摘要：在分析RFID的物流倉儲管理應(yīng)用背景的基礎(chǔ)上，對設(shè)計所用標(biāo)簽進(jìn)行了簡要說明，提出了一種RFID讀寫器設(shè)計方案，重點(diǎn)設(shè)計了RFID讀寫器硬件和軟件模塊。其中，硬件模塊設(shè)計主要包括接收/發(fā)送模塊、對外接口模塊、控制模塊和供電管理模塊；軟件模塊設(shè)計主要包括主程序設(shè)計和防沖突程序設(shè)計兩部分。
關(guān)鍵詞：物流倉儲管理RFID讀寫器標(biāo)簽
RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)是一種利用無線射頻通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識別的非接觸自動識別技術(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。
目前，世界范圍內(nèi)針對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EPC(Electronic Production Code，電子產(chǎn)品代碼)環(huán)球協(xié)會提出的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)用的電磁檢測工作已經(jīng)基本完成，我國最為關(guān)心的是ISOl8000~6標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上EPC標(biāo)準(zhǔn)和IS018000并不矛盾，對于物流應(yīng)用，EPC標(biāo)準(zhǔn)則更為完善。
另外，對于物流應(yīng)用來說，成本是企業(yè)最關(guān)心的問題。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射頻允許采用相對較小的方向性天線，這將使讀寫器的輻射波束定向到一個特定的區(qū)域，這種特點(diǎn)使讀寫器能夠抵御來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)在我國物流倉儲管理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，本文提出了一種基于物流倉儲管理應(yīng)用的讀寫器設(shè)計方法。該讀寫器的設(shè)計參照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)計簡單，應(yīng)用靈活，生產(chǎn)成本低廉。
1 標(biāo)簽功能簡介
本設(shè)計所采用的標(biāo)簽為工作在860MHz～960MHz的長距離無源標(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CRC進(jìn)行差錯校驗(yàn)。同時，還通過曼徹斯特編碼以及FM0編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)，以此來保證數(shù)據(jù)的安全性。讀寫器通過外部命令結(jié)合標(biāo)簽內(nèi)部防沖突算法來實(shí)現(xiàn)多個標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時讀取與寫入。
2 RFID讀寫器設(shè)計
2．1 硬件設(shè)計
RFID讀寫器應(yīng)用在倉儲管理中，除完成簡單的射頻信號收發(fā)處理之外，還需要連接上層倉庫管理系統(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)完成倉庫的入庫、盤點(diǎn)、出庫管理等操作。同時，將物品的貨位等信息通過WMS寫入物品標(biāo)簽。所以讀寫器總體結(jié)構(gòu)包括四個模塊：接收/發(fā)送模塊、控制模塊、對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形成和信號處理兩個單元組成，射頻功率放大器對已形成的射頻信號進(jìn)行功率放大，線性放大器對所接收到的射頻信號進(jìn)行線性放大。所選芯片如表1所示。

在射頻電路設(shè)計中，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，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層。各模塊具體設(shè)計如下所述。
2．1．1 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，可以組成一個半雙工射頻收發(fā)電路。其工作頻率可以通過編程進(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放大功率、效率以及供電電壓的要求。

本設(shè)計中各芯片工作頻率為915MHz。TRF6901調(diào)制方式為OOK，這可通過將內(nèi)部B寄存器第4位置零來實(shí)現(xiàn)。TRF6901將所需發(fā)送信號通過PA引腳送至MW4IC915的REIN引腳，對信號進(jìn)行功率放大之后，由天線發(fā)射出去；天線接收來的信號通過RF2132對其進(jìn)行線性信號放大，之后進(jìn)TRF6901的LNA引腳，由TRF6901對接收信號進(jìn)行處理，完成讀寫器前端的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。
2．1．2 對外接口模塊
圖2所示的對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，通過連接標(biāo)準(zhǔn)9針串口與外部計算機(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1μF電容接5V電源，三個引腳構(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lμF電容接地，三個引腳構(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)行時間以及存儲周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持無外部存儲元件的片上1KBSRAM，節(jié)約了更多的I/O引腳。它擁有四個8位I/O端口和一個附加的4位I/O口以及等待狀態(tài)控制信號，三個16位定時，計數(shù)器，12個兩中斷優(yōu)先級的中斷源，兩個加強(qiáng)型全雙工串行通信端口以及可編程看門狗定時器；只需外加復(fù)位、晶體振蕩電路和供電電路即可。

本設(shè)計中，W77E58工作頻率為40MHz。它的P1口連接TRF6901各個控制引腳，完成對收發(fā)芯片的控制并提供數(shù)據(jù)傳輸所需時鐘信號等；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，選擇與計算機(jī)同樣的波特率即可。該部分設(shè)計主要集中在程序設(shè)計部分，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是一個三端電壓調(diào)節(jié)裝置，通過改變可變電阻R6的值，可提供1.2V～37V的供電電壓。同時提供IC負(fù)載過電保護(hù)。供電管理模塊電路的輸入端與輸出端均并聯(lián)一個適合于濾除低頻噪聲的鉭電容和一個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
讀寫器軟件設(shè)計主要包括主程序設(shè)計和標(biāo)簽讀寫防沖突程序設(shè)計兩部分。
2．2．1 主程序設(shè)計
讀寫器應(yīng)用在物流倉儲管理中，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)計中由于收發(fā)芯片內(nèi)部工作方式通過外部引腳連接MCU對內(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；同時還包括RSSI(信號強(qiáng)度檢測)，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)。
2．2．2 防沖突程序設(shè)計
防沖突程序設(shè)計是讀寫器程序設(shè)計中的一個重要組成部分。當(dāng)讀寫器進(jìn)入工作狀態(tài)時，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。為了解決這一問題。標(biāo)簽內(nèi)部設(shè)計了自帶防沖突機(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，便發(fā)送自身UID給讀寫器。此時如果有一個以上的標(biāo)簽同時發(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)簽通過內(nèi)部防沖突算法對自身相關(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，剩余標(biāo)簽自動修改自身相關(guān)數(shù)值，為下一次讀取做準(zhǔn)備；如果此時沒有符合條件的標(biāo)簽，則讀寫器發(fā)送SUCCESS命令，標(biāo)簽修改自身參數(shù)，等待讀寫器檢測命令。

本文在深入分析當(dāng)前RFID系統(tǒng)在物流倉儲管理領(lǐng)域應(yīng)用背景的基礎(chǔ)上，提出了一種基于物流倉儲管理的讀寫器設(shè)計方法。該讀寫器設(shè)計簡單，應(yīng)用靈活，生產(chǎn)成本低廉。今后將在實(shí)際的物流倉儲管理中應(yīng)用該讀寫器，并針對實(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題，對讀寫器設(shè)計做進(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)在我國物流倉儲管理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。