基于RFID技術(shù)的智能庫架管理系統(tǒng)設(shè)計流程剖析

無線射頻識別技術(shù)RFID 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊技術(shù)相結(jié)合可應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等多個行業(yè)，RFID 在零售業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用，而且進(jìn)展得最快。針對大型超市的庫架管理提出了基于RFID 超市智能庫架管理系統(tǒng)。將射頻卡貼在貨物上，所有貨物信息都被存儲在倉庫的中央計算機(jī)里，與該貨物有關(guān)的信息都能在計算機(jī)里查到。閱讀器和天線放在倉庫的進(jìn)出口，無線中繼終端按需布置，組成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)貨物進(jìn)出庫架時，放置在進(jìn)出口的閱讀器會讀出貼在貨物上射頻卡的信息并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至管理中心，這樣管理中心可以實時地了解到貨物的進(jìn)出，掌握貨物的銷售情況，適時地調(diào)整進(jìn)貨的品種和數(shù)量。有助于解決零售業(yè)兩個最大的難題： 商品脫銷和損耗。同時，消費者也可以不必在收銀臺前排隊，直接推著裝滿商品的小車出門，門口的計算機(jī)自動打印購物清單，改善購物環(huán)境，提高企業(yè)的競爭力。

1 射頻識別技術(shù)（ RFID） 簡介

RFID 技術(shù)是利用無線電波來進(jìn)行通訊的一種非接觸式自動識別技術(shù)。射頻識別系統(tǒng)一般由3 部分構(gòu)成： 應(yīng)答器、閱讀器和后臺數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件。其基本原理是通過讀頭和粘附在物體上的標(biāo)簽之間的電磁耦合或者電感耦合來進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊以達(dá)到對標(biāo)簽物品的非接觸式自動識別。由閱讀器發(fā)送指令給天線，由天線發(fā)送無線電波“掃描”射頻標(biāo)簽，射頻標(biāo)簽接到信號后將數(shù)據(jù)信息返回成無線電波的形式，再由天線接收后解碼成計算機(jī)可以使用的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的整體框架設(shè)計

針對大型超市的智能庫架管理的特點，系統(tǒng)主要包括：

RFID 識別系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID 識別系統(tǒng)與無線終端的交互。

2. 1 RFID 射頻識別系統(tǒng)

閱讀器的主要功能是通過天線對應(yīng)答器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，與上位機(jī)進(jìn)行通信，其一般含有射頻模塊、控制單元以及與應(yīng)答器連接的耦合元件。此外，閱讀器還有附加的接口以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)。

閱讀器硬件系統(tǒng)主要由4 部分構(gòu)成： 接口電路、控制單元、射頻模塊、天線組成，見圖1.上位機(jī)通過接口電路與閱讀器的控制單元連接，向控制單元發(fā)送讀/寫卡等命令，接收來自控制模塊的數(shù)據(jù)與操作報告?？刂茊卧c射頻模塊相連，在控制單元上運行的主程序根據(jù)具體情況控制射頻模塊操作。射頻模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過天線發(fā)送至應(yīng)答器，并對從天線上接收的應(yīng)答器返回信號進(jìn)行解調(diào)。

圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖

閱讀器射頻模塊采用復(fù)旦微電子公司的FM1725 非接觸式IC 卡芯片，其完成數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)的功能，對射頻調(diào)制信號進(jìn)行整流和發(fā)射。FM1725 芯片內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能直接驅(qū)動近操作距離的天線，同時接收器部分提供了一個可靠的解調(diào)和解碼電路。其數(shù)字處理部分將并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行，支持檢查產(chǎn)生的幀、產(chǎn)生并檢查奇偶和CRC 校驗以及位編碼和處理。此外，F(xiàn)M1725 還提供了一個SPI 兼容接口，其并行接口可以直接與8 位MCU 相連。

閱讀器的控制單元采用ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能8 位單片機(jī)AT 89S52， 其主要負(fù)責(zé)運行讀寫卡片的程序，提供FM1725 芯片的控制信號，通過RS232 接口完成與上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。該單片機(jī)片內(nèi)含8K 字節(jié)Flash 只讀程序存儲器，其空間大小足夠?qū)Ⅱ?qū)動及控制FM1725 射頻芯片的程序?qū)懭?，無需再外接其他外存儲設(shè)備，簡化了電路設(shè)計，提高了電路可靠性。

射頻卡片采用無源的Mifar e 標(biāo)準(zhǔn)IC 卡MF1 IC S50， 卡片內(nèi)有8K 位EEPROM， 它是數(shù)據(jù)的存儲載體，通過閱讀器的天線對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

基本操作流程見圖2.用戶先通過閱讀器將信息寫入MF1 IC S50 卡片內(nèi)，當(dāng)有MF1IC S50 卡片進(jìn)入閱讀器的天線工作范圍內(nèi)時，卡片被激活，閱讀器發(fā)送讀數(shù)據(jù)信號給卡片，卡片根據(jù)接收到的讀數(shù)據(jù)信號將存儲單元中指定的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送至閱讀器，閱讀器再將數(shù)據(jù)通過RS232 接口發(fā)送至上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)。

圖2 基本操作流程

2. 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的許多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域宗感知對象的信息，并通過Ad ho c 方式傳遞給觀察者。

2. 2. 1 傳感器節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸功能，通常由4 個單元組成。見圖3。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的構(gòu)成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，微控制單元使用的是TI 公司的MSP430F19 型號單片機(jī)，無線傳輸單元使用的是I nteg rationAssociat es 公司的IA4420 芯片。

1） 微控制單元。T I 公司的MSP430 系列是一個16 位的、具有精簡指令集的、超底功耗的混合型單片機(jī)。在無線傳感器節(jié)點中。

2） 無線傳輸單元。無線傳輸單元采用的核心芯片是IA4420.它是Integ rat ion Asso ciates 公司推出的可編程、低功耗、多通道頻移鍵控（ FSK） 的全雙工射頻收發(fā)一體芯片。

IA4420 可以工作在ISM（ 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)） 頻段，分別是315、433、8 68 和915MH z.芯片的工作電壓為2. 2~ 5. 4V， 采用低功耗模式，待機(jī)電流為0. 3uA， 采用FSK 調(diào)制模式，發(fā)射功率為5~ 8dBm 可調(diào)，在室外開闊地實測傳輸距離達(dá)200m 以上。

2. 2. 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

媒體訪問控制協(xié)議簡稱MAC 協(xié)議，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問題。

MAC 協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有很大的影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的M AC 協(xié)議。蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、Ad- H o c 是當(dāng)前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的MAC 協(xié)議都不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。GSM 和CDM A 中的媒體訪問控制主要關(guān)心的是如何滿足用戶的Qo S要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的。Ad- H oc 網(wǎng)絡(luò)考慮的則是如何在節(jié)點具有高度移動性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時兼顧一定的Qo S 要求，功耗也不是其首要關(guān)心的問題。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量。這意味著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要提出新的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議。

針對IA4420 芯片在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，Integration 公司提出了新的MAC 層協(xié)議- EZMac 協(xié)議的協(xié)議框架。

EZMac 是基于C 語言的M AC 層協(xié)議，為無線收發(fā)器的應(yīng)用設(shè)計提供節(jié)點間的物理層簡單接口，管理信號的傳輸和從發(fā)送端到輸出端的相關(guān)數(shù)據(jù)包的傳送。

EZMac 的數(shù)據(jù)包較小，并支持使用收發(fā)器芯片內(nèi)部波特率發(fā)生器的數(shù)據(jù)傳送。EZMac 的狀態(tài)機(jī)動作由一組存放于不同的寄存器中參數(shù)決定。MAC 引擎支持4 種基本模式： 休眠、空閑、傳輸和接收，其中休眠模式所消耗的能量最少，空閑模式次之，傳輸模式消耗的能量最多。這4 種模式可通過9 個基本狀態(tài)來實現(xiàn)，這9 種狀態(tài)是： 休眠、喚醒、空閑、檢測DQD（ 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測） 、接收信息包、信息包有效、偵聽、傳輸信息包、傳輸信息錯誤。EZMac 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖見圖4。

圖4 EZMac 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖

2. 3 無線終端與RFID 系統(tǒng)的交互

主要是RFID 系統(tǒng)中的閱讀器讀取信息后發(fā)送給無線終端，無線終端通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給中央計算機(jī)。

3 結(jié)語

本文根據(jù)RFID 的技術(shù)特點，將RFID 應(yīng)用于超市的智能庫架管理; 并將RFID 技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相接合。RFID系統(tǒng)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個傳感器節(jié)點，加上其他的傳感器節(jié)點，如防火防盜傳感器，可以組成一個綜合性的智能超市監(jiān)控系統(tǒng)。從而為超市的庫架管理盡可能的進(jìn)一步的降低商品附加成本提供了可能性，增加了超市在市場中的競爭力。在實際中，該RFID 應(yīng)用系統(tǒng)具有一定的參考價值和現(xiàn)實意義。