基于RFID的智能控制柜设计

基于RFID的智能控制柜设计
作者：王佳伟
来源：《科技创新与生产力》 2015年第2期
（山西省工业管理学校，山西太原 030012）
摘要：文中介绍了基于RFID的智能控制柜系统的工作原理及软硬件实现方法，该系统采
用RFID自动识别技术，配合电子锁，使用人员必须有身份认证才能够取药，取药后自动盘点药品的数量，与服务器连接实时进行数据通信，记录取药日志，实现了药品使用的安全性、可控性、可追溯性，药品管理更加规范，提高了工作效率，系统性能稳定可靠，在实际使用中取得
了良好效果。

关键词：STM32F103ZE单片机；RFID；W5100；TFT触摸屏
中图分类号：TP393 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2015.02.109
射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。

无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。

某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不
需要电池。

许多行业都运用了射频技术。

将标签附着在正在生产中的汽车，工厂可以追踪此车
的生产进度，高速公路上的ETC也是RFID的一种应用，在仓库中可以追踪物品。

本文所研究的是将RFID用在文件柜、药品柜、物品柜中，可以对柜中的物品进行清点，不需要人为干预，这样节约了人力成本，同时也提高了工作效率。

1 系统工作原理
该设计是将RFID应用在药柜管理系统中，每种药品上有一个无源电子标签，系统通过
RFID识别这些标签来清点药品的数量，还可以统计什么药品被取走，取走的时间及工作人员；
为了保证清点药品时没有死角，设计中采用了四通道RFID设备，RFID设备有4个天线接口，
系统通过切换各个天线来读取不同区域的标签，能够保证每个标签都可以被读到；智能柜中安
装了电子锁，取药品的工作人员必须刷卡才能够打开柜门，控制系统中还增加了RTC日志功能，能够记录哪一个工作人员什么时候打开了柜门取走了什么药品；为了与数据终端交互信息，智
能柜中还集成WIFI功能，将药品数据信息及开门取药信息发送给后台数据终端能够规范取药操作流程，跟踪药品的使用情况；为了便于工作人员操作，智能柜的控制面板上安装了7寸的
TFT串口触摸屏，设计界面友好便于操作，控制面板上还安装了系统运行指示灯，可以很直观
地了解系统的运行状态。

2 硬件部分组成
设计的硬件部分主要有RFID数据采集器、天线、主控制器、LCD液晶显示屏、WIFI通信模块[1]，以下是硬件部分组成图及各个模块的介绍（见第110页图1）。

2.1 主控制芯片
主控制芯片是系统的核心，该方案中采用的芯片是STM32F103ZE，时钟频率为72 MHz，数
据处理速度快，工作电压3.3 V，144管脚，集成ADC和DAC数据采集通道，3路SPI，2路IIC，可以扩展多达5个USART，工作温度范围-40~+105 ℃，系统资源完全可以满足需要[2]。

2.2 RFID数据采集器
RFID的性能决定了智能柜的工作效率，本设计中RFID数据采集器采用ImpinJ R2000芯片，该芯片性能优越，输出功率可调，采取跳频的模式扫描频段宽，接收灵敏度高（-110 dBm），
内部采用了先进的防碰撞算法，多标签盘点能力强，支持EPC Gen2/18000-6C协议；天线采用
3 dB增益的陶瓷天线，共有4个天线，采用4通道分时切换的方法，有效覆盖到整个柜子，不
会有标签漏读；RFID
的性能是电压：3.3 V；电流：最小30 mA，最大800 mA；频率范围: 840~960 MHz，支持
欧洲、中国、美国频段；输出功率：最大300 mW（可调）；灵敏度: -110 dBm；跳频步长：最
小125 kHz，采用500 kHz步长；支持协议：EPC GEN2、18000-6C；天线增益：3dBm；识别距离：2 m；识别速率：100张标签/s。

RFID与CPU通过RS232通信，CPU通过发送命令来控制RFID的工作，可以设置RFID开启、关闭、低功耗模式。

2.3 LCD液晶屏
LCD液晶屏选用的是17.78 cm的TFT真彩色串口触摸屏， LED背光、工作温度-20~+70 ℃；采用工业级的MCU控制器（Contex-M3），3级流水线和哈弗结构，主频120 MHz，内置512 kB
的告诉Flash存储器和96 kB 的告诉RAM存储器，可以实现海量存储；支持四线电阻触摸屏；
支持控件、图片预制功能。

与CPU采用串口通信方式，数据更新快，显示控制灵活。

2.4 WIFI模块
WIFI采用W5100模块。

支持全硬件TCP/IP协议：TCP，UDP，ICMP，IPv4 ARP，IGMP，PPPoE,
Ethernet；内嵌10BaseT/100BaseTX的以太网物理层；支持自动应答（全双工/半双工模式）；支持自动MDI/MDIX；支持ADSL连接；支持4个独立端口；内部16 kB字节存储器做
TX/RX缓存；使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程，提供3种通
信接口，直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。

W5100与STM32F103ZE之间采用SPI通信
模式。

2.5 其他
系统中的RTC实时时钟用来提供系统日志时
间[1]，外部看门狗电路在系统出现异常情况时复位系统，同时还可以监测系统电源电压[4]，存储器采用贴点存储器用来存储系统信息，预留按键供用户开门使用，电子锁用来关闭柜门，系统指示灯标示智能柜运行状态。

输入电压是220~240 V，电源管理单元将220 V电压通过ACDC降至24 V和5 V两路输出，24 V给电子锁供电，5 V经过LM1117-3.3LDO芯片降低3.3 V供单片机及外围电路工作，TFT串口的工作电压时5 V[3-4]。

3 系统工作流程
3.1 进行身份注册
首先进行身份注册，只有注册过身份的卡才能够打开智能柜，注册过程如下：进入串口触摸屏上的设置界面，点击身份注册按钮之后会弹出身份注册对话框，这时候在刷卡区域刷身份识别卡，身份卡信息会出现在对话框中，点击确认按钮，如果已经添加过身份识别卡了，会弹出已经添加按钮，否则弹出秘钥输入对话框，用户需要输入秘钥，如果秘钥正确弹出设置成功对话框，否则弹出秘钥错误对话框，需要再次输入秘钥，如果需要取消操作，则按返回按钮退出界面，见图2。

3.2 系统工作过程
智能柜关闭之后，指示灯显示红色，打开显示绿色；按下“打开”按钮，在刷卡区域刷身份卡，系统识别到卡之后对身份卡进行判断，如果已经注册过，则打开电子锁将身份识别信息及时间信息通过WIFI上报数据终端；否则系统指示灯闪烁3次；打开电子锁之后，计数器开始工作，如果在规定时间之内取走药品，并关上门，指示灯变为红色开始清点标签，清点完成之后将标签数据信息上传至终端服务器；如果在规定的时间内柜门没有关闭，则系统指示灯开始闪烁，蜂鸣器开始报警，将柜门未关闭识别卡信息及时间上传至终端服务器，见图3。

4 结束语
本文所设计的智能控制柜能够很好地解决物品管理、存储中遇到的问题，提高实际工作效率。

特别是用在管制型药品方面，能够有效保证取药和用药安全，对取药人进行身份识别，记录取消信息，追踪药品使用过程，很适合医院药品存储和管理。

参考文献：
[1] 杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版
社,2003.
[2] 李宁.基于MDK的STM32处理器开发利用[M].北京:北
京航空航天大学出版社,2008.
[3] 王永虹,徐炜,郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微
处理器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,
2008.
[4] 刘同法,肖志刚,彭继卫. ARM Cortex-M3内核微处理器
快带入门与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,
2009.
（责任编辑高腾）。