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一種基于無源RFID的智能倉庫物聯網關設計

時間:2020年04月30日 分類:電子論文 次數:

摘要:倉庫貨物種類繁多,貨物進出頻繁,傳統管理方式效率低下,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,實時讀取經過的貨物,以提高管理效率。閱讀

  摘要:倉庫貨物種類繁多,貨物進出頻繁,傳統管理方式效率低下,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,實時讀取經過的貨物,以提高管理效率。閱讀器讀取到的數據通過LoRa節點傳輸到網關,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自組網系統。在實際應用中,系統會根據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

物聯網技術

  0引言

  如今各類倉庫貨物通常采用傳統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調制的無線傳輸技術組網,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遠距離、長電池壽命、大容量的系統,進而擴展傳感網絡。

  1整體設計

  貨物箱體貼上無源RFID標簽,標簽內容對應貨物內容和特征,按照一定規則寫入。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節點直接連接,閱讀器通過LoRa節點將讀取到的數據實時發送給LoRa網關,網關和后臺管理系統通信。當貨物進出時,閱讀器將自動盤點貨物標簽內容,并記錄在系統中,由管理人員管理。

  LoRa節點與網關采用自組網方式連接,多個節點的數據匯聚到網關,網關與NS服務器采用3G/4G/Ethernet連接,將閱讀器數據發送到后臺服務器,后臺數據庫服務器保存所有的倉庫數據,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據信息的管理,對監控終端進行實時監控,由打印機打印各類相關數據。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物聯網關功能設計

  物聯網關采用TI335X硬件平臺,運行Linux4.1嵌入式系統,網關采用SX1301芯片作為基于LoRa調制的基帶芯片,選用SPI通信方式。可分配8個LoRa調制解調器給多個通道,它仲裁數據包的機制包括速率、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節點采用基于LoRa調制的基帶芯片SX1278來匹配網關,SX1278只有1個通道通信。無源RFID閱讀器與LoRa節點連接,所盤點的貨物標簽數據通過LoRa節點傳送到LoRa網關,之后進行后續處理。

  2.1組網方式

  節點與網關之間采用二級網絡連接。節點可與多個網關相連,網關與網關不進行直接交互。入網過程:節點向網關發送入網請求幀(含節點ID),網關在接收到入網請求幀后,會根據自身ID為節點分配一個KeyID,并返回節點。節點收到網關回復后,保存該KeyID,并在后續通信過程中,所有協議幀中均含有該KeyID。節點入網后,除了標簽盤點數據交互,節點和網關之間需保持心跳。一旦心跳多次無應答,則節點需重新入網。

  2.2通信參數確定

  LoRa通信采用擴頻技術實現超遠距離通信,頻段為433MHz/470MHz,可調。其擴頻因子為7~12,空曠情況下最遠通信距離超5km。在本文所述的應用中,需要根據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100m×100m的貨倉,采用1~2個LoRa網關即可滿足要求。

  2.3數據交互方式

  2.3.1節點主動上報

  在系統運行過程中,閱讀器持續實時盤點經過通道卡口的標簽數據,一旦盤點到則立即上報。

  2.3.2網關主動獲取

  需要查找貨物時,由網關下發盤點命令,分時對各貨架區域的閱讀器節點進行盤點操作。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容,由網關下發到無源閱讀器,閱讀器便會根據指定內容過濾無效標簽。為防止所有節點同時進行盤點和數據傳輸,引起碰撞,網關可以分時對各節點進行控制,根據節點的編號規則逐個下發請求命令。

  3無源閱讀器設計

  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《EPCC1GEN2/ISO18000-6C》標準協議,其頻段為840~960MHz,發射功率可調,步階間隔為1.0dBm,典型值為23dBm,最大發射功率為26dBm,最遠讀取距離為5m。無源RFID標簽閱讀器底板對外的通信波特率可調,支持串口常用通信速率。

  本文中閱讀器天線尺寸為(長×寬×厚):1570mm×590mm×45mm,該閱讀天線駐留時間和發射功率可根據使用需要進行設置;該閱讀天線阻抗為50Ω,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貨物進行群讀盤點,其群讀功能可以保證50次/s的標簽讀取速度,重復過濾機制可以避免重復上報。當需要盤點或者查找指定貨物時,只需設定對應的Mask過濾即可。

  4結語

  倉庫管理效率反映了企業的核心競爭力高低。本文針對現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系統,避免了因有線布網帶來的繁瑣和不便。采用無源RFID標簽對貨物進行管理,避免因傳統條形碼或二維碼的手動操作方式帶來的誤差。該管理系統功能全面且性能穩定可靠,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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  物聯網技術投稿刊物:《計算機應用與軟件》創刊于1984年,由上海市計算技術研究所和上海計算機軟件技術開發中心共同主辦,主要面向從事計算機應用和軟件技術開發的科研人員、工程技術人員、各大專院校師生、計算機愛好者。致力于創辦以創新、準確、實用為特色,突出綜述性、科學性、實用性,及時報道國內外計算機技術在科研、教學、應用方面的研究成果和發展動態的綜合性技術期刊,為國內計算機同行提供學術交流的平臺。