1 引言
    　隨著近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展,，對外貿(mào)易成倍增加,，物流管理成為一個嚴峻的問題,。倉庫管理是物流管理中很重要的一個環(huán)節(jié),。我國倉庫管理的現(xiàn)狀不容樂觀，大多數(shù)倉庫還停留在比較原始的人工管理階段,，需要投入大量人力成本來對倉庫中貨物和進出倉庫的車輛,、集裝箱的信息進行登記管理,，這樣不但造成人力資源的浪費，而且有較高的出錯率,。
        近年來,，一些先進的現(xiàn)代化管理技術(shù)被引入到國內(nèi)，如建立數(shù)據(jù)庫來保存貨物信息,，被動式的電子標簽也被嘗試應用于貨物信息登記之中,。但是上述技術(shù)還是需要較多的人工操作，特別是信息的采集過程,，需要通過一些手持式設備,，來進行貨物和車輛的信息登記。
        無線射頻自動識別技術(shù)(Radio FrequencyIdentification,，俗稱電子標簽)是全球物流領域最新的應用技術(shù),，把RFID本身的技術(shù)優(yōu)點與倉庫管理的需求相結(jié)合，可以很好地解決目前倉庫管理中的問題,，提高工作效率,。本文結(jié)合有源RFID 技術(shù)，通過對倉庫環(huán)境的實地考察,，設計了從硬件到軟件的架構(gòu)系統(tǒng),，利用RFID 和無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)了一套具有實際使用價值,、高效且低成本的倉庫管理系統(tǒng),。
2 RFID技術(shù)概述
        RFID技術(shù)利用無線射頻方式在射頻讀寫器和射頻標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。識別工作無須人工干預,，反應速度快,，抗干擾能力強，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,。具有快速自動掃描,、體積小、信息容量大,、耐久性強,、可重復使用、安全保密性高,、便于攜帶等特點,。
        根據(jù)實現(xiàn)的方式不同，RFID 可分為兩類：有源RFID和無源RFID,。無源RFID的電子標簽上不帶電池,，其工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的閱讀器發(fā)送的電磁波而獲得，所以其閱讀器的發(fā)射功率一般較大,。與之相反,，有源RFID 的電子標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源,，因而相應閱讀器的發(fā)射功率要求不高,，而且有效閱讀距離也較前者有所增加。本文提出的倉庫管理系統(tǒng),，考慮到有源RFID的上述優(yōu)點,，基于此技術(shù)實現(xiàn)。
3 倉庫管理系統(tǒng)
3．1倉庫管理概述
        目前的倉庫管理主要分成三部分：一是進出貨物信息的記錄和管理：二是進出車輛(集裝箱)的相關信息的記錄,；三是倉庫內(nèi)集裝箱的定位,。對于前兩部分的需求，目前絕大多數(shù)的倉庫還是采用人工記錄的方法,，造成人力成本和出錯率高等問題,。本文所提出的基于有源RFID的倉庫管理系統(tǒng)主要用于滿足第一、第二部分的需求,，可以有效地提高倉庫管理的效率,。
3．2系統(tǒng)架構(gòu)
        整個倉庫管理系統(tǒng)如圖1所示。倉庫內(nèi)的貨物都是由貨車裝載,，通過倉庫大門運入倉庫內(nèi)的,。貨物有時放置在集裝箱內(nèi)，因此,，本系統(tǒng)中的RFID移動節(jié)點,，即標簽，通常安裝在貨車(集裝箱)內(nèi),。由于任何貨物進出倉庫都必須經(jīng)過大門,，因此RFID固定節(jié)點，即讀卡器,，被安裝在倉庫大門上,，它與客戶端PC機通過USB線相連接。同時,，PC客戶端又通過覆蓋整個倉庫的2．4G無線局域網(wǎng)與作為服務器端的PC機相連接,，而作為服務器端的PC機是整個系統(tǒng)的總控制臺。讀卡器收到的信息通過PC客戶端最終返回給PC控制臺,。

3．3硬件設計
        節(jié)點的硬件框圖如圖2,。其中控制芯片和射頻芯片分別選用Silicon C8051 F31 0 和ChipconCCI 1 O0。其中RFID 移動節(jié)點安裝了FreescaleMMA726O加速度傳感器,，用來獲取貨車(或集裝箱)當前的運動狀態(tài),。移動節(jié)點還利用MCU  內(nèi)部16KB大小的Flash儲存貨物信息。同時,，RFID固定節(jié)點安裝了FT232串口轉(zhuǎn)USB芯片,，用于和控制臺通過USB接口通訊,。電源方面，移動節(jié)點采用1100mA手機電池供電,，固定節(jié)點采用外接電源供電,。

                        
       本系統(tǒng)中RFID讀卡器和標簽之間的通訊頻率設置在433MHz，而是常見的2．4GHz,。采用433MHz作為射頻芯片通訊頻率,，基于以下考慮：433MHz頻率對傳輸環(huán)境要求較低，由于本系統(tǒng)是在倉庫中使用,，考慮到倉庫有大量的貨物堆放,，和移動節(jié)點可能被安裝在車輛(或集裝箱)內(nèi)，因此對于傳輸?shù)拇┩感砸筝^高,，相比之下,，2。4GHz更適合在空曠地點傳輸,。另外,，本系統(tǒng)對于傳輸?shù)木嚯x(1 00米左右)和速率的要求都不高，經(jīng)過實際測量后433MHz頻率完全可以勝任,。

4 軟件設計
4．1軟件體系結(jié)構(gòu)
        RFID節(jié)點的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示,。這里引入無線傳感器網(wǎng)絡(wSN)中物理層和介質(zhì)訪問控~J(MAC)層的概念，是將WSN技術(shù)與RFID技術(shù)的一種融合,。通過構(gòu)建這兩層協(xié)議棧,，可以使RFID系統(tǒng)具有更清晰的軟件體系結(jié)構(gòu)。

        在硬件之上,，是各個硬件模塊的驅(qū)動,，包括SPI、串口,、片內(nèi)Flash,、加速度傳感器和射頻芯片CC11 OO驅(qū)動。其中,，CC11 00驅(qū)動又是物理層的一部分,，提供了射頻芯片的頻率等參數(shù)設定和無線收發(fā)功能。物理層之上是本系統(tǒng)設計的MAC 層協(xié)議棧,。
        MAC層協(xié)議棧包括,，RFID數(shù)據(jù)包格式的定義、節(jié)點地址的分配和數(shù)據(jù)包的發(fā)送接受,。其中共定義了1
2種類型的RFID數(shù)據(jù)包,，4種用于門禁管理，8種用于貨物管理,；RFID的網(wǎng)絡地址由一個字節(jié)表示,；并設計了4個函數(shù)用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收,。在驅(qū)動和物理層之上，除MAC層之外,，還定義了一部分系統(tǒng)調(diào)用來提供MCU和射頻芯片的狀態(tài)切換,，移動節(jié)點運動狀態(tài)的探測和貨物管理中貨物信息在Flash上的記錄等功能。以上介紹的各協(xié)議層詳細結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

                          
       有了底層軟件結(jié)構(gòu)的支持，在最上層的軟件體系結(jié)構(gòu)對應的是OSI模型中應用層和網(wǎng)絡層的功能,，實現(xiàn)了門禁管理,、貨物管理等功能。這一層分為上下兩層,，下層對應網(wǎng)絡層的職能,，為RFID讀卡器和標簽之間的通信設計了一套帶低功耗算法的通信規(guī)約(見4。2節(jié)),?；诰W(wǎng)絡層的通信規(guī)約，門禁和貨物管理這兩大功能才能在應用層進行實現(xiàn),。

4．2 RFID通信規(guī)約
        如4．1節(jié)所述,，RFID讀卡器和移動節(jié)點之間的通信規(guī)約構(gòu)成倉庫管理系統(tǒng)兩大主要功能的軟件基礎。通信規(guī)約的設計主要分成兩部分,，一部分用于移動節(jié)點的定位時的數(shù)據(jù)通信,，另一部分用于貨物信息查詢和管理時的數(shù)據(jù)通信。
        首先,，本系統(tǒng)中采用了RSSI算法來對移動節(jié)點進行定位,，RSSI算法根據(jù)節(jié)點之間通信時信號的強弱作為定位的參數(shù)。但是由于信號強度與距離并非完全表現(xiàn)為單調(diào)關系,，所以根據(jù)實際測量的信號強度數(shù)據(jù),，把定位精度降低，以5米為單位,，把每5米內(nèi)的信號強度取平均值,，這樣就得到了信號強度和距離之間單調(diào)遞減的關系?；谶@點,，就可以根據(jù)RSSI算法對移動節(jié)點進行定位。
        具體定位過程如下：采用類似TCP／IP協(xié)議中二次握手協(xié)議,，確保通信的魯棒性,。讀卡器廣播位置查詢請求，此請求中包含代表不同范圍的N個閾值,。當移動節(jié)點接受到此請求,，檢測當前信號強度值,，把它與這N個閥值分別進行比較，確定自己目前所處的位置,，并進行應答,。當讀卡器接收到某個標簽的應答，則再向該標簽發(fā)送一個二次確認請求,，標簽回復此請求,。這時讀卡器才認為對這個標簽定位成功，并通過串口把結(jié)果返回到控制臺,。
       對于第二類貨物查詢管理的通信,，具體過程如下：PC控制臺向讀卡器發(fā)送貨物管理命令。貨物管理命令包括查詢,、修改,、增加和刪除某輛貨車(或某個集裝箱)中的貨物信息。當讀卡器接收到指令后,，把指令轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點,，移動節(jié)點根據(jù)指令的內(nèi)容，在內(nèi)部Flash中進行相應的操作,，如查詢和修改,，并把結(jié)果返回給讀卡器。讀卡器收到結(jié)果后返回給控制臺,，控制臺更新數(shù)據(jù)庫,。
4．3低功耗算法
       本系統(tǒng)中，移動節(jié)點設計成有源RFID,，那么低功耗就成為一個必須要解決的問題,。本系統(tǒng)中應用了以下幾個方法實現(xiàn)低功耗算法。首先,，移動節(jié)點不工作時出于睡眠狀態(tài),，平均3秒鐘喚醒一次，每次喚醒4ms左右,。由于睡眠狀態(tài)下功耗可以忽略不計,，因此實際使用的功耗約為喚醒狀態(tài)的1／1 000。其次,，移動節(jié)點可以利用加速度傳感器檢測當前自己的運動狀態(tài),，如果節(jié)點在移動中，說明貨物很可能正在通過倉庫大門,，這時為了監(jiān)控的正確性,，把喚醒時間縮短到0．5秒：而平時當節(jié)點靜止時，可以增加喚醒的時間間隔。這一方法可以使電量得到更好的分配,，進一步降低功耗,。其三，在進行定位時,，移動節(jié)點會記錄自己上次所處的位置,，如果在新的一次查詢中，自己位置并未發(fā)生變化,，則不再和讀卡器進行下一步通信,，直接進入睡眠狀態(tài)。

4．4數(shù)據(jù)加密
        此外,，由于RFID通過射頻芯片進行數(shù)據(jù)的傳輸,，傳輸過程的數(shù)據(jù)存在被截獲的可能，從而導致倉庫信息的泄露或被惡意更改,。因此，在系統(tǒng)應用層協(xié)議棧的設計中,，加入數(shù)據(jù)加密,。這樣保證了應用層以下處理的數(shù)據(jù)都是加密后的數(shù)據(jù)，也就是說傳輸過程的數(shù)據(jù)包都是經(jīng)過加密的,。當接受節(jié)點收到數(shù)據(jù)包,，并逐層解析到它的應用層是才會加密的信息在返回到控制臺后，才由控制臺進行解密,，這樣可以保證倉庫數(shù)據(jù)的安全性,，使此系統(tǒng)適用于對安全性要求較高的軍用倉庫中。
5 總結(jié)
        本文提出了基于有源RFID的倉庫管理系統(tǒng),，不僅給出了硬件設計方案和節(jié)點間的通信規(guī)約的設計,，并且加入低功耗算法，使得系統(tǒng)能切實地應用于倉庫管理,，對于提高倉庫的車輛和集裝箱進出管理,，以及記錄貨物信息有重要的實際意義，可以很大程度地降低人力成本,，提高效率,。