采用有源RFID的倉庫管理系統設計方案

在硬件之上，是各個(gè)硬件模塊的驅動(dòng)，包括SPI、串口、片內Flash、加速度傳感器和射頻芯片CC11 OO驅動(dòng)。其中，CC11 00驅動(dòng)又是物理層的一部分，提供了射頻芯片的頻率等參數設定和無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能。物理層之上是本系統設計的MAC 層協(xié)議棧。

　　MAC層協(xié)議棧包括，RFID數據包格式的定義、節點(diǎn)地址的分配和數據包的發(fā)送接受。其中共定義了1 2種類(lèi)型的RFID數據包，4種用于門(mén)禁管理，8種用于貨物管理；RFID的網(wǎng)絡(luò )地址由一個(gè)字節表示；并設計了4個(gè)函數用于數據包的發(fā)送與接收。在驅動(dòng)和物理層之上，除MAC層之外，還定義了一部分系統調用來(lái)提供MCU和射頻芯片的狀態(tài)切換，移動(dòng)節點(diǎn)運動(dòng)狀態(tài)的探測和貨物管理中貨物信息在Flash上的記錄等功能。以上介紹的各協(xié)議層詳細結構如圖4所示。

　　有了底層軟件結構的支持，在最上層的軟件體系結構對應的是OSI模型中應用層和網(wǎng)絡(luò )層的功能，實(shí)現了門(mén)禁管理、貨物管理等功能。這一層分為上下兩層，下層對應網(wǎng)絡(luò )層的職能，為RFID 讀卡器和標簽之間的通信設計了一套帶低功耗算法的通信規約(見(jiàn)4。2節)?；诰W(wǎng)絡(luò )層的通信規約，門(mén)禁和貨物管理這兩大功能才能在應用層進(jìn)行實(shí)現。

4．2 RFID通信規約

　　如4．1節所述，RFID讀卡器和移動(dòng)節點(diǎn)之間的通信規約構成倉庫管理系統兩大主要功能的軟件基礎。通信規約的設計主要分成兩部分，一部分用于移動(dòng)節點(diǎn)的定位時(shí)的數據通信，另一部分用于貨物信息查詢(xún)和管理時(shí)的數據通信。

　　首先，本系統中采用了RSSI算法來(lái)對移動(dòng)節點(diǎn)進(jìn)行定位，RSSI算法根據節點(diǎn)之間通信時(shí)信號的強弱作為定位的參數。但是由于信號強度與距離并非完全表現為單調關(guān)系，所以根據實(shí)際測量的信號強度數據，把定位精度降低，以5米為單位，把每5米內的信號強度取平均值，這樣就得到了信號強度和距離之間單調遞減的關(guān)系?；谶@點(diǎn)，就可以根據RSSI算法對移動(dòng)節點(diǎn)進(jìn)行定位。

　　具體定位過(guò)程如下：采用類(lèi)似TCP／IP協(xié)議中二次握手協(xié)議，確保通信的魯棒性。讀卡器廣播位置查詢(xún)請求，此請求中包含代表不同范圍的N個(gè)閾值。當移動(dòng)節點(diǎn)接受到此請求，檢測當前信號強度值，把它與這N個(gè)閥值分別進(jìn)行比較，確定自己目前所處的位置，并進(jìn)行應答。當讀卡器接收到某個(gè)標簽的應答，則再向該標簽發(fā)送一個(gè)二次確認請求，標簽回復此請求。這時(shí)讀卡器才認為對這個(gè)標簽定位成功，并通過(guò)串口把結果返回到控制臺。

　　對于第二類(lèi)貨物查詢(xún)管理的通信，具體過(guò)程如下：PC控制臺向讀卡器發(fā)送貨物管理命令。貨物管理命令包括查詢(xún)、修改、增加和刪除某輛貨車(chē)(或某個(gè)集裝箱)中的貨物信息。當讀卡器接收到指令后，把指令轉發(fā)給移動(dòng)節點(diǎn)，移動(dòng)節點(diǎn)根據指令的內容，在內部Flash中進(jìn)行相應的操作，如查詢(xún)和修改，并把結果返回給讀卡器。讀卡器收到結果后返回給控制臺，控制臺更新數據庫。

4．3低功耗算法

　　本系統中，移動(dòng)節點(diǎn)設計成有源RFID，那么低功耗就成為一個(gè)必須要解決的問(wèn)題。本系統中應用了以下幾個(gè)方法實(shí)現低功耗算法。首先，移動(dòng)節點(diǎn)不工作時(shí)出于睡眠狀態(tài)，平均3秒鐘喚醒一次，每次喚醒4ms左右。由于睡眠狀態(tài)下功耗可以忽略不計，因此實(shí)際使用的功耗約為喚醒狀態(tài)的1／1 000。其次，移動(dòng)節點(diǎn)可以利用加速度傳感器檢測當前自己的運動(dòng)狀態(tài)，如果節點(diǎn)在移動(dòng)中，說(shuō)明貨物很可能正在通過(guò)倉庫大門(mén)，這時(shí)為了監控的正確性，把喚醒時(shí)間縮短到0．5秒：而平時(shí)當節點(diǎn)靜止時(shí)，可以增加喚醒的時(shí)間間隔。這一方法可以使電量得到更好的分配，進(jìn)一步降低功耗。其三，在進(jìn)行定位時(shí)，移動(dòng)節點(diǎn)會(huì )記錄自己上次所處的位置，如果在新的一次查詢(xún)中，自己位置并未發(fā)生變化，則不再和讀卡器進(jìn)行下一步通信，直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

4．4數據加密

　　此外，由于RFID通過(guò)射頻芯片進(jìn)行數據的傳輸，傳輸過(guò)程的數據存在被截獲的可能，從而導致倉庫信息的泄露或被惡意更改。因此，在系統應用層協(xié)議棧的設計中，加入數據加密。這樣保證了應用層以下處理的數據都是加密后的數據，也就是說(shuō)傳輸過(guò)程的數據包都是經(jīng)過(guò)加密的。當接受節點(diǎn)收到數據包，并逐層解析到它的應用層是才會(huì )加密的信息在返回到控制臺后，才由控制臺進(jìn)行解密，這樣可以保證倉庫數據的安全性，使此系統適用于對安全性要求較高的軍用倉庫中。

5 總結

　　本文提出了基于有源RFID的倉庫管理系統，不僅給出了硬件設計方案和節點(diǎn)間的通信規約的設計，并且加入低功耗算法，使得系統能切實(shí)地應用于倉庫管理，對于提高倉庫的車(chē)輛和集裝箱進(jìn)出管理，以及記錄貨物信息有重要的實(shí)際意義，可以很大程度地降低人力成本，提高效率。