基于物流倉(cāng)儲(chǔ)管理的RFID讀寫器設(shè)計(jì)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：語(yǔ)馨 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月21日

    RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)技術(shù)是一種利用無(wú)線射頻通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。與現(xiàn)代物流領(lǐng)域普遍使用的條碼技術(shù)相比，它在讀寫距離、保密性、智能化、環(huán)境適應(yīng)能力以及使用壽命方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。 
　　目前，世界范圍內(nèi)針對(duì)RFID的物流應(yīng)用存在兩種編碼體系，一種是日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的UID編碼體系，另一種是美國(guó)EPC(Electronic Production Code，電子產(chǎn)品代碼)環(huán)球協(xié)會(huì)提出的EPC電子產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)在所使用的無(wú)線頻段、信息位數(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有所不同。而我國(guó)還沒有自己正式的標(biāo)準(zhǔn)，但是有關(guān)RFID在900MHz頻段應(yīng)用的電磁檢測(cè)工作已經(jīng)基本完成，我國(guó)最為關(guān)心的是I    
SOl8000~6標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上EPC標(biāo)準(zhǔn)和 IS018000并不矛盾，對(duì)于物流應(yīng)用，EPC標(biāo)準(zhǔn)則更為完善。 

　　另外，對(duì)于物流應(yīng)用來(lái)說(shuō)，成本是企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題。在滿足需要的前提下，選擇最低成本是首當(dāng)其沖的。UHF(915MHz)射頻工作距離大概在10m左右，已經(jīng)能夠滿足物流應(yīng)用的需求，而且成本要比微波段低得多。特別是UHF射頻允許采用相對(duì)較小的方向性天線，這將使讀寫器的輻射波束定向到一個(gè)特定的區(qū)域，這種特點(diǎn)使讀寫器能夠抵御來(lái)自于其他讀寫器或發(fā)射機(jī)的潛在干擾。 

　　鑒于上述情況，為了促進(jìn)RFID系統(tǒng)在我國(guó)物流倉(cāng)儲(chǔ)管理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，本文提出了一種基于物流倉(cāng)儲(chǔ)管理應(yīng)用的讀寫器設(shè)計(jì)方法。該讀寫器的設(shè)計(jì)參照 EPC標(biāo)準(zhǔn)，采用915MHz工作頻率，以某公司的RFID標(biāo)簽芯片的讀寫為目標(biāo)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，生產(chǎn)成本低廉。 

　　1 標(biāo)簽功能簡(jiǎn)介
 
　　本設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)簽為工作在860MHz～960MHz的長(zhǎng)距離無(wú)源標(biāo)簽，符合IS018000-6標(biāo)準(zhǔn)，工作距離可達(dá)8.4m(具體視天線情況而定)，尤其適用于美國(guó)物流供應(yīng)鏈管理和后勤保障系統(tǒng)。該標(biāo)簽主要有如下特點(diǎn)： 

　 (1)通過(guò)RF前端的模擬電路將天線接收能量部分轉(zhuǎn)化為電量，為內(nèi)部電路供電。 
    (2)內(nèi)部包含有16位CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))編碼，具有很高的數(shù)據(jù)完整性。 
    (3)擁有快速防沖突機(jī)制，運(yùn)用自身防沖突算法實(shí)現(xiàn)了真正的內(nèi)部沖突判斷以及防沖突。 
    (4)采用64位EPC編碼，且內(nèi)部包含216字節(jié)用戶自定義存儲(chǔ)空間。 

　　當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入RF區(qū)域后，標(biāo)簽被激活。如果RF區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)簽工作能量的需要，則標(biāo)簽進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)，等待接收讀寫器發(fā)送的指令。標(biāo)簽接收以及發(fā)送的數(shù)據(jù)都將經(jīng)過(guò)CRC進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)。同時(shí)，還通過(guò)曼徹斯特編碼以及FM0編碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)，以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全性。讀寫器通過(guò)外部命令結(jié)合標(biāo)簽內(nèi)部防沖突算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取與寫入。 

　　2 RFID讀寫器設(shè)計(jì) 

　　2．1 硬件設(shè)計(jì) 

　　RFID讀寫器應(yīng)用在倉(cāng)儲(chǔ)管理中，除完成簡(jiǎn)單的射頻信號(hào)收發(fā)處理之外，還需要連接上層倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(Warehouse Management System，WMS)，將接收到的標(biāo)簽信息傳送到WMs中，以便于系統(tǒng)完成倉(cāng)庫(kù)的入庫(kù)、盤點(diǎn)、出庫(kù)管理等操作。同時(shí)，將物品的貨位等信息通過(guò)WMS寫入物品標(biāo)簽。所以讀寫器總體結(jié)構(gòu)包括四個(gè)模塊：接收/發(fā)送模塊、控制模塊、對(duì)外接口模塊和供電管理模塊。射頻電路的發(fā)送和接收模塊均由射頻信號(hào)形成和信號(hào)處理兩個(gè)單元組成，射頻功率放大器對(duì)已形成的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，線性放大器對(duì)所接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大。所選芯片如表1所示。 

　　在射頻電路設(shè)計(jì)中，防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，是非常重要的環(huán)節(jié)。要選擇介電常數(shù)公差小的基材，并對(duì)電路的射頻部分和數(shù)字部分進(jìn)行分塊處理。射頻部分應(yīng)盡量使用SMT(表帖式)元件，減少過(guò)孔，并在表面加接地金屬屏蔽層。各模塊具體設(shè)計(jì)如下所述。 

．1 接收/發(fā)送模塊 

　　接收/發(fā)送模塊功能框圖如圖1所示。收/發(fā)及調(diào)制解調(diào)芯片選用TI公司的TRF6901，功率放大芯片選用Freescale半導(dǎo)體器件公司的 MW4IC915GMBR1芯片，線性信號(hào)放大芯片選用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片內(nèi)部集成了完整的射頻接收和發(fā)送電路，可以組成一個(gè)半雙工射頻收發(fā)電路。其工作頻率可以通過(guò)編程進(jìn)行微調(diào)，頻率范圍為860MHz~930MHz。MW4IC915是為GSM應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款寬頻帶功率放大芯片，它采用了Freeseale公司最新的大電壓LDMOSIC技術(shù)，可以工作在750MHz～1000MHz頻段內(nèi)，線性性能幾乎覆蓋整個(gè)應(yīng)用頻段。RF2132是砷化鎵異質(zhì)結(jié)器件(HBT)，能夠很好地滿足射頻電路對(duì)放大功率、效率以及供電電壓的要求。  

　　本設(shè)計(jì)中各芯片工作頻率為915MHz。TRF6901調(diào)制方式為OOK，這可通過(guò)將內(nèi)部B寄存器第4位置零來(lái)實(shí)現(xiàn)。    
TRF6901將所需發(fā)送信號(hào)通過(guò) PA引腳送至MW4IC915的REIN引腳，對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大之后，由天線發(fā)射出去；天線接收來(lái)的信號(hào)通過(guò)RF2132對(duì)其進(jìn)行線性信號(hào)放大，之后進(jìn) TRF6901的LNA引腳，由TRF6901對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，完成讀寫器前端的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。 

　　2．1．2 對(duì)外接口模塊  

　　圖2所示的對(duì)外接口模塊為電平轉(zhuǎn)換電路，主要器件為ICL232。ICL232芯片完成讀寫器內(nèi)部TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換，通過(guò)連接標(biāo)準(zhǔn)9針串口與外部計(jì)算機(jī)連接。它是一款符合EIA RS-232標(biāo)準(zhǔn)和V28規(guī)范的雙向RS-232發(fā)送，接收接口芯片，負(fù)責(zé)完成電路的TTL/CMOS電平到標(biāo)準(zhǔn)串口電平的轉(zhuǎn)換，并能通過(guò)滯后改善數(shù)據(jù)接收的噪聲抑制。引腳l與3之間接1μF電容，引腳2通過(guò)1μF電容接5V電源，三個(gè)引腳構(gòu)成+5V電平到+1OV電平的轉(zhuǎn)換電路；引腳4與5之間接1μF 電容，引腳6通過(guò)lμF電容接地，三個(gè)引腳構(gòu)成+IOV電平到-10V電平的轉(zhuǎn)換電路。 

　　2．1．3 控制模塊 

　　控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。讀寫器內(nèi)部控制任務(wù)主要由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速M(fèi)CU。同8051相比，它減少了機(jī)器指令執(zhí)行時(shí)間以及存儲(chǔ)周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持無(wú)外部存儲(chǔ)元件的片上1KBSRAM，節(jié)約了更多的I/O引腳。它擁有四個(gè)8位I/O端口和一個(gè)附加的4位I/O口以及等待狀態(tài)控制信號(hào)，三個(gè)16位定時(shí)，計(jì)數(shù)器，12個(gè)兩中斷優(yōu)先級(jí)的中斷源，兩個(gè)加強(qiáng)型全雙工串行通信端口以及可編程看門狗定時(shí)器；只需外加復(fù)位、晶體振蕩電路和供電電路即可。 

　　本設(shè)計(jì)中，W77E58工作頻率為40MHz。它的P1口連接TRF6901各個(gè)控制引腳，完成對(duì)收發(fā)芯片的控制并提供數(shù)據(jù)傳輸所需時(shí)鐘信號(hào)等；串口1連接TRF6901的數(shù)據(jù)收發(fā)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通信。MCU串口0連接芯片ICL232，通過(guò)異步通信完成數(shù)據(jù)傳輸，只要設(shè)定W77E58串口1工作在方式l，選擇與計(jì)算機(jī)同樣的波特率即可。該部分設(shè)計(jì)主要集中在程序設(shè)計(jì)部分，將Pl口當(dāng)作普通I/O口用即可。 

　　2．1．4 供電管理模塊 

　　供電管理模塊電路原理圖如圖4所示。LM317T是一個(gè)三端電壓調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)改變可變電阻R6的值，可提供1.2V～37V的供電電壓。同時(shí)提供IC負(fù)載過(guò)電保護(hù)。供電管理模塊電路的輸入端與輸出端均并聯(lián)一個(gè)適合于濾除低頻噪聲的鉭電容和一個(gè)適合于濾除高頻噪聲的獨(dú)石電容，以提高電源的品質(zhì)。 

　　2．2 軟件設(shè)計(jì) 

　　讀寫器軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和標(biāo)簽讀寫防沖突程序設(shè)計(jì)兩部分。 

　　2．2．1 主程序設(shè)計(jì)  

　　讀寫器應(yīng)用在物流儲(chǔ)管理中，需要連接上層WMS系統(tǒng)，所以讀寫器工作在PC機(jī)監(jiān)控之下，PC機(jī)與讀寫器以主從方式通信。如圖5所示，本設(shè)計(jì)中由于收發(fā)芯片內(nèi)部工作方式通過(guò)外部引腳連接MCU對(duì)內(nèi)部寄存器編程進(jìn)行控制，所以主程序中還包含工作方式修改程序，提高了讀寫器應(yīng)用的靈活性；同時(shí)還包括RSSI (信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè))，大大改善了讀取數(shù)據(jù)的正確性。MCU在完成了正常的上電復(fù)位以及初始化過(guò)程之后，PC機(jī)提示用戶是否要進(jìn)行內(nèi)部工作方式設(shè)定及修改，如果需要，則轉(zhuǎn)去處理工作方式修改程序，否則MCU進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)，準(zhǔn)備接收PC機(jī)發(fā)送的相關(guān)執(zhí)行指令。MCU接收到指令后轉(zhuǎn)去處理相關(guān)程序。處理完畢，返回結(jié)果信息并再次進(jìn)入等待狀態(tài)。 

．2．2 防沖突程序設(shè)計(jì) 

　　防沖突程序設(shè)計(jì)是讀寫器程序設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。當(dāng)讀寫器進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，在其天線覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽將被激活，處于等待狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)讀寫器指令操作，這就造成了標(biāo)簽讀寫沖突。為了解決這一問(wèn)題。標(biāo)簽內(nèi)部設(shè)計(jì)了自帶防沖突機(jī)制，只需利用相關(guān)的指令集輔助設(shè)計(jì)一種防沖突程序即可。防沖突程序流程圖如圖6所示。當(dāng)處于激話狀態(tài)的標(biāo)簽接收到讀寫器SELECT命令時(shí)，便發(fā)送自身UID給讀寫器。此時(shí)如果有一個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送UID，則讀寫器翔定沖突發(fā)生，發(fā)送FAIL命令給標(biāo)簽，標(biāo)簽通過(guò)內(nèi)部防沖突算法對(duì)自身相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行修改。之后，符合條件的標(biāo)簽將再次發(fā)送UID給讀寫器，由讀寫器判定沖突，重復(fù)上述操作，直到只有一個(gè)標(biāo)簽符合條件，則跳出防沖突程序，進(jìn)入標(biāo)簽后續(xù)處理程序，同時(shí)，剩余標(biāo)簽自動(dòng)修改自身相關(guān)數(shù)值，為下一次讀取做準(zhǔn)備；如果此時(shí)沒有符合條件的標(biāo)簽，則讀寫器發(fā)送SUCCESS命令，標(biāo)簽修改自身參數(shù)，等待讀寫器檢測(cè)命令。  

　　本文在深入分析當(dāng)前RFID系統(tǒng)在物流倉(cāng)儲(chǔ)管理領(lǐng)域應(yīng)用背景的基礎(chǔ)上，提出了一種基于物流倉(cāng)儲(chǔ)管理的讀寫器設(shè)計(jì)方法。該讀寫器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，生產(chǎn)成本低廉。今后將在實(shí)際的物流倉(cāng)儲(chǔ)管理中應(yīng)用該讀寫器，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的讀寫速度、距離、保密性等方面的一些問(wèn)題，對(duì)讀寫器設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的改進(jìn)，以使其總體性能有大幅度的提高，促進(jìn)RFID系統(tǒng)在我國(guó)物流倉(cāng)儲(chǔ)管理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。