基于Nios II的RFID物流管理系統設計與實現

劉銘，孫科學,2，王淑媛，周文斌

(1.南京郵電大學 電子科學與工程學院,江蘇 南京 210023；2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023)

基于Nios II的RFID物流管理系統設計與實現

(1.南京郵電大學 電子科學與工程學院,江蘇 南京 210023；2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023)

當今社會，物流管理越來越受到人們的重視，為提高物流管理系統效率，減少出錯率，RFID物流管理系統被提出。同時因為嵌入式技術具有靈活性強、集成度高以及價格低廉等優勢，利用嵌入式技術實現RFID成為主流。設計了一種基于Nios II的RFID物流管理系統，該系統由Nios II嵌入式軟核、FPGA開發組件、撥碼開關、LCD液晶屏、矩陣鍵盤等組成。該系統可以對一定范圍內的倉庫物品信息實現實時讀寫，并將結果顯示在液晶屏上，用戶可以通過鍵盤選擇查看相應信息，方便對于倉庫中的貨物進行動態管理。該系統支持多標簽同時操作，可以用于倉庫管理，提高物流管理的效率，減少出錯率。

無線射頻識別；Nios II；物流管理系統；防碰撞算法

0 引 言

隨著全球經濟一體化的推行，物流產業在服務業中的地位越來越高。而全球電子商務、供應鏈由于信息傳遞的不及時、信息失真、信息交換錯誤所造成的損失每年高達數千億美元。如今，隨著無線通信技術的發展，將RFID技術應用于物流管理系統具有提高效率、減少出錯率等優點[1-4]。而隨著嵌入式技術的快速發展，當前嵌入式技術具有軟件代碼較小、自動化程度較高、反應速度較快等顯著特征[2-8]。

目前利用嵌入式技術實現RFID已經逐漸成為主流，其實現方式是利用Linux和ARM處理器為核心并通過擴展無線通信模塊實現物流管理系統[9-11]。文中采用Nios II軟核實現物流管理系統，比起ARM更靈活，同時分析了所用的防碰撞算法并給出了系統的具體實現。文中設計了一個實現空中接口通信協議ISO18000-6B基本通信功能的RFID數字基帶系統。通過DE2開發板的Cyclone II EP2C35FPGA與Nios Ⅱ嵌入式處理器與外圍電路實現相應功能，使得系統可以對一定范圍內的倉庫物品信息實現實時讀寫，并將結果顯示在液晶屏上，用戶可以通過鍵盤選擇查看相應信息。

1 系統總體設計

文中所述的RFID系統總體設計包括一個閱讀器與八塊應答器(見圖1)，而閱讀器又包括Nios II軟核與基帶信號處理模塊。MCU負責處理用戶交互與數據管理，基帶信號處理模塊負責處理數字基帶信號并且把結果匯總到Nios。應答器有八塊，用于模擬多個電子標簽沖突，實現驗證防碰撞算法的功能。

圖1 RFID系統總體設計框圖

用戶將閱讀器打開后，閱讀器自動檢測一定范圍內的應答器，并向其發送通信命令，應答器收到命令后向閱讀器發送自身信息，通信雙方均遵循ISO18000-6B協議。由于實際情況中會有大量應答器同時應答的情況，閱讀器之后通過防碰撞算法讀取收到的每一個應答器的信息并將其通過上位機處理，最終將這些信息通過液晶屏顯示給用戶。用戶可以通過鍵盤來選擇查看每一個應答器所帶有的不同信息，達到物流管理的目的。

2 系統關鍵技術詳細設計與實現

2.1 應答器設計

應答器包括前導碼檢測模塊、曼徹斯特碼解碼模塊、下行幀解析模塊(包括Gold序列生成模塊與CRC校驗模塊)、上行幀組幀模塊、FM0碼編碼模塊、前導碼生成模塊以及輔助模塊分頻與輸出數據選擇。整體結構圖如圖2所示。

圖2 應答器總體設計框圖

數據流由din輸入，首先經過前導碼檢測模塊，檢測到幀頭即發送sof通知后級，隨后曼徹斯特碼解碼模塊負責解出信息，由下行幀解析模塊解析并判斷是否應答，隨后上行幀組幀模塊組幀并且控制前導碼生成模塊生成前導碼，信息由FM0碼編碼模塊編碼輸出。通過這些模塊的配合完成一個通信過程的應答。

整個系統運行時鐘為40 kHz，由于前導碼檢測模塊、前導碼生成模塊、曼徹斯特碼解碼模塊、FM0碼編碼模塊需要解數字基帶信號，因此采用雙倍速率80 kHz解碼。

2.2 閱讀器設計

閱讀器總體可以分為Nios II軟核與基帶信號處理模塊。Nios II軟核涉及軟件部分(詳見后文)，這里只介紹基帶信號處理模塊。閱讀器的基帶信號處理模塊包括前導碼檢測模塊、FM0碼解碼模塊、上行幀解析模塊、閱讀器防碰撞算法模塊、下行幀組幀模塊(包括CRC校驗模塊)、曼徹斯特碼編碼模塊、前導碼生成模塊、輔助分頻模塊以及輸出數據選擇。整體結構圖如圖3所示。

數據流由din輸入首先經過前導碼檢測模塊，檢測到幀頭即發送sof通知后級，隨后FM0解碼模塊負責解出信息，由下行幀解析模塊解析。最終解析結果直接反饋給閱讀器防碰撞算法模塊，由其運行防碰撞算法并且正確得到單一的UID時與上位機(Nios II軟核處理器)通信，最終決定下面的行為。得到發送命令幀的指令后指令將傳遞給下行幀組幀模塊由其組幀并且發送。

圖3 閱讀器(基帶信號處理模塊)總體設計框圖

整個系統運行時鐘為40 kHz，由于前導碼檢測模塊、前導碼生成模塊、曼徹斯特碼編碼模塊、FM0碼解碼模塊需要解數字基帶信號，因此采用雙倍速率80 kHz解碼。

2.3 防碰撞算法設計

文中所設計的RFID物流系統中，應答器與閱讀器間的通信采用ISO18000-6通信標準。ISO18000-6是UHF頻段RFID的國際標準，UHF射頻產品適合于遠距離識別，且對環境影響較小，目前受到了廣泛的關注[12-14]。其中，根據RFID相關參數的不同又分為ABC三種類型。隨著RFID標簽的大規模應用，標簽的碰撞問題嚴重影響了RFID系統的性能，而防碰撞算法是解決該問題的關鍵[13]。對于防碰撞算法，A類使用ALOHA算法，B類使用二叉樹算法，C類使用時隙隨機反碰撞算法。由于B類具有幀格式簡單、實現簡單等優點，文中使用B類，即二叉樹算法。具體流程見圖4。

當閱讀器接到上位機指令后進入防碰撞算法流程。整個流程可以簡單概括為：閱讀器先向應答器發送選擇命令(成功命令)。若接收到單一應答，則未發生碰撞，流程結束。若接收到多個應答，則發生碰撞，閱讀器向應答器發出失敗命令等待結果，如果響應超時則發送成功命令(組選命令)。

2.4 Nios II設計

NiosⅡ嵌入式處理器是由Altera公司推出的，采用哈佛結構、具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器，其最大優勢和特點是模塊化的硬件結構，以及由此帶來的靈活性和可裁減性。將Nios II嵌入式處理器軟核應用到數字信號處理器中,大大增強了整個設計系統的靈活性和完整性[15]。

圖4 防碰撞算法流程圖

文中所述系統的軟件部分主要由Nios Ⅱ嵌入式處理器完成。軟件部分總體可以分為系統調度模塊、12864液晶驅動模塊、矩陣鍵盤驅動模塊、閱讀器數據處理通信模塊。其中，系統調度模塊負責整個系統的任務調度、函數調用等。12864液晶驅動模塊與矩陣鍵盤驅動模塊使用的是成熟的驅動，完成與系統調度函數接口后，利用系統API:void display(char *s,char,char);void KeyScanISR(void *context,ulong id);可以完成對12864液晶的輸出與對矩陣鍵盤的輸入。

顯示模塊第一行顯示此時是第幾個標簽，總共有幾個標簽；第二行顯示當前標簽的UID；第三行顯示電子標簽內部存儲器的信息；第四行顯示需要寫入的庫存代號。

閱讀器數據處理通信模塊完成對閱讀器數字邏輯部分的通信與數據處理。系統開始后模塊讓閱讀器處于識別指令狀態運行防碰撞算法識別出電子標簽；等待響應后對電子標簽有效數據進行讀取，獲得貨物信息；同時改寫入庫信息等，完成所有讀寫操作后丟棄該標簽，識別下一個標簽。獲得的信息均暫存到運行RAM中，等待用戶查詢或處理。

3 系統工作流程

系統開始工作后，顯示歡迎界面，等待用戶操作。若此時有貨物入庫，則系統讀取并存入貨物信息。如有多件貨物入庫，則經防碰撞算法后讀寫并存儲貨物信息。用戶可以通過矩陣鍵盤的相關按鍵實時查看當前存儲的貨物的具體信息，進行相應管理。具體流程圖如圖5所示。

圖5 系統工作流程圖

4 結束語

文中采用Nios II軟核來實現物流管理系統，相較于采用ARM來實現更靈活和方便。同時也分析了所用的防碰撞算法并給出了系統的具體實現。測試結果表明，該系統可以對一定范圍內的倉庫物品信息實現實時讀寫，并將結果顯示在液晶屏上，用戶可以通過鍵盤選擇查看相應信息，方便對于倉庫中的貨物進行動態管理。

[1] 肖 楠,鄭文嶺,馬文麗,等.一種基于RFID的物流管理系統的設計[J].計算機技術與發展,2008,18(7):237-239．

[2] 孫高峰.淺談嵌入式軟件技術的現狀與發展動向[J].煙臺職業學院學報,2013(2)：74-76.

[3] 楊海鋼,孫嘉斌,王 慰.FPGA器件設計技術發展綜述[J].電子與信息學報,2010,32(3):714-727.

[4] Altera Corporation.CycloneII device handbook,volume1[EB/OL].2007.https://www.altera.com/products/fpga/cyclone-series.html.

[5] 杜亞江,雷 斌,高 博,等.倉儲管理中RFID系統的研究與設計[J].蘭州交通大學學報,2007,26(6):92-95.

[6] Yang X,Meng L,Yu F,et al.Design and test of a RFID UHF tag[C]//Proceedings of Pacific-Asia conference on circuits,communications and systems.[s.l.]:IEEE,2009:346-349.

[7] Ying C,Zhang Fuhong.A system design for UHF RFID reader[C]//Proceedings of 11th IEEE international conference on communication technology.[s.l.]:IEEE,2008:301-304.

[8] El-Medany W M.FPGA implementation of RDR Manchester and D-Manchester CODEC design for wireless transceiver[C]//Proceedings of NRSC 2008.[s.l.]:IEEE,2008:1-5.

[9] 李珍香,李 國,李德興.基于ARM的RFID智能安全管理系統設計與實現[J].計算機工程與設計,2010,31(12):2744-2748．

[10] 葉 鵬,馬 俊,王 威.基于ARM的RFID智能物流管理系統設計與實現[J].計算機工程與設計,2013,34(10):3475-3479．

[11] 陳彩華,龍衛兵.基于ARM-3S的物流監控系統研究與設計[J].計算機測量與控制,2011,19(6):1361-1363.

[12] 杜 平.基于FPGA的FM0編碼設計[J].移動通信,2014,38(16):54-57.

[13] 姜 武,楊恒新,張 昀.一種改進的查詢樹RFID標簽防碰撞算法[J].計算機技術與發展,2015,25(2):86-89.

[14] Information technology-radio frequency identification for item management-part 6:parameters for air interface communications at 860 to 960 MHz[S].[s.l.]:[s.n.],2004.

[15] 趙佩麗,李小珉,卞小林.Nios II處理器在數字信號處理中的應用[J].電氣電子教學學報,2007,29(6):47-49.

Design and Implementation of Logistics Management System of RFID Based on Nios II

LIU Yan-ming1，SUN Ke-xue1,2，WANG Shu-yuan1，ZHOU Wen-bin1

(1.School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023,China；2.Jiangsu Province Engineering Lab of RF Integration & Micropackage,Nanjing 210023，China)

Nowadays,people pay more and more attention to logistics management.In order to improve the efficiency of logistics management system and reduce the error rate,the RFID logistics management system is proposed.At the same time,because the embedded technology has the advantages of flexibility,high integration and low price,the use of embedded technology to achieve RFID becomes the mainstream.A RFID logistics management system based on Nios II is designed,and the system includes the Nios II embedded soft core,FPGA development kit,dial code switch,LCD and matrix keyboard.The system can achieve real-time reading and writing of warehouse goods information in a certain range,and show the results on the LCD screen.The user can select the relevant information through the keyboard to facilitate the dynamic management of the goods in the warehouse.The system supports multiple tags operations,which can be used for warehouse management,improving the efficiency of logistics management,reducing the error rate.

RFID;Nios II;logistics management system;anti-collision algorithm

2016-01-15

2016-04-20

時間：2016-09-19

國家自然科學基金資助項目(61271334)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJD510001)；南京郵電大學實驗室工作研究重點課題(2016XSG02)；大學生創新訓練計劃

劉銘(1994-)，男，研究方向為數字信號處理及其FPGA實現；孫科學，副教授，碩士生導師，研究方向為電子電路設計、嵌入式系統與通信軟件設計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0843.066.html

TP302

A

1673-629X(2016)10-0142-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.031