一種基于無源RFID的智能倉庫物聯(lián)網(wǎng)關設計

吳縉峰 龔結(jié)龍

摘 要：倉庫貨物種類繁多，貨物進出頻繁，傳統(tǒng)管理方式效率低下，存在條碼易復制、易損壞、人工成本高、貨物難找等情況。文中系統(tǒng)采用無源RFID技術，將貨物箱貼上無源RFID標簽，在倉庫關鍵卡口設置無源RFID閱讀器，實時讀取經(jīng)過的貨物，以提高管理效率。閱讀器讀取到的數(shù)據(jù)通過LoRa節(jié)點傳輸?shù)骄W(wǎng)關，完成整個倉庫的貨物進出管理。文中設計了無源RFID讀寫器和LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)。在實際應用中，系統(tǒng)會根據(jù)倉庫占地面積和貨物類型進行閱讀器和LoRa設備的配置。該方案大大提高了倉庫貨物管理效率，是智慧倉儲的典型應用。

關鍵詞：LoRa;RFID;無源閱讀器;智慧倉儲

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-02

0 引 言

如今各類倉庫貨物通常采用傳統(tǒng)的二維碼或者條形碼形式，當貨物進出時采用掃描方式管理，或者采用手動盤點方式操作，不僅工作量大，還易出錯，且當管理人員不清楚貨物的具體位置時，需要人工查找貨物位置。因此存在管理效率低下，貨物查找困難等缺點。本文采用無源RFID標簽管理貨物，并采用基于LoRa調(diào)制的無線傳輸技術組網(wǎng)，進行全倉庫的貨物管理，可極大降低人工成本，提高倉庫貨物管理效率。LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，該傳輸方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供了一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。

1 整體設計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。貨物箱體貼上無源RFID標簽，標簽內(nèi)容對應貨物內(nèi)容和特征，按照一定規(guī)則寫入。在貨架或者通道的卡口位置安裝標簽閱讀器，進行實時盤點。閱讀器與LoRa節(jié)點直接連接，閱讀器通過LoRa節(jié)點將讀取到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給LoRa網(wǎng)關，網(wǎng)關和后臺管理系統(tǒng)通信。當貨物進出時，閱讀器將自動盤點貨物標簽內(nèi)容，并記錄在系統(tǒng)中，由管理人員管理。

LoRa節(jié)點與網(wǎng)關采用自組網(wǎng)方式連接，多個節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關，網(wǎng)關與NS服務器采用3G/4G/Ethernet連接，將閱讀器數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺服務器，后臺數(shù)據(jù)庫服務器保存所有的倉庫數(shù)據(jù)，包括入庫、出庫、移動、揀貨、盤點等。最后由AS服務器完成自動識別貨品和相關數(shù)據(jù)信息的管理，對監(jiān)控終端進行實時監(jiān)控，由打印機打印各類相關數(shù)據(jù)。當管理人員需要查找某個貨物時，只需在后臺填入對應貨物名稱，下發(fā)盤點命令即可通知閱讀器進行貨物查找，一旦找到對應貨物，立即上報到后臺。

2 物聯(lián)網(wǎng)關功能設計

物聯(lián)網(wǎng)關采用TI335X硬件平臺，運行Linux 4.1嵌入式系統(tǒng)，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，網(wǎng)關采用SX1301芯片作為基于LoRa調(diào)制的基帶芯片，選用SPI通信方式。可分配8個LoRa調(diào)制解調(diào)器給多個通道，它仲裁數(shù)據(jù)包的機制包括速率、通道、射頻和信號強度。每個通道可以接收SF7～SF12共6種速率的LoRa信號。

LoRa節(jié)點采用基于LoRa調(diào)制的基帶芯片SX1278來匹配網(wǎng)關，SX1278只有1個通道通信。無源RFID閱讀器與LoRa節(jié)點連接，所盤點的貨物標簽數(shù)據(jù)通過LoRa節(jié)點傳送到LoRa網(wǎng)關，之后進行后續(xù)處理。

2.1 組網(wǎng)方式

節(jié)點與網(wǎng)關之間采用二級網(wǎng)絡連接。節(jié)點可與多個網(wǎng)關相連，網(wǎng)關與網(wǎng)關不進行直接交互。入網(wǎng)過程：節(jié)點向網(wǎng)關發(fā)送入網(wǎng)請求幀（含節(jié)點ID），網(wǎng)關在接收到入網(wǎng)請求幀后，會根據(jù)自身ID為節(jié)點分配一個KeyID，并返回節(jié)點。節(jié)點收到網(wǎng)關回復后，保存該KeyID，并在后續(xù)通信過程中，所有協(xié)議幀中均含有該KeyID。

節(jié)點入網(wǎng)后，除了標簽盤點數(shù)據(jù)交互，節(jié)點和網(wǎng)關之間需保持心跳。一旦心跳多次無應答，則節(jié)點需重新入網(wǎng)。

2.2 通信參數(shù)確定

LoRa通信采用擴頻技術實現(xiàn)超遠距離通信，頻段為433 MHz/470 MHz，可調(diào)。其擴頻因子為7～12，空曠情況下最遠通信距離超5 km。在本文所述的應用中，需要根據(jù)倉庫占地面積大小和實際的通道、貨架尺寸來確定。通常一個100 m×100 m的貨倉，采用1～2個LoRa網(wǎng)關即可滿足要求。

2.3 數(shù)據(jù)交互方式

2.3.1 節(jié)點主動上報

在系統(tǒng)運行過程中，閱讀器持續(xù)實時盤點經(jīng)過通道卡口的標簽數(shù)據(jù)，一旦盤點到則立即上報。

2.3.2 網(wǎng)關主動獲取

需要查找貨物時，由網(wǎng)關下發(fā)盤點命令，分時對各貨架區(qū)域的閱讀器節(jié)點進行盤點操作。閱讀器接收到主動盤點命令時，對標簽進行盤點操作，一旦盤點到標簽則立即上報。

2.3.3 群讀

當管理者需要獲取某個系列的所有貨物時，只需要通過設置特定標簽過濾內(nèi)容，由網(wǎng)關下發(fā)到無源閱讀器，閱讀器便會根據(jù)指定內(nèi)容過濾無效標簽。為防止所有節(jié)點同時進行盤點和數(shù)據(jù)傳輸，引起碰撞，網(wǎng)關可以分時對各節(jié)點進行控制，根據(jù)節(jié)點的編號規(guī)則逐個下發(fā)請求命令。

3 無源閱讀器設計

圖3所示為本文所述無源RFID標簽閱讀器，包括電源模塊、微處理器、讀寫器芯片、抗干擾處理單元。微處理器與閱讀器芯片之間采用UART通信連接，閱讀器芯片與抗干擾處理單元連接，電源模塊的輸出端分別為微處理器、閱讀器芯片、抗干擾處理單元供電，電源模塊的輸入端通過無源RFID標簽閱讀器內(nèi)置的電源輸入接口與對外供電電源連接。

無源RFID標簽閱讀器支持《EPC C1 GEN2/ISO18000-6C》標準協(xié)議，其頻段為840～960 MHz，發(fā)射功率可調(diào)，步階間隔為1.0 dBm，典型值為23 dBm，最大發(fā)射功率為26 dBm，最遠讀取距離為5 m。無源RFID標簽閱讀器底板對外的通信波特率可調(diào)，支持串口常用通信速率。

4 結(jié) 語

倉庫管理效率反映了企業(yè)的核心競爭力高低。本文針對現(xiàn)有倉庫管理解決方案的不足，設計了基于LoRa傳輸技術的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)，避免了因有線布網(wǎng)帶來的繁瑣和不便。采用無源RFID標簽對貨物進行管理，避免因傳統(tǒng)條形碼或二維碼的手動操作方式帶來的誤差。該管理系統(tǒng)功能全面且性能穩(wěn)定可靠，已成功應用于中大型倉庫管理中，極大地降低了人工成本，提高了管理效率。

參 考 文 獻

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