一種基于無源 RFID 的智能倉庫物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

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(dāng)貨物進(jìn)出時(shí)采用掃描方式管理，或者采用手動(dòng)盤點(diǎn)方式操作，不僅工作量大，還易出錯(cuò)，且當(dāng)管理人員不清楚貨物的具體位置時(shí)，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(diǎn)。本文采用無源 RFID 標(biāo)簽管理貨物，并采用基于 LoRa 調(diào)制的無線傳輸技術(shù)組網(wǎng)，進(jìn)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(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，該傳輸方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供了一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。

1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。貨物箱體貼上無源 RFID 標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)容對(duì)應(yīng)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(biāo)簽閱讀器，進(jìn)行實(shí)時(shí)盤點(diǎn)。閱讀器與 LoRa 節(jié)點(diǎn)直接連接，閱讀器通過 LoRa 節(jié)點(diǎn)將讀取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給 LoRa 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)和后臺(tái)管理系統(tǒng)通信。當(dāng)貨物進(jìn)出時(shí)，閱讀器將自動(dòng)盤點(diǎn)貨物標(biāo)簽內(nèi)容，并記錄在系統(tǒng)中，由管理人員管理。

LoRa 節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)采用自組網(wǎng)方式連接，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與 NS 服務(wù)器采用 3G/4G/Ethernet 連接， 將閱讀器數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存所有的倉庫數(shù)據(jù)，包括入庫、出庫、移動(dòng)、揀貨、盤點(diǎn)等。最后由 AS 服務(wù)器完成自動(dòng)識(shí)別貨品和相關(guān)數(shù)據(jù)信息的管理，對(duì)監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，由打印機(jī)打印各類相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)管理人員需要查找某個(gè)貨物時(shí)，只需在后臺(tái)填入對(duì)應(yīng)貨物名稱，下發(fā)盤點(diǎn)命令即可通知閱讀器進(jìn)行貨物查找，一旦找到對(duì)應(yīng)貨物，立即上報(bào)到后臺(tái)。

                                                                                                                                                                   圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)采用 TI335X 硬件平臺(tái)，運(yùn)行 Linux 4.1 嵌入式系統(tǒng)，其功能結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

                                                                                                                                                                 圖 2 LoRa 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖 2 所示，網(wǎng)關(guān)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?？煞峙?8 個(gè) LoRa 調(diào)制解調(diào)器給多個(gè)通道，它仲裁數(shù)據(jù)包的機(jī)制包括速率、通道、射頻和信號(hào)強(qiáng)度。每個(gè)通道可以接收 SF7 ～ SF12 共 6 種速率的 LoRa 信號(hào)。

LoRa 節(jié)點(diǎn)采用基于 LoRa 調(diào)制的基帶芯片 SX1278 來匹配網(wǎng)關(guān)，SX1278 只有 1 個(gè)通道通信。無源 RFID 閱讀器與LoRa 節(jié)點(diǎn)連接，所盤點(diǎn)的貨物標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過LoRa 節(jié)點(diǎn)傳送到 LoRa 網(wǎng)關(guān)，之后進(jìn)行后續(xù)處理。

2.1 組網(wǎng)方式

節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接。節(jié)點(diǎn)可與多個(gè)網(wǎng)關(guān)相連，網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)不進(jìn)行直接交互。入網(wǎng)過程 ：節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求幀（含節(jié)點(diǎn) ID），網(wǎng)關(guān)在接收到入網(wǎng)請(qǐng)求幀后，會(huì)根據(jù)自身 ID 為節(jié)點(diǎn)分配一個(gè) KeyID，并返回節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)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(diǎn)入網(wǎng)后，除了標(biāo)簽盤點(diǎn)數(shù)據(jù)交互，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間需保持心跳。一旦心跳多次無應(yīng)答，則節(jié)點(diǎn)需重新入網(wǎng)。

2.2 通信參數(shù)確定

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

2.3 數(shù)據(jù)交互方式

2.3.1 節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，閱讀器持續(xù)實(shí)時(shí)盤點(diǎn)經(jīng)過通道卡口的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，一旦盤點(diǎn)到則立即上報(bào)。

2.3.2 網(wǎng)關(guān)主動(dòng)獲取

需要查找貨物時(shí)，由網(wǎng)關(guān)下發(fā)盤點(diǎn)命令，分時(shí)對(duì)各貨架區(qū)域的閱讀器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行盤點(diǎn)操作。閱讀器接收到主動(dòng)盤點(diǎn)命令時(shí)，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行盤點(diǎn)操作，一旦盤點(diǎn)到標(biāo)簽則立即上報(bào)。

2.3.3 群讀

當(dāng)管理者需要獲取某個(gè)系列的所有貨物時(shí)，只需要通過設(shè)置特定標(biāo)簽過濾內(nèi)容，由網(wǎng)關(guān)下發(fā)到無源閱讀器，閱讀器便會(huì)根據(jù)指定內(nèi)容過濾無效標(biāo)簽。為防止所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行盤點(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸，引起碰撞，網(wǎng)關(guān)可以分時(shí)對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)規(guī)則逐個(gè)下發(fā)請(qǐng)求命令。

3 無源閱讀器設(shè)計(jì)

圖 3 所示為本文所述無源 RFID 標(biāo)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(biāo)簽閱讀器內(nèi)置的電源輸入接口與對(duì)外供電電源連接。無源 RFID 標(biāo)簽閱讀器支持《EPC C1 GEN2/ISO18000-6C》標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)讀取距離為 5 m。無源 RFID 標(biāo)簽閱讀器底板對(duì)外的通信波特率可調(diào)，支持串口常用通信速率。

本文中閱讀器天線尺寸為（長(zhǎng) × 寬 × 厚）：1 570 mm×590 mm×45 mm，該閱讀天線駐留時(shí)間和發(fā)射功率可根據(jù)使用需要進(jìn)行設(shè)置 ；該閱讀天線阻抗為 50 Ω，最大功率為 10W，增益為（8.5±0.5）dBi，駐波比≤ 1.3。

在本文中，可以通過所述閱讀器對(duì)貨物進(jìn)行群讀盤點(diǎn)， 其群讀功能可以保證 50 次 /s 的標(biāo)簽讀取速度，重復(fù)過濾機(jī)制可以避免重復(fù)上報(bào)。當(dāng)需要盤點(diǎn)或者查找指定貨物時(shí)，只需設(shè)定對(duì)應(yīng)的 Mask 過濾即可。

4 結(jié)語

倉庫管理效率反映了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力高低。本文針對(duì)現(xiàn)有倉庫管理解決方案的不足，設(shè)計(jì)了基于 LoRa 傳輸技術(shù)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(biāo)簽對(duì)貨物進(jìn)行管理，避免因傳統(tǒng)條形碼或二維碼的手動(dòng)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(yīng)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。