基于RFID技術與無線傳感器的智能庫架管理系統(tǒng)設計

　　無線射頻識別技術RFID 技術與互聯(lián)網(wǎng)、通訊技術相結(jié)合可應用于物流、制造、公共信息服務等多個行業(yè)，RFID 在零售業(yè)也得到了廣泛的應用，而且進展得最快。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里，與該貨物有關的信息都能在計算機里查到。閱讀器和天線放在倉庫的進出口，無線中繼終端按需布置，組成一個無線傳感網(wǎng)絡。當貨物進出庫架時，放置在進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出，掌握貨物的銷售情況，適時地調(diào)整進貨的品種和數(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( RFID) 簡介

　　RFID 技術是利用無線電波來進行通訊的一種非接觸式自動識別技術。射頻識別系統(tǒng)一般由3 部分構(gòu)成： 應答器、閱讀器和后臺數(shù)據(jù)庫應用軟件。其基本原理是通過讀頭和粘附在物體上的標簽之間的電磁耦合或者電感耦合來進行數(shù)據(jù)通訊以達到對標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"射頻標簽，射頻標簽接到信號后將數(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可以使用的數(shù)據(jù)。

　　2 系統(tǒng)的整體框架設計

　　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、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答器進行數(shù)據(jù)讀寫操作，與上位機進行通信，其一般含有射頻模塊、控制單元以及與應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。控制單元與射頻模塊相連，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)進行調(diào)制后通過天線發(fā)送至應答器，并對從天線上接收的應答器返回信號進行解調(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AT 89S52, 其主要負責運行讀寫卡片的程序，提供FM1725 芯片的控制信號，通過RS232 接口完成與上位機或網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信。該單片機片內(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備，簡化了電路設計，提高了電路可靠性。

　　射頻卡片采用無源的Mifar e 標準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)，當有MF1IC S50 卡片進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)送至上位機或網(wǎng)絡。

　　圖2 基本操作流程

　　2. 2 無線傳感器網(wǎng)絡

　　無線傳感器網(wǎng)絡由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的許多個無線傳感器網(wǎng)絡節(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)絡節(jié)點的構(gòu)成。

　　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中，微控制單元使用的是TI 公司的MSP430F19 型號單片機，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。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、醫(yī)學) 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200m 以上。

　　2. 2. 2 無線傳感器網(wǎng)絡協(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)絡協(xié)議的底層部分，以解決無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡性能問題。

　　MAC 協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡的性能有很大的影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡高效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡的性能如吞吐量、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、Ad- H o c 是當前主流的無線網(wǎng)絡技術，但它們各自的MAC 協(xié)議都不適合無線傳感器網(wǎng)絡。GSM 和CDM A 中的媒體訪問控制主要關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心的問題。而無線傳感器網(wǎng)絡的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)絡的MAC 協(xié)議不適用于無線傳感器網(wǎng)絡，需要提出新的適用于無線傳感器網(wǎng)絡的MAC 協(xié)議。

　　針對IA4420 芯片在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用，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)器的應用設計提供節(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)絡傳送給中央計算機。

　　3 結(jié)語

　　本文根據(jù)RFID 的技術特點，將RFID 應用于超市的智能庫架管理; 并將RFID 技術與無線傳感器網(wǎng)絡相接合。RFID系統(tǒng)作為無線傳感器網(wǎng)絡的一個傳感器節(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 應用系統(tǒng)具有一定的參考價值和現(xiàn)實意義。