RFID超市智能庫架管理系統(tǒng)

　　本解決方案根據(jù)RFID 的技術(shù)特點(diǎn)，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(diǎn)，加上其他的傳感器節(jié)點(diǎn)，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(shí)際中，該RFID應(yīng)用系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

　　系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

　　針對大型超幣的智能庫架管理的特點(diǎn)，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。

圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　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(bào)告。控制單元與射頻模塊相連，在控制單元上運(yùn)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)。

　　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(yàn)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)AT89S52，其主要負(fù)責(zé)運(yùn)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(jì)，提高了電路可靠性。

　　射頻卡片采用無源的Mifare標(biāo)準(zhǔn)IC卡MF1 IC$50，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。

圖2 基本操作流程

　　基本操作流程見圖2。用戶先通過閱讀器將信息寫入MF1 IC$50卡片內(nèi)，當(dāng)有MFIIC$50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)。

　　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(diǎn)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 hoc方式傳遞給觀察者 。

　　2．2．1 傳感器節(jié)點(diǎn)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的構(gòu)成

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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IntegrationAssociates公司的IA4420芯片

　　1)微控制單元。TI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(diǎn)中。 2)無線傳輸單元。無線傳輸單元采用的核心芯片是IA4420o它是Integration Associates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、868和915MHz。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(shí)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(diǎn)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MAC協(xié)議。蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、Ad—Hoc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CDMA 中的媒體訪問控制主要關(guān)心的是如何滿足用戶的Qos要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的。Ad—Hoc網(wǎng)絡(luò)考慮的則是如何在節(jié)點(diǎn)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Qos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)議一EZMac協(xié)議的協(xié)議框架。EZMac是基于C語言的MAC層協(xié)議，為無線收發(fā)器的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供節(jié)點(diǎn)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(shí)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

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　　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(jì)算機(jī)。

　　基本操作流程見圖2。用戶先通過閱讀器將信息寫入MF1 IC$50卡片內(nèi)，當(dāng)有MFIIC$50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(diǎn)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 hoc方式傳遞給觀察者 。

　　2．2．1 傳感器節(jié)點(diǎn)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的構(gòu)成

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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IntegrationAssociates公司的IA4420芯片

　　1)微控制單元。TI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(diǎn)中。

　　2)無線傳輸單元。無線傳輸單元采用的核心芯片是IA4420o它是Integration Associates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、868和915MHz。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(shí)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(diǎn)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MAC協(xié)議。蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、Ad—Hoc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CDMA 中的媒體訪問控制主要關(guān)心的是如何滿足用戶的Qos要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的。Ad—Hoc網(wǎng)絡(luò)考慮的則是如何在節(jié)點(diǎn)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Qos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)議一EZMac協(xié)議的協(xié)議框架。EZMac是基于C語言的MAC層協(xié)議，為無線收發(fā)器的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供節(jié)點(diǎn)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(shí)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(jì)算機(jī)。