采用有源RFID的仓库管理系统设计方案

1 引言

我国仓库管理的现状并不乐观。大多数仓库仍处于相对原始的人工管理阶段，需要投入大量的人工成本来登记和管理仓库内的货物、车辆和集装箱，不仅造成人力资源的浪费，而且错误率高。 仓库管理是物流管理中非常重要的环节。

近年来，我国引进了一些先进的现代管理技术，如建立数据库来保存货物信息，被动电子标签也试图应用于货物信息登记。但上述技术仍需要更多的人工操作，特别是信息收集过程，需要通过一些手持设备注册货物和车辆的信息。

无线射频自动识别技术(Radio FrequencyIdentification，俗称电子标签)是全球物流领域最新的应用技术RFID结合仓库管理的技术优势和需求，可以很好地解决当前仓库管理中的问题，提高工作效率。本文结合有源性RFID 通过对仓库环境的实地考察，设计了从硬件到软件的架构系统RFID 无线网络实现了一套实用价值、高效、低成本的仓库管理系统。

2 RFID技术概述

RFID 该技术利用无线射频在射频读写器和射频标签之间传输非接触双向数据，以实现目标识别和数据交换。识别工作不需要人工干预，反应速度快，抗干扰能力强，能同时识别高速运动物体和多个标签。具有自动扫描快、体积小、信息容量大、耐久性强、可重复使用、安全性高、携带方便等特点。

根据实现方式的不同，RFID 可分为两类：有源RFID和无源RFID。无源RFID 电子标签上没有电池，所需的所有电源都是通过转换接收到的读者发送的电磁波获得的，因此读者的发射功率一般较大。相反，有源RFID 电子标签本身有电池，可以为所有设备提供工作电源，因此相应的阅读器发射功率要求不高，有效的阅读距离也比前者增加。考虑到有源性，本文提出的仓库管理系统RFID基于此技术实现上述优势。

3 仓库管理系统 

3.仓库管理概述 

目前的仓库管理主要分为三部分：一是进出货物信息的记录和管理：二是车辆（集装箱）的记录；三是仓库集装箱的定位。对于前两部分的需求，绝大多数仓库仍采用人工记录的方法，导致劳动力成本和错误率高。本文提出了基于有源的基础RFID 仓库管理系统主要用于满足第一部分和第二部分的需要，效提高仓库管理效率。

3.2系统架构

如图11所示，整个仓库管理系统。仓库内的货物由卡车装载，通过仓库门运入仓库。货物有时会放在集装箱里，所以在这个系统里RFID卡车(集装箱)通常安装移动节点，即标签。因为任何货物进出仓库都必须经过大门，所以RFID固定节点，即读卡器，安装在仓库门上，与客户端PC机通过USB线相连接。同时，PC客户端覆盖了整个仓库的2.4G作为服务器端的无线局域网和PC作为服务器端为服务器端PC 机器是整个系统的总控制台。读卡器通过读卡器收到的信息PC客户终于回来了PC控制台。

3.3硬件设计

节点硬件。控制芯片和射频芯片分别选择Silicon C8051 F31 0 和ChipconCCI 1 O0。其中RFID 安装了移动节点FreescaleMMA726O加速获取卡车(或集装箱)当前运动状态的加速度传感器。还使用移动节点MCU 内部1 6KB大小的Flash存储货物信息。同时，RFID安装了固定节点FT232串口转USB通过控制台使用芯片USB接口通讯。在电源方面，移动节点采用11 00mA手机电池供电，固定节点采用外部电源。

本系统中RFID433MHz，但常见的2.4GHz。采用433MHz基于以下考虑：433MHz频率对传输环境的要求较低。由于该系统用于仓库，考虑到仓库有大量货物堆放，车辆（或集装箱）可能安装移动节点，因此对传输的渗透性要求较高。相比之下，2。4GHz更适合在空旷的地方传输。此外，该系统的传输距离(1 433MHz可以完全胜任频率。

4 软件设计

4.1软件系统结构 

RFID如图3所示，节点的软件结构。在这里引入无线传感器网络(wSN)物理和介质访问控~J(MAC)层层的概念，是将WSN技术与RFID一种技术融合。这两层协议栈可以建造RFI D该系统具有更清晰的软件系统结构。

在硬件上，它是由每个硬件模块驱动的，包括SPI、串口、片内Flash、加速度传感器和射频芯片CC11 OO驱动。CC11 00驱动是物理层的一部分，提供了射频芯片频率等参数设置和无线收发功能。该系统设计在物理层以上MAC 层协议栈。

MAC层协议栈包括，RFID定义数据包格式，分配节点地址，接受数据包的发送。共定义1 2种类型的RFID门禁管理门禁管理4种，货物管理8种；RFID网络地址以字节表示；并为数据包的发送和接收设计了4个函数。除驱动和物理层外MAC除了层之外，还定义了一些系统调用来提供MCU与射频芯片状态切换、检测移动节点运动状态和货物管理中的货物信息Flash记录等功能。上述协议层的详细结构如图4所示。

在底层软件结构的支持下，顶层软件系统结构对应OSI应用层和网络层、货物管理等功能。这一层分为上下两层，下层对应网络层的功能RFID 读卡器与标签之间的通信设计了一套低功耗算法的通信规则(见4。2节)。只有基于网络层的通信规定，才能在应用层实现门禁和货物管理。

4.2 RFID通信规约

如4.1节所述，RFID读卡器与移动节点之间的通信规则构成了仓库管理系统两个主要功能的软件基础。通信规则的设计主要分为两部分，一部分用于定位移动节点时的数据通信，另一部分用于货物信息查询和管理时的数据通信。

首先，该系统被采用RSSI定位移动节点的算法，RSSI该算法以节点之间通信时信号的强度为定位参数。然而，由于信号强度和距离并不完全单调，根据实际测量的信号强度数据，降低定位精度，以5米为单位，将每5米内的信号强度取平均值，从而获得信号强度和距离单调递减的关系。基于此，可以根据此基础RSSI定位移动节点的算法。

具体定位过程如下：类似使用TCP／IP协议中的二次握手协议保证了通信的鲁棒性。读卡器广播位置查询请求包含代表不同范围的N个阈值。当移动节点接受此请求时，检测当前信号强度值，将其与N个阀值进行比较，确定其当前位置并回应。当读卡器收到某个标签的回复时，将二次确认请求发送到该标签，并回复该请求。这时读卡器认为标签定位成功，结果通过串口返回控制台。

第二类货物查询管理通信的具体流程如下：PC控制台向读卡器发送货物管理命令。货物管理命令包括查询、修改、添加和删除卡车（或集装箱）中的货物信息。读卡器收到指令后，将指令转发给移动节点，移动节点根据指令内容在内部Flash相应的操作，如查询和修改，并将结果返回读卡器。读卡器收到结果后返回控制台，控制台更新数据库。

4.3低功耗算法

在这个系统中，移动节点被设计成有源的RFID，那么低功耗就成了必须解决的问题。该系统采用以下方法实现低功耗算法。首先，当移动节点不工作时，平均每3秒醒来一次，每次醒来4秒ms左右。由于睡眠状态下的功耗可以忽略不计，实际功耗约为唤醒状态的1/1 000。其次，移动节点可以使用加速度传感器来检测当前的运动状态。如果节点移动，货物很可能通过仓库门。此时，为了监控正确性，将唤醒时间缩短到0.5秒：当节点静止时，唤醒时间间隔可以增加。这种方法可以获得电量

良好的分配，进一步降低功耗。第三，在定位时，移动节点将记录您上次的位置。如果您的位置在新的查询中没有改变，您将不再与读卡器进行下一次通信，并直接进入睡眠状态。

4.4数据加密

此外，由于RFID通过射频芯片传输数据，可以截获传输过程中的数据，导致仓库信息泄露或恶意变更。因此，在系统应用层协议栈的设计中加入数据加密。这确保了应用层以下处理的数据是加密数据，即传输过程中的数据包是加密的。当接收接收到数据包并逐层分析其应用层时，将加密信息通过控制台解密，以确保仓库数据的安全，使该系统适用于安全要求较高的军用仓库。

5 总结

本文提出了基于有源的建议RFID仓库管理系统不仅给出了硬件设计方案和节点之间的通信规则设计，而且增加了低功耗算法，使系统能够应用于仓库管理，提高仓库车辆和集装箱管理，记录货物信息具有重要的实际意义，可以大大降低劳动力成本，提高效率。