基于有源 RFID 的倉庫管理系統(tǒng)

1 引言

　　隨著近年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)外貿(mào)易成倍增加，物流管理成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。倉庫管理是物流管理中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。我國倉庫管理的現(xiàn)狀不容樂觀，大多數(shù)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對(duì)倉庫中貨物和進(jìn)出倉庫的車輛、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(fèi)，而且有較高的出錯(cuò)率。

　　近年來，一些先進(jìn)的現(xiàn)代化管理技術(shù)被引入到國內(nèi)，如建立數(shù)據(jù)庫來保存貨物信息，被動(dòng)式的電子標(biāo)簽也被嘗試應(yīng)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程，需要通過一些手持式設(shè)備，來進(jìn)行貨物和車輛的信息登記。

　　無線射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(Radio FrequencyIdentification，俗稱電子標(biāo)簽)是全球物流領(lǐng)域最新的應(yīng)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(jié)合，可以很好地解決目前倉庫管理中的問題，提高工作效率。本文結(jié)合有源RFID 技術(shù)，通過對(duì)倉庫環(huán)境的實(shí)地考察，設(shè)計(jì)了從硬件到軟件的架構(gòu)系統(tǒng)，利用RFID 和無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。

2 RFID技術(shù)概述

　　RFID 技術(shù)利用無線射頻方式在射頻讀寫器和射頻標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。識(shí)別工作無須人工干預(yù)，反應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。具有快速自動(dòng)掃描、體積小、信息容量大、耐久性強(qiáng)、可重復(fù)使用、安全保密性高、便于攜帶等特點(diǎn)。

　　根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式不同，RFID 可分為兩類：有源RFID和無源RFID。無源RFID 的電子標(biāo)簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)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(biāo)簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因而相應(yīng)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(tǒng)，考慮到有源RFID的上述優(yōu)點(diǎn)，基于此技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 倉庫管理系統(tǒng)

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)出車輛(集裝箱)的相關(guān)信息的記錄；三是倉庫內(nèi)集裝箱的定位。對(duì)于前兩部分的需求，目前絕大多數(shù)的倉庫還是采用人工記錄的方法，造成人力成本和出錯(cuò)率高等問題。本文所提出的基于有源RFID 的倉庫管理系統(tǒng)主要用于滿足第一、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(tǒng)架構(gòu)

　　整個(gè)倉庫管理系統(tǒng)如圖11所示。倉庫內(nèi)的貨物都是由貨車裝載，通過倉庫大門運(yùn)入倉庫內(nèi)的。貨物有時(shí)放置在集裝箱內(nèi)，因此，本系統(tǒng)中的RFID移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即標(biāo)簽，通常安裝在貨車(集裝箱)內(nèi)。由于任何貨物進(jìn)出倉庫都必須經(jīng)過大門，因此RFID固定節(jié)點(diǎn)，即讀卡器，被安裝在倉庫大門上，它與客戶端PC機(jī)通過USB線相連接。同時(shí)，PC客戶端又通過覆蓋整個(gè)倉庫的2．4G無線局域網(wǎng)與作為服務(wù)器端的PC機(jī)相連接，而作為服務(wù)器端的PC 機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的總控制臺(tái)。讀卡器收到的信息通過PC客戶端最終返回給PC控制臺(tái)。

3．3硬件設(shè)計(jì)

　　節(jié)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(jié)點(diǎn)安裝了FreescaleMMA726O加速度傳感器，用來獲取貨車(或集裝箱)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)還利用MCU 內(nèi)部1 6KB大小的Flash儲(chǔ)存貨物信息。同時(shí)，RFID固定節(jié)點(diǎn)安裝了FT232串口轉(zhuǎn)USB芯片，用于和控制臺(tái)通過USB接口通訊。電源方面，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用11 00mA手機(jī)電池供電，固定節(jié)點(diǎn)采用外接電源供電。

　　本系統(tǒng)中RFID讀卡器和標(biāo)簽之間的通訊頻率設(shè)置在433MHz，而是常見的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(duì)傳輸環(huán)境要求較低，由于本系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)可能被安裝在車輛(或集裝箱)內(nèi)，因此對(duì)于傳輸?shù)拇┩感砸筝^高。相比之下，2。4GHz更適合在空曠地點(diǎn)傳輸。另外，本系統(tǒng)對(duì)于傳輸?shù)木嚯x(1 00米左右)和速率的要求都不高，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量后433MHz頻率完全可以勝任。

4 軟件設(shè)計(jì)

4．1軟件體系結(jié)構(gòu)

　　RFID節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。這里引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wSN)中物理層和介質(zhì)訪問控~J(MAC)層的概念，是將WSN技術(shù)與RFID技術(shù)的一種融合。通過構(gòu)建這兩層協(xié)議棧，可以使RFI D系統(tǒng)具有更清晰的軟件體系結(jié)構(gòu)。

在硬件之上，是各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，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(dòng)。其中，CC11 00驅(qū)動(dòng)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(jì)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(diǎn)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(gè)字節(jié)表示；并設(shè)計(jì)了4個(gè)函數(shù)用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收。在驅(qū)動(dòng)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(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的探測(cè)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(duì)應(yīng)的是OSI模型中應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的功能，實(shí)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(duì)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(jì)了一套帶低功耗算法的通信規(guī)約(見4。2節(jié))。基于網(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(shí)現(xiàn)。

4．2 RFID通信規(guī)約

　　如4．1節(jié)所述，RFID讀卡器和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(jì)主要分成兩部分，一部分用于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位時(shí)的數(shù)據(jù)通信，另一部分用于貨物信息查詢和管理時(shí)的數(shù)據(jù)通信。

　　首先，本系統(tǒng)中采用了RSSI算法來對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，RSSI算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)信號(hào)的強(qiáng)弱作為定位的參數(shù)。但是由于信號(hào)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(shí)際測(cè)量的信號(hào)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(hào)強(qiáng)度取平均值，這樣就得到了信號(hào)強(qiáng)度和距離之間單調(diào)遞減的關(guān)系?；谶@點(diǎn)，就可以根據(jù)RSSI算法對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(qǐng)求，此請(qǐng)求中包含代表不同范圍的N個(gè)閾值。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接受到此請(qǐng)求，檢測(cè)當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)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(yīng)答。當(dāng)讀卡器接收到某個(gè)標(biāo)簽的應(yīng)答，則再向該標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)二次確認(rèn)請(qǐng)求，標(biāo)簽回復(fù)此請(qǐng)求。這時(shí)讀卡器才認(rèn)為對(duì)這個(gè)標(biāo)簽定位成功，并通過串口把結(jié)果返回到控制臺(tái)。

　　對(duì)于第二類貨物查詢管理的通信，具體過程如下：PC控制臺(tái)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(gè)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(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(tái)，控制臺(tái)更新數(shù)據(jù)庫。

4．3低功耗算法

　　本系統(tǒng)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成有源RFID，那么低功耗就成為一個(gè)必須要解決的問題。本系統(tǒng)中應(yīng)用了以下幾個(gè)方法實(shí)現(xiàn)低功耗算法。首先，移動(dòng)節(jié)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(jì)，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(jié)點(diǎn)可以利用加速度傳感器檢測(cè)當(dāng)前自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)中，說明貨物很可能正在通過倉庫大門，這時(shí)為了監(jiān)控的正確性，把喚醒時(shí)間縮短到0．5秒：而平時(shí)當(dāng)節(jié)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(jié)點(diǎn)會(huì)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(jì)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(diǎn)收到數(shù)據(jù)包，并逐層解析到它的應(yīng)用層是才會(huì)加密的信息在返回到控制臺(tái)后，才由控制臺(tái)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(duì)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(jì)方案和節(jié)點(diǎn)間的通信規(guī)約的設(shè)計(jì)，并且加入低功耗算法，使得系統(tǒng)能切實(shí)地應(yīng)用于倉庫管理，對(duì)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(shí)際意義，可以很大程度地降低人力成本，提高效率。