采用無線射頻自動識別技術(shù)的倉庫管理系統(tǒng)設(shè)計方案

在硬件之上，是各個硬件模塊的驅(qū)動，包括SPI、串口、片內(nèi)Flash、加速度傳感器和射頻芯片CC11 OO驅(qū)動。其中，CC11 00驅(qū)動又是物理層的一部分，提供了射頻芯片的頻率等參數(shù)設(shè)定和無線收發(fā)功能。物理層之上是本系統(tǒng)設(shè)計的MAC 層協(xié)議棧。

　　MAC層協(xié)議棧包括，RFID數(shù)據(jù)包格式的定義、節(jié)點地址的分配和數(shù)據(jù)包的發(fā)送接受。其中共定義了1 2種類型的RFID數(shù)據(jù)包，4種用于門禁管理，8種用于貨物管理；RFID的網(wǎng)絡(luò)地址由一個字節(jié)表示；并設(shè)計了4個函數(shù)用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收。在驅(qū)動和物理層之上，除MAC層之外，還定義了一部分系統(tǒng)調(diào)用來提供MCU和射頻芯片的狀態(tài)切換，移動節(jié)點運(yùn)動狀態(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(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　有了底層軟件結(jié)構(gòu)的支持，在最上層的軟件體系結(jié)構(gòu)對應(yīng)的是OSI模型中應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的功能，實現(xiàn)了門禁管理、貨物管理等功能。這一層分為上下兩層，下層對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層的職能，為RFID 讀卡器和標(biāo)簽之間的通信設(shè)計了一套帶低功耗算法的通信規(guī)約(見4。2節(jié))?；诰W(wǎng)絡(luò)層的通信規(guī)約，門禁和貨物管理這兩大功能才能在應(yīng)用層進(jìn)行實現(xiàn)。

4．2 RFID通信規(guī)約

　　如4．1節(jié)所述，RFID讀卡器和移動節(jié)點之間的通信規(guī)約構(gòu)成倉庫管理系統(tǒng)兩大主要功能的軟件基礎(chǔ)。通信規(guī)約的設(shè)計主要分成兩部分，一部分用于移動節(jié)點的定位時的數(shù)據(jù)通信，另一部分用于貨物信息查詢和管理時的數(shù)據(jù)通信。

　　首先，本系統(tǒng)中采用了RSSI算法來對移動節(jié)點進(jìn)行定位，RSSI算法根據(jù)節(jié)點之間通信時信號的強(qiáng)弱作為定位的參數(shù)。但是由于信號強(qiáng)度與距離并非完全表現(xiàn)為單調(diào)關(guān)系，所以根據(jù)實際測量的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，把定位精度降低，以5米為單位，把每5米內(nèi)的信號強(qiáng)度取平均值，這樣就得到了信號強(qiáng)度和距離之間單調(diào)遞減的關(guān)系?；谶@點，就可以根據(jù)RSSI算法對移動節(jié)點進(jìn)行定位。

　　具體定位過程如下：采用類似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請求，此請求中包含代表不同范圍的N個閾值。當(dāng)移動節(jié)點接受到此請求，檢測當(dāng)前信號強(qiáng)度值，把它與這N個閥值分別進(jìn)行比較，確定自己目前所處的位置，并進(jìn)行應(yīng)答。當(dāng)讀卡器接收到某個標(biāo)簽的應(yīng)答，則再向該標(biāo)簽發(fā)送一個二次確認(rèn)請求，標(biāo)簽回復(fù)此請求。這時讀卡器才認(rèn)為對這個標(biāo)簽定位成功，并通過串口把結(jié)果返回到控制臺。

　　對于第二類貨物查詢管理的通信，具體過程如下：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、修改、增加和刪除某輛貨車(或某個集裝箱)中的貨物信息。當(dāng)讀卡器接收到指令后，把指令轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點，移動節(jié)點根據(jù)指令的內(nèi)容，在內(nèi)部Flash中進(jìn)行相應(yīng)的操作，如查詢和修改，并把結(jié)果返回給讀卡器。讀卡器收到結(jié)果后返回給控制臺，控制臺更新數(shù)據(jù)庫。

4．3低功耗算法

　　本系統(tǒng)中，移動節(jié)點設(shè)計成有源RFID，那么低功耗就成為一個必須要解決的問題。本系統(tǒng)中應(yīng)用了以下幾個方法實現(xiàn)低功耗算法。首先，移動節(jié)點不工作時出于睡眠狀態(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，因此實際使用的功耗約為喚醒狀態(tài)的1／1 000。其次，移動節(jié)點可以利用加速度傳感器檢測當(dāng)前自己的運(yùn)動狀態(tài)，如果節(jié)點在移動中，說明貨物很可能正在通過倉庫大門，這時為了監(jiān)控的正確性，把喚醒時間縮短到0．5秒：而平時當(dāng)節(jié)點靜止時，可以增加喚醒的時間間隔。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，移動節(jié)點會記錄自己上次所處的位置，如果在新的一次查詢中，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(shù)據(jù)加密

　　此外，由于RFID通過射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過程的數(shù)據(jù)存在被截獲的可能，從而導(dǎo)致倉庫信息的泄露或被惡意更改。因此，在系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議棧的設(shè)計中，加入數(shù)據(jù)加密。這樣保證了應(yīng)用層以下處理的數(shù)據(jù)都是加密后的數(shù)據(jù)，也就是說傳輸過程的數(shù)據(jù)包都是經(jīng)過加密的。當(dāng)接受節(jié)點收到數(shù)據(jù)包，并逐層解析到它的應(yīng)用層是才會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(shù)據(jù)的安全性，使此系統(tǒng)適用于對安全性要求較高的軍用倉庫中。

5 總結(jié)

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