钢结构构件运输有源电子标签设计

摘要：钢结构仓储是钢结构加工后物流中的关键环节，冶金施工现场钢结构运输大多是依靠汽车运输。电子标签的信息采集和通信的可靠性对于钢结构仓储物流管理至关重要。文章通过设计基于STM32的有源电子标签，用于钢结构仓储物流，通过433MHz射频通信与标签识别器交换信息，提高仓储管理效率。

关键词：钢结构仓储；有源电子标签；RFID；STM32；433MHz

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）02-0085-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

1 课题来源及意义

钢结构生产和安装对于项目进度和顺利投产具有至关重要的作用。目前公司承担的冶金项目中，钢结构制作、安装的体量巨大。通过对多个炼钢、连铸工程项目的钢结构安装总量进行汇总和对比，我们发现，一个炼钢、连铸生产线的钢结构总量在2万吨左右，其构件数量约为3万件。如何确保这数万件构件能够按照项目安装进度相互匹配，是一个亟待解决的问题。RFID物流系统可以运用RFID标签作为钢结构物流系统的一部分，在钢结构构件生产过程中嵌入RFID标签，与物联网紧密结合的物流系统能够显著提升每个环节的效率，使每个环节在高效性、准确性与安全性方面都取得重大进步[1]。

物联网已经被视为一种必然的发展趋势，其中，日本、韩国、美国等发达国家在这一领域处于领先地位，其物联网研究工作走在世界前列[2]。

要实现企业的数字化转型，物流管理转型是首要步骤。在物流仓储数字化建设中，智能化的传感器技术、窄带物联网技术以及当前如火如荼的5G技术都是数字化建设的重要组成部分[3]。

钢结构仓储是现场物流中的关键环节。在钢结构仓储信息化方面，仓储信息的采集和传递是基础且重要的工作。仓储信息的携带和传递由电子标签完成，电子标签对信息的采集和信息传递功能是否有效、可靠，直接关系到整个钢结构物流仓储环节的管理和运营[4]。

2 电子标签的基本原理

有源电子标签的结构中，最主要的部分是微控制器和射频前端，此外还包括一些辅助部分，如天线、存储器和电源模块等。微控制器和射频前端选择不同的芯片，其功能和作用范围也将有所不同。有源电子标签的基本工作过程如下：与电子标签进行通信的是阅读器，阅读器在与有源电子标签连接后，首先会读取标签的信息。在系统正式开始工作后，会首先配置射频前端的状态，让其处于接收状态，以接收电子标签的信息。当感应到电子标签的存在后，再由微控制器决定是否接收数据。在此期间，射频前端需要等待来自微控制器的命令，若收到命令，则接收来自电子标签的信息，并同时给微控制器一个应答，以防止重复发送命令导致系统故障。

3 方案设计

3.1 本设计方案概述

射频识别技术已经是一种相对成熟的非接触式识别技术，是物联网的关键技术之一。它通过电磁耦合的方式对标签进行自动识别，识别过程是非接触的。随着射频识别技术的不断发展和市场的日益扩大，越来越多的制造商正在推出各种功能的识别系统，并逐渐将其扩展到运输行业领域[5]。

基于电子标签的基本读取过程，本设计包含以下几个方面，如图1所示。

3.2 硬件设计

硬件部分是整个基于STM32设计的有源电子标签的基础，也是最重要的部分之一。本文完成了电源电路设计、STM32最小系统电路设计（包含串行电路设计、复位电路设计、LED指示灯电路设计和晶振电路设计） 、按键及蜂鸣器电路设计、通信接口电路设计、下载及调试接口电路设计和天线接口电路设计。

3.2.1 电源电路设计

本设计中的STM32具有多个电源引脚，典型工作电压为3.3V。由于外置的+5V电源无法直接适配芯片，因此通过一个转换器将+5V 直流电压转换为+3.3V，以提供合适的电源电压。当电源稳定供电时，电源LED中的蓝灯会亮起，以起到提示作用。发光二极管LED1用于指示电源状态。其他保护元件，如F1 保险管，用于过流保护；电容C1、C3用于防止自激振荡，抵消电感效应；电容C2、C4用于改善负载的瞬态响应，对高频噪声和振荡有很好的抑制作用，同时防止电压不稳定时对系统造成损害。

3.2.2 STM32最小系统设计

存储方式：STM32单片机开发板支持多种存储方式，本设计中采用串行FLASH芯片作为开发板的存储方式。开发板集成了一个容量为128Mbit（共16M字节） 的串行FLASH，型号为W25Q128FVSIG，挂载在STM32的PA5、PA6、PA7和PA13接口上。电路设计图如图2所示。

复位电路：对于STM32微控制器，当复位引脚处于低电平时，微控制器进入复位状态。按键按下时，微控制器的引脚变为低电平，实现复位功能；不需要复位时，按键处于弹开状态，系统进入正常工作状态。按键按下时可能会产生抖动，导致电压出现不平滑的毛刺信号，此时需要一个滤波电容来过滤电压变化，使其趋于平缓。当开关打开，7端口为高电平，复位结束。

LED指示灯电路：当单片机正常工作时，LED指示灯点亮。电容和电阻起到平稳电压的作用，避免指示灯闪烁导致对系统状态的错误判断。按下复位键时，LED灯的正向端口接地，LED灯熄灭；复位键未被按下时，LED灯的正向端口有电源供电，LED灯点亮。

晶振电路：STM32 微控制器需要两个外部时钟源，分别为高速外部时钟源（HSE）和低速外部时钟源（LSE）。由于外部时钟更加稳定精确，程序一般默认使用外部时钟；若无外部时钟，则采用内部时钟源。本设计中均选取外部时钟源。高速外部时钟源通过产生精确的主时钟来驱动外部设备；低速外部时钟源为片内时钟提供时钟源，要求功耗低且精确度高。选择接入电容以及1K欧姆的电阻，确保晶振能够正常起振并维持时钟稳定。本设计中选用20pF 电容作为HSE的负载电容，10pF电容作为LSE的负载电容。

3.2.3 按键及蜂鸣器电路设计

由于蜂鸣器的工作电流较大，STM32无法直接提供如此大的电流，因此使用三极管进行驱动。电阻R10主要用于防止蜂鸣器误发声。由于三极管的特性，其基极必须串接电阻，否则容易造成电路故障，并可能影响STM32微控制器的IO口。发射极也需要串接电阻，用于在高阻态输入时保护电路，使其可靠截止。在GPIO处同样适用，此处不再赘述。

3.2.4 通信接口电路设计

C1101是本设计选用的通信接口电路的芯片，它可以处理数据包、缓冲数据，快速处置数据传输并且对电磁波方面的激发也可以进行处理，它是一个高集成、多功能、低功耗的射频芯片。通信接口电路如图3 所示。

3.2.5 下载及调试通信接口电路设计

BOOT0和BOOT1是STM32微控制器最基本的引脚，这两个引脚会产生三种电平状态，用以控制微控制器在复位后的程序执行区域和工作模式。通常情况下，BOOT0和BOOT1引脚接地，无须特殊设置。

下载及调试通信接口电路由BOOT电路和SWD 电路组成，是STM32用于数据输入、程序下载及运行的电路设计。

3.2.6 晶振电路与天线接口电路设计

由于调制好的信号不能直接被接收，其中的高次谐波会影响信息内容，而射频电路正是为此而存在，它对信号进行转换并消除毛刺，使信息传输更加准确。而传输好的信息，则需要天线将其转化为电磁波进行传递。因此，本模块非常重要，无线模块的好坏直接关系到数据及通信的稳定性，是整个设计的关键部分。

如图4所示，在CC1101的各项外围元件中，C1是数字部分片内电压调节器的退耦电容，C2、C3是晶体负载电容，C4、C5充当射频平衡转换器，射频平衡转换器的DC模块电容由C8担任，L1、L2、L3也属于射频平衡转换器的一部分。射频LC滤波模块电容（直流） 由C9担任。C6、C7也是匹配电容，用于射频滤波，同功能的还有L4、L5、L6。电阻R是内部偏电流参考电阻，整个电路的晶振采用外接带两个电容负载的晶体振荡器。

经过阻抗匹配后的射频电路再加上天线，CC1101 与天线之间的电路完成，如图5所示，其中也需要平衡转换器的参与。平衡转换器也被称为BALUN电路，C17、L4、C19和L5形成一个平衡转换器，平衡转换器电路的作用是转换端口信号的形式。L5、L7、C21构成一个T型滤波器电路，电容C20、C21、C22起滤波作用。整个电路的晶振采用外接带两个电容负载的26MHz晶体振荡器。

选择天线需要根据电路的要求进行。对于有源电子标签的设计而言，在一个功率不大、距离较远的射频识别系统中，需要信息接收可靠、不易受恶劣环境影响、成本低廉的天线。在此电路中，直接选用50Ω的天线。

4 结束语

物联网技术在钢结构仓储中的应用是冶金施工领域的热点。它将RFID技术与无线传输和信息安全等技术相结合，构成一个钢结构仓储物流的运输、信号识别的信息管理系统，为钢结构施工管理以及钢结构仓储中的存储、运输等数据的更新与变化提供更高效的管理[6]。本文研究的有源电子标签相对于无源电子标签具有更明显的优势。有源电子标签的传输距离更远，能更多地应用于钢结构构件运输；读取速度更快，能提高钢结构施工中的工作效率；并且更能适应恶劣环境，促进其他施工专业大体量设备的应用[7]。

参考文献：

[1] 林君暖.基于物联网环境的智能物流系统设计研究[J].企业科技与发展，2016（2）：38-40.

[2] 董红星，李梦.铁路货运仓储物流发展现状及发展方向研究[J].中国管理信息化，2016，19（12）：117.

[3] 陈海明，崔莉.面向服务的物联网软件体系结构设计与模型检测[J].计算机学报，2016，39（5）：853-871.

[4] 潘晶鹏，钟敏，赵光.基于有源RFID技术的北京大兴机场资产设备点检系统[J].自动化应用，2019（1）：74-75.

[5] 陈黎明，王蓉，李恒.仓库管理的信息化技术应用趋势[J].海峡科技与产业，2018，31（6）：110-112.

[6] 张成海.完善机制 共享数据 统一追溯编码标准：追溯的历史、现状、趋势与对策[J].中国自动识别技术，2018（1）：31-39.

[7] 王瑞卿，洪良，王晓华.基于RFID和ZigBee技术的服装吊挂系统生产线设计[J].纺织高校基础科学学报，2017，30（4）：490-495，502.

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