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基于有源 RFID 的倉庫管理系統(tǒng)
作者：高儒灝
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2010-03-01 10:53:54
摘要：本文提出了基于有源RFID的倉庫管理系統(tǒng)，不僅給出了硬件設計方案和節(jié)點間的通信規(guī)約的設計，并且加入低功耗算法，使得系統(tǒng)能切實地應用于倉庫管理，對于提高倉庫的車輛和集裝箱進出管理，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。
1 引言
隨著近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對外貿(mào)易成倍增加，物流管理成為一個嚴峻的問題。倉庫管理是物流管理中很重要的一個環(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倉庫中貨物和進出倉庫的車輛、集裝箱的信息進行登記管理，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，一些先進的現(xiàn)代化管理技術被引入到國內(nèi)，如建立數(shù)據(jù)庫來保存貨物信息，被動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備，來進行貨物和車輛的信息登記。
無線射頻自動識別技術(Radio FrequencyIdentification，俗稱電子標簽)是全球物流領域最新的應用技術，把RFID本身的技術優(yōu)點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，通過對倉庫環(huán)境的實地考察，設計了從硬件到軟件的架構(gòu)系統(tǒng)，利用RFID 和無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)了一套具有實際使用價值、高效且低成本的倉庫管理系統(tǒng)。
2 RFID技術概述
RFID 技術利用無線射頻方式在射頻讀寫器和射頻標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。識別工作無須人工干預，反應速度快，抗干擾能力強，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。具有快速自動掃描、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。
根據(jù)實現(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(tǒng)，考慮到有源RFID的上述優(yōu)點，基于此技術實現(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：一是進出貨物信息的記錄和管理：二是進出車輛(集裝箱)的相關信息的記錄；三是倉庫內(nèi)集裝箱的定位。對于前兩部分的需求，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，通過倉庫大門運入倉庫內(nèi)的。貨物有時放置在集裝箱內(nèi)，因此，本系統(tǒng)中的RFID移動節(jié)點，即標簽，通常安裝在貨車(集裝箱)內(nèi)。由于任何貨物進出倉庫都必須經(jīng)過大門，因此RFID固定節(jié)點，即讀卡器，被安裝在倉庫大門上，它與客戶端PC機通過USB線相連接。同時，PC客戶端又通過覆蓋整個倉庫的2．4G無線局域網(wǎng)與作為服務器端的PC機相連接，而作為服務器端的PC 機是整個系統(tǒng)的總控制臺。讀卡器收到的信息通過PC客戶端最終返回給PC控制臺。
節(jié)點的硬件框圖如圖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 移動節(jié)點安裝了FreescaleMMA726O加速度傳感器，用來獲取貨車(或集裝箱)當前的運動狀態(tài)。移動節(jié)點還利用MCU 內(nèi)部1 6KB大小的Flash儲存貨物信息。同時，RFID固定節(jié)點安裝了FT232串口轉(zhuǎn)USB芯片，用于和控制臺通過USB接口通訊。電源方面，移動節(jié)點采用11 00mA手機電池供電，固定節(jié)點采用外接電源供電。
本系統(tǒng)中RFID讀卡器和標簽之間的通訊頻率設置在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，和移動節(jié)點可能被安裝在車輛(或集裝箱)內(nèi)，因此對于傳輸?shù)拇┩感砸筝^高。相比之下，2。4GHz更適合在空曠地點傳輸。另外，本系統(tǒng)對于傳輸?shù)木嚯x(1 00米左右)和速率的要求都不高，經(jīng)過實際測量后433MHz頻率完全可以勝任。
4．1軟件體系結(jié)構(gòu)
RFID節(jié)點的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。這里引入無線傳感器網(wǎng)絡(wSN)中物理層和介質(zhì)訪問控~J(MAC)層的概念，是將WSN技術與RFID技術的一種融合。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)。
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)絡地址由一個字節(jié)表示；并設計了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)對應的是OSI模型中應用層和網(wǎng)絡層的功能，實現(xiàn)了門禁管理、貨物管理等功能。這一層分為上下兩層，下層對應網(wǎng)絡層的職能，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(guī)約(見4。2節(jié))?；诰W(wǎng)絡層的通信規(guī)約，門禁和貨物管理這兩大功能才能在應用層進行實現(xiàn)。
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。通信規(guī)約的設計主要分成兩部分，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)點進行定位，RSSI算法根據(jù)節(jié)點之間通信時信號的強弱作為定位的參數(shù)。但是由于信號強度與距離并非完全表現(xiàn)為單調(diào)關系，所以根據(jù)實際測量的信號強度數(shù)據(jù)，把定位精度降低，以5米為單位，把每5米內(nèi)的信號強度取平均值，這樣就得到了信號強度和距離之間單調(diào)遞減的關系。基于這點，就可以根據(jù)RSSI算法對移動節(jié)點進行定位。
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。當移動節(jié)點接受到此請求，檢測當前信號強度值，把它與這N個閥值分別進行比較，確定自己目前所處的位置，并進行應答。當讀卡器接收到某個標簽的應答，則再向該標簽發(fā)送一個二次確認請求，標簽回復此請求。這時讀卡器才認為對這個標簽定位成功，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中進行相應的操作，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前自己的運動狀態(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，進一步降低功耗。其三，在進行定位時，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，則不再和讀卡器進行下一步通信，直接進入睡眠狀態(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，從而導致倉庫信息的泄露或被惡意更改。因此，在系統(tǒng)應用層協(xié)議棧的設計中，加入數(shù)據(jù)加密。這樣保證了應用層以下處理的數(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。當接受節(jié)點收到數(shù)據(jù)包，并逐層解析到它的應用層是才會加密的信息在返回到控制臺后，才由控制臺進行解密，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)，不僅給出了硬件設計方案和節(jié)點間的通信規(guī)約的設計，并且加入低功耗算法，使得系統(tǒng)能切實地應用于倉庫管理，對于提高倉庫的車輛和集裝箱進出管理，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。
隨著近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對外貿(mào)易成倍增加，物流管理成為一個嚴峻的問題。倉庫管理是物流管理中很重要的一個環(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倉庫中貨物和進出倉庫的車輛、集裝箱的信息進行登記管理，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，一些先進的現(xiàn)代化管理技術被引入到國內(nèi)，如建立數(shù)據(jù)庫來保存貨物信息，被動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備，來進行貨物和車輛的信息登記。
無線射頻自動識別技術(Radio FrequencyIdentification，俗稱電子標簽)是全球物流領域最新的應用技術，把RFID本身的技術優(yōu)點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，通過對倉庫環(huán)境的實地考察，設計了從硬件到軟件的架構(gòu)系統(tǒng)，利用RFID 和無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)了一套具有實際使用價值、高效且低成本的倉庫管理系統(tǒng)。
2 RFID技術概述
RFID 技術利用無線射頻方式在射頻讀寫器和射頻標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。識別工作無須人工干預，反應速度快，抗干擾能力強，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。具有快速自動掃描、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。
根據(jù)實現(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(tǒng)，考慮到有源RFID的上述優(yōu)點，基于此技術實現(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：一是進出貨物信息的記錄和管理：二是進出車輛(集裝箱)的相關信息的記錄；三是倉庫內(nèi)集裝箱的定位。對于前兩部分的需求，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，通過倉庫大門運入倉庫內(nèi)的。貨物有時放置在集裝箱內(nèi)，因此，本系統(tǒng)中的RFID移動節(jié)點，即標簽，通常安裝在貨車(集裝箱)內(nèi)。由于任何貨物進出倉庫都必須經(jīng)過大門，因此RFID固定節(jié)點，即讀卡器，被安裝在倉庫大門上，它與客戶端PC機通過USB線相連接。同時，PC客戶端又通過覆蓋整個倉庫的2．4G無線局域網(wǎng)與作為服務器端的PC機相連接，而作為服務器端的PC 機是整個系統(tǒng)的總控制臺。讀卡器收到的信息通過PC客戶端最終返回給PC控制臺。
節(jié)點的硬件框圖如圖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 移動節(jié)點安裝了FreescaleMMA726O加速度傳感器，用來獲取貨車(或集裝箱)當前的運動狀態(tài)。移動節(jié)點還利用MCU 內(nèi)部1 6KB大小的Flash儲存貨物信息。同時，RFID固定節(jié)點安裝了FT232串口轉(zhuǎn)USB芯片，用于和控制臺通過USB接口通訊。電源方面，移動節(jié)點采用11 00mA手機電池供電，固定節(jié)點采用外接電源供電。
本系統(tǒng)中RFID讀卡器和標簽之間的通訊頻率設置在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，和移動節(jié)點可能被安裝在車輛(或集裝箱)內(nèi)，因此對于傳輸?shù)拇┩感砸筝^高。相比之下，2。4GHz更適合在空曠地點傳輸。另外，本系統(tǒng)對于傳輸?shù)木嚯x(1 00米左右)和速率的要求都不高，經(jīng)過實際測量后433MHz頻率完全可以勝任。
4．1軟件體系結(jié)構(gòu)
RFID節(jié)點的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。這里引入無線傳感器網(wǎng)絡(wSN)中物理層和介質(zhì)訪問控~J(MAC)層的概念，是將WSN技術與RFID技術的一種融合。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)。
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)絡地址由一個字節(jié)表示；并設計了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)對應的是OSI模型中應用層和網(wǎng)絡層的功能，實現(xiàn)了門禁管理、貨物管理等功能。這一層分為上下兩層，下層對應網(wǎng)絡層的職能，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(guī)約(見4。2節(jié))?；诰W(wǎng)絡層的通信規(guī)約，門禁和貨物管理這兩大功能才能在應用層進行實現(xiàn)。
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。通信規(guī)約的設計主要分成兩部分，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)點進行定位，RSSI算法根據(jù)節(jié)點之間通信時信號的強弱作為定位的參數(shù)。但是由于信號強度與距離并非完全表現(xiàn)為單調(diào)關系，所以根據(jù)實際測量的信號強度數(shù)據(jù)，把定位精度降低，以5米為單位，把每5米內(nèi)的信號強度取平均值，這樣就得到了信號強度和距離之間單調(diào)遞減的關系。基于這點，就可以根據(jù)RSSI算法對移動節(jié)點進行定位。
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。當移動節(jié)點接受到此請求，檢測當前信號強度值，把它與這N個閥值分別進行比較，確定自己目前所處的位置，并進行應答。當讀卡器接收到某個標簽的應答，則再向該標簽發(fā)送一個二次確認請求，標簽回復此請求。這時讀卡器才認為對這個標簽定位成功，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中進行相應的操作，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前自己的運動狀態(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，進一步降低功耗。其三，在進行定位時，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，則不再和讀卡器進行下一步通信，直接進入睡眠狀態(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，從而導致倉庫信息的泄露或被惡意更改。因此，在系統(tǒng)應用層協(xié)議棧的設計中，加入數(shù)據(jù)加密。這樣保證了應用層以下處理的數(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。當接受節(jié)點收到數(shù)據(jù)包，并逐層解析到它的應用層是才會加密的信息在返回到控制臺后，才由控制臺進行解密，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)，不僅給出了硬件設計方案和節(jié)點間的通信規(guī)約的設計，并且加入低功耗算法，使得系統(tǒng)能切實地應用于倉庫管理，對于提高倉庫的車輛和集裝箱進出管理，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。
