基于有源 RFID 的倉庫管理系統

1 引言

　　隨著(zhù)近年來(lái)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對外貿易成倍增加，物流管理成為一個(gè)嚴峻的問(wèn)題。倉庫管理是物流管理中很重要的一個(gè)環(huán)節。我國倉庫管理的現狀不容樂(lè )觀(guān)，大多數倉庫還停留在比較原始的人工管理階段，需要投入大量人力成本來(lái)對倉庫中貨物和進(jìn)出倉庫的車(chē)輛、集裝箱的信息進(jìn)行登記管理，這樣不但造成人力資源的浪費，而且有較高的出錯率。

　　近年來(lái)，一些先進(jìn)的現代化管理技術(shù)被引入到國內，如建立數據庫來(lái)保存貨物信息，被動(dòng)式的電子標簽也被嘗試應用于貨物信息登記之中。但是上述技術(shù)還是需要較多的人工操作，特別是信息的采集過(guò)程，需要通過(guò)一些手持式設備，來(lái)進(jìn)行貨物和車(chē)輛的信息登記。

　　無(wú)線(xiàn)射頻自動(dòng)識別技術(shù)(Radio FrequencyIdentification，俗稱(chēng)電子標簽)是全球物流領(lǐng)域最新的應用技術(shù)，把RFID本身的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與倉庫管理的需求相結合，可以很好地解決目前倉庫管理中的問(wèn)題，提高工作效率。本文結合有源RFID 技術(shù)，通過(guò)對倉庫環(huán)境的實(shí)地考察，設計了從硬件到軟件的架構系統，利用RFID 和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了一套具有實(shí)際使用價(jià)值、高效且低成本的倉庫管理系統。

2 RFID技術(shù)概述

　　RFID 技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式在射頻讀寫(xiě)器和射頻標簽之間進(jìn)行非接觸雙向數據傳輸以達到目標識別和數據交換的目的。識別工作無(wú)須人工干預，反應速度快，抗干擾能力強，可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽。具有快速自動(dòng)掃描、體積小、信息容量大、耐久性強、可重復使用、安全保密性高、便于攜帶等特點(diǎn)。

　　根據實(shí)現的方式不同，RFID 可分為兩類(lèi)：有源RFID和無(wú)源RFID。無(wú)源RFID 的電子標簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉換接收到的閱讀器發(fā)送的電磁波而獲得，所以其閱讀器的發(fā)射功率一般較大。與之相反，有源RFID 的電子標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而相應閱讀器的發(fā)射功率要求不高，而且有效閱讀距離也較前者有所增加。本文提出的倉庫管理系統，考慮到有源RFID的上述優(yōu)點(diǎn)，基于此技術(shù)實(shí)現。

3 倉庫管理系統

3．1倉庫管理概述

　　目前的倉庫管理主要分成三部分：一是進(jìn)出貨物信息的記錄和管理：二是進(jìn)出車(chē)輛(集裝箱)的相關(guān)信息的記錄；三是倉庫內集裝箱的定位。對于前兩部分的需求，目前絕大多數的倉庫還是采用人工記錄的方法，造成人力成本和出錯率高等問(wèn)題。本文所提出的基于有源RFID 的倉庫管理系統主要用于滿(mǎn)足第一、第二部分的需求，可以有效地提高倉庫管理的效率。

3．2系統架構

　　整個(gè)倉庫管理系統如圖11所示。倉庫內的貨物都是由貨車(chē)裝載，通過(guò)倉庫大門(mén)運入倉庫內的。貨物有時(shí)放置在集裝箱內，因此，本系統中的RFID移動(dòng)節點(diǎn)，即標簽，通常安裝在貨車(chē)(集裝箱)內。由于任何貨物進(jìn)出倉庫都必須經(jīng)過(guò)大門(mén)，因此RFID固定節點(diǎn)，即讀卡器，被安裝在倉庫大門(mén)上，它與客戶(hù)端PC機通過(guò)USB線(xiàn)相連接。同時(shí)，PC客戶(hù)端又通過(guò)覆蓋整個(gè)倉庫的2．4G無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與作為服務(wù)器端的PC機相連接，而作為服務(wù)器端的PC 機是整個(gè)系統的總控制臺。讀卡器收到的信息通過(guò)PC客戶(hù)端最終返回給PC控制臺。

3．3硬件設計

　　節點(diǎn)的硬件框圖如圖2。其中控制芯片和射頻芯片分別選用Silicon C8051 F31 0 和ChipconCCI 1 O0。其中RFID 移動(dòng)節點(diǎn)安裝了FreescaleMMA726O加速度傳感器，用來(lái)獲取貨車(chē)(或集裝箱)當前的運動(dòng)狀態(tài)。移動(dòng)節點(diǎn)還利用MCU 內部1 6KB大小的Flash儲存貨物信息。同時(shí)，RFID固定節點(diǎn)安裝了FT232串口轉USB芯片，用于和控制臺通過(guò)USB接口通訊。電源方面，移動(dòng)節點(diǎn)采用11 00mA手機電池供電，固定節點(diǎn)采用外接電源供電。

　　本系統中RFID讀卡器和標簽之間的通訊頻率設置在433MHz，而是常見(jiàn)的2．4GHz。采用433MHz作為射頻芯片通訊頻率，基于以下考慮：433MHz頻率對傳輸環(huán)境要求較低，由于本系統是在倉庫中使用，考慮到倉庫有大量的貨物堆放，和移動(dòng)節點(diǎn)可能被安裝在車(chē)輛(或集裝箱)內，因此對于傳輸的穿透性要求較高。相比之下，2。4GHz更適合在空曠地點(diǎn)傳輸。另外，本系統對于傳輸的距離(1 00米左右)和速率的要求都不高，經(jīng)過(guò)實(shí)際測量后433MHz頻率完全可以勝任。

4 軟件設計

4．1軟件體系結構

　　RFID節點(diǎn)的軟件結構如圖3所示。這里引入無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wSN)中物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控~J(MAC)層的概念，是將WSN技術(shù)與RFID技術(shù)的一種融合。通過(guò)構建這兩層協(xié)議棧，可以使RFI D系統具有更清晰的軟件體系結構。

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。