被廣泛應用于手機中，其中藍牙耳機是一個(gè)典型的應用。藍牙通信規范是全球統一的，工作頻段為全球統一開(kāi)放的2.4 GHz頻段，該頻段的使用無(wú)需向各國的無(wú)線(xiàn)電資源管理部門(mén)申請許可證。不同的藍牙設備通信時(shí)，可以建立臨時(shí)性的實(shí)時(shí)對等連接。皮網(wǎng)（Piconet）是藍牙最基本的一種網(wǎng)絡(luò )形式，通常由一個(gè)主設備（即主動(dòng)發(fā)起連接請求的藍牙設備）和幾個(gè)從設備組成，能同時(shí)實(shí)現一對多的通信[7].藍牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：可以方便地建立無(wú)線(xiàn)連接；移植性強，適用面廣；安全性較高；設備功耗低，成本較低；開(kāi)發(fā)設計較簡(jiǎn)單。

1.3安卓系統藍牙編程

藍牙技術(shù)的開(kāi)發(fā)核心是根據藍牙標準所實(shí)現的藍牙協(xié)議棧。該協(xié)議棧包含了眾多協(xié)議，主要有邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）、服務(wù)發(fā)現協(xié)議（SDP）、串口模擬協(xié)議（RFCOMM）等。其中SDP協(xié)議是一個(gè)基于C/S結構的協(xié)議，是藍牙協(xié)議棧中的核心協(xié)議。在藍牙系統中，用戶(hù)依靠SDP獲取建立藍牙連接所需的設備信息、服務(wù)信息及服務(wù)特征[8].

Android SDK從2.0版本開(kāi)始支持藍牙功能，應用程序必須在AndroidManifest.xml文件中加入一定的權限才能使用藍牙服務(wù)：android.permission.BLUETOOTH權限允許用戶(hù)連接藍牙設備，android.permission.BLUETOOTH_ADMIN權限允許用戶(hù)管理藍牙硬件及使用相關(guān)服務(wù)，包括開(kāi)啟或關(guān)閉藍牙硬件、掃描可連接藍牙設備、傳送數據等。相關(guān)的藍牙API在android.bluetooth包中進(jìn)行定義，包含以下幾個(gè)主要類(lèi)：

（1）BluetoothAdapter類(lèi)代表設備上的藍牙硬件；

（2）BluetoothDevice類(lèi)定義遠程藍牙設備；

（3）BluetoothServerSocket類(lèi)用來(lái)打開(kāi)監聽(tīng)到達連接的套接字，并且在連接后提供一個(gè)BluetoothSocket對象；

（4）BluetoothSocket類(lèi)用來(lái)建立同遠程設備的連接，獲取輸入輸出流。

通過(guò)藍牙進(jìn)行數據傳輸的過(guò)程包括：

（1）檢查可用的藍牙硬件。并不是所有Android終端都具有藍牙功能，因此使用前需確定是否有可用的藍牙硬件；

（2）開(kāi)啟藍牙；

（3）查詢(xún)已配對設備；

（4）搜索設備；

（5）建立設備間的連接；

（6）數據交互；

（7）關(guān)閉藍牙硬件。

當兩個(gè)設備連接后，各自擁有一個(gè)BluetoothSocket對象，并獲得用來(lái)讀取信息的InputStream對象和發(fā)送信息的OutputStream對象[9].

1.4 Android平臺數據存儲方式

基于A(yíng)ndroid平臺的數據存儲方式分外部存儲和內部存儲兩類(lèi)。外部存儲方式指：內容提供器和網(wǎng)絡(luò )數據庫，內部存儲方式有：系統配置、文件存儲、SQLite數據庫[10].在實(shí)際應用開(kāi)發(fā)中主要使用內部存儲方式。系統配置方式指通過(guò)Android平臺提供的SharedPreferences類(lèi)，保存應用程序的一些簡(jiǎn)單的配置信息的機制。文件存儲方式使用Java中的IO類(lèi)實(shí)現對內部存儲器或SD卡等外部存儲設備中的文件的讀寫(xiě)與解析，該方式實(shí)現數據插入與修改操作較復雜，每次操作都需讀取整個(gè)文件，效率較低。SQLite是一款超輕量級的嵌入式數據庫，支持SQL語(yǔ)句，能實(shí)現查詢(xún)、插入、刪除、修改等操作，具有小、安全、免費等特點(diǎn)。本文提到的系統所選擇的數據存儲方式便是SQLite數據庫，對數據進(jìn)行操作簡(jiǎn)單而快速。

2系統概述

在日常生活中，當家庭里物品被閑置一段時(shí)間后，會(huì )出現被遺忘的狀況，而得不到再次使用；在外出需要攜帶較多物品時(shí)，常常在清點(diǎn)過(guò)后，依然會(huì )出現遺漏東西的狀況。本系統的功能是幫助人們記錄物品信息，能自動(dòng)識別對物品進(jìn)行清點(diǎn)，并顯示清點(diǎn)結果（該步操作類(lèi)似于倉庫管理中的出庫，對照出庫清單清點(diǎn)出庫物品是否有遺漏）。其系統結構如圖1所示。


圖1 系統結構圖

首先根據物品的不同特性，準備好合適的RFID電子標簽，貼或掛在物品上；使用帶藍牙通信功能的手機和便攜式RFID讀寫(xiě)器。當系統工作時(shí)，由讀寫(xiě)器讀取標簽上的ID信息，通過(guò)藍牙傳給手機應用程序端；在應用程序上填寫(xiě)與標簽ID對應的物品名稱(chēng)，并保存于本地的SQLite數據庫中。登記完標簽信息后，用戶(hù)可根據每次不同需求，選中要清點(diǎn)的物品名稱(chēng)，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器的掃描后，便可完成對一定空間內的物品的清點(diǎn)。

3軟硬件設計及系統評價(jià)

3.1軟件設計

軟件開(kāi)發(fā)所涉及模塊有：物品RFID標簽信息添加、物品信息刪除、物品信息修改、物品選擇、物品RFID標簽清點(diǎn)掃描等。

應用程序的工作流程如圖2所示。


圖2 工作流程圖

應用程序在實(shí)現物品RFID標簽信息添加及物品RFID標簽清點(diǎn)掃描前，應首先打開(kāi)藍牙連接，搜索附近的藍牙設備，然后選擇與便攜RFID讀寫(xiě)器建立連接。在進(jìn)行添加操作時(shí)，應用程序向讀寫(xiě)器發(fā)送單標簽掃描的命令，讀寫(xiě)器返回標簽的ID，用戶(hù)輸入物品名稱(chēng)后，應用程序將其錄入數據庫中并標注為未選中狀態(tài)。

在列出所有物品界面中，用戶(hù)可對需要清點(diǎn)的物品進(jìn)行選中或取消選中。當用戶(hù)選中物品后，物品的狀態(tài)屬性（THING_STATUS）值為“1”，表示該物品將要被清點(diǎn)；否則為“0”，表示該物品已在數據庫中登記，但暫時(shí)不需要清點(diǎn)。

應用程序清點(diǎn)掃描物品時(shí)，向讀寫(xiě)器發(fā)送防沖突識別（多標簽識別）命令，讀寫(xiě)器不斷返回帶標簽ID信息的數據流。應用程序從數據流中提取出標簽ID，并在數據庫中查詢(xún)其狀態(tài)，若為“1”，則在已掃描列表中以系統默認字體顏色（灰色）顯示其物品名稱(chēng)；若為“0”，則以其他非系統默認字體顏色（深灰色）顯示物品名稱(chēng)。掃描個(gè)數是在掃描過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示已被讀寫(xiě)器掃描到的、并進(jìn)行登記過(guò)的標簽個(gè)數。

當識別完一定空間內的物品后，用戶(hù)按下讀寫(xiě)器上的停止識別按鈕，讀寫(xiě)器向應用程序發(fā)送停止識別的響應。應用程序接收后，在未掃描列表中輸出已被選中未被掃描到的物品名稱(chēng)，掃描結果顯示界面如圖3所示。


圖3 掃描結果顯示界面

3.2硬件選擇

現如今，藍牙通信在智能手機中是一種十分常見(jiàn)的功能。本系統開(kāi)發(fā)選用Android 2.3版本系統的觸屏手機，有藍牙硬件模塊，具備藍牙通信功能，且自帶SQLite數據庫，無(wú)需用戶(hù)安裝。RFID讀寫(xiě)器的選擇要考慮讀寫(xiě)距離不能太短，否則識別效率較低，容易掃描不全；價(jià)格應較適合大眾消費；為了便于使用及攜帶，外形應小巧。因此選擇帶藍牙通信功能的超高頻讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)距離20 cm左右，體積小，易于攜帶，如圖4所示。當按下圖中所示的扇形按鈕“R”時(shí)，讀寫(xiě)器開(kāi)始或停止識別標簽。


圖4 藍牙便攜式