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基于RFID超市智能庫架管理系統(tǒng)設(shè)計
作者:王文珍 ,張成利
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2009-03-25 09:43:26
摘要:針對射頻識別(RFID)技術(shù)應(yīng)用的廣泛前景,設(shè)計了一個基于RFID的超市智能庫架管理系統(tǒng)的框架。該系統(tǒng)通過將識別解決方案與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)對超市的庫架管理情況進(jìn)行準(zhǔn)確的識別、記錄、統(tǒng)計,不僅節(jié)省了人力,也提高了工作效率。
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(fèi)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)是利用無線電波采進(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
針對大型超幣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。
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)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)懭耄瑹o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。
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)。
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 hoc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。
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。
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。
1 射頻識別技術(shù)(RFID)簡介
RFID技術(shù)是利用無線電波采進(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
針對大型超幣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。
圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖
Fig.1 The hardware system structure
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)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)懭耄瑹o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。
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
Fig.2 The basic operation procedure
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 hoc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
Fig.3 The structure of wireless sensor network nodes
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
Fig.4 The state transfer flowchart of EZM ac
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。