基于RFID技术与无线传感器的智能库架管理系统设计

无线射频识别技术RFID 技术与互联网、通讯技术相结合可应用于物流、制造、公共信息服务等多个行业，RFID 在零售业也得到了广泛的应用，而且进展得最快。针对大型超市的库架管理提出了基于RFID 超市智能库架管理系统。将射频卡贴在货物上，所有货物信息都被存储在仓库的中央计算机里，与该货物有关的信息都能在计算机里查到。阅读器和天线放在仓库的进出口，无线中继终端按需布置，组成一个无线传感网络。当货物进出库架时，放置在进出口的阅读器会读出贴在货物上射频卡的信息并通过无线传感器网络传送至管理中心，这样管理中心可以实时地了解到货物的进出，掌握货物的销售情况，适时地调整进货的品种和数量。有助于解决零售业两个最大的难题： 商品脱销和损耗。同时，消费者也可以不必在收银台前排队，直接推着装满商品的小车出门，门口的计算机自动打印购物清单，改善购物环境，提高企业的竞争力。

1  射频识别技术（ RFID） 简介

RFID 技术是利用无线电波来进行通讯的一种非接触式自动识别技术。射频识别系统一般由3 部分构成： 应答器、阅读器和后台数据库应用软件。其基本原理是通过读头和粘附在物体上的标签之间的电磁耦合或者电感耦合来进行数据通讯以达到对标签物品的非接触式自动识别。由阅读器发送指令给天线，由天线发送无线电波"扫描"射频标签，射频标签接到信号后将数据信息返回成无线电波的形式，再由天线接收后解码成计算机可以使用的数据。

2 系统的整体框架设计

针对大型超市的智能库架管理的特点，系统主要包括：

RFID 识别系统、无线传感器网络、RFID 识别系统与无线终端的交互。

2. 1  RFID 射频识别系统

阅读器的主要功能是通过天线对应答器进行数据读写操作，与上位机进行通信，其一般含有射频模块、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，阅读器还有附加的接口以便将所获得的数据传输给另外的系统。

阅读器硬件系统主要由4 部分构成： 接口电路、控制单元、射频模块、天线组成，见图1.上位机通过接口电路与阅读器的控制单元连接，向控制单元发送读/写卡等命令，接收来自控制模块的数据与操作报告。控制单元与射频模块相连，在控制单元上运行的主程序根据具体情况控制射频模块操作。射频模块对数据进行调制后通过天线发送至应答器，并对从天线上接收的应答器返回信号进行解调。

图1  硬件系统构成框图

阅读器射频模块采用复旦微电子公司的FM1725 非接触式IC 卡芯片，其完成数据调制、解调的功能，对射频调制信号进行整流和发射。FM1725 芯片内部的发送器部分不需要增加有源电路就能直接驱动近操作距离的天线，同时接收器部分提供了一个可靠的解调和解码电路。其数字处理部分将并行的数据转换成串行，支持检查产生的帧、产生并检查奇偶和CRC 校验以及位编码和处理。此外，FM1725 还提供了一个SPI 兼容接口，其并行接口可以直接与8 位MCU 相连。

阅读器的控制单元采用ATMEL 公司生产的高性能8 位单片机AT 89S52, 其主要负责运行读写卡片的程序，提供FM1725 芯片的控制信号，通过RS232 接口完成与上位机或网络的数据通信。该单片机片内含8K 字节Flash 只读程序存储器，其空间大小足够将驱动及控制FM1725 射频芯片的程序写入，无需再外接其他外存储设备，简化了电路设计，提高了电路可靠性。

射频卡片采用无源的Mifar e 标准IC 卡MF1 IC S50, 卡片内有8K 位EEPROM, 它是数据的存储载体，通过阅读器的天线对其进行数据的读写操作。

基本操作流程见图2.用户先通过阅读器将信息写入MF1 IC S50 卡片内，当有MF1IC S50 卡片进入阅读器的天线工作范围内时，卡片被激活，阅读器发送读数据信号给卡片，卡片根据接收到的读数据信号将存储单元中指定的数据通过天线发送至阅读器，阅读器再将数据通过RS232 接口发送至上位机或网络。

图2  基本操作流程

2. 2  无线传感器网络

无线传感器网络由部署在监测区域内的许多个无线传感器网络节点组成，其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域宗感知对象的信息，并通过Ad ho c 方式传递给观察者。

2. 2. 1  传感器节点

无线传感器网络节点主要完成数据采集、处理和传输功能，通常由4 个单元组成。见图3.

图3 无线传感器网络节点的构成。

无线传感器网络节点中，微控制单元使用的是TI 公司的MSP430F19 型号单片机，无线传输单元使用的是I nteg rationAssociat es 公司的IA4420 芯片。

1） 微控制单元。T I 公司的MSP430 系列是一个16 位的、具有精简指令集的、超底功耗的混合型单片机。在无线传感器节点中。

2） 无线传输单元。无线传输单元采用的核心芯片是IA4420.它是Integ rat ion Asso ciates 公司推出的可编程、低功耗、多通道频移键控（ FSK） 的全双工射频收发一体芯片。

IA4420 可以工作在ISM（ 工业、科学、医学） 频段，分别是315、433、8 68 和915MH z.芯片的工作电压为2. 2~ 5. 4V, 采用低功耗模式，待机电流为0. 3uA, 采用FSK 调制模式，发射功率为5~ 8dBm 可调，在室外开阔地实测传输距离达200m 以上。

2. 2. 2  无线传感器网络协议

媒体访问控制协议简称MAC 协议，处于无线传感器网络协议的底层部分，以解决无线传感器网络中节点以怎样的规则共享媒体才能保证满意的网络性能问题。

MAC 协议对无线传感器网络的性能有很大的影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一，传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的M AC 协议。蜂窝电话网络、Ad- H o c 是当前主流的无线网络技术，但它们各自的MAC 协议都不适合无线传感器网络。GSM 和CDM A 中的媒体访问控制主要关心的是如何满足用户的Qo S要求和节省带宽资源，功耗是第二位的。Ad- H oc 网络考虑的则是如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的Qo S 要求，功耗也不是其首要关心的问题。而无线传感器网络的MAC 协议首要考虑的因素就是节省能量。这意味着传统网络的MAC 协议不适用于无线传感器网络，需要提出新的适用于无线传感器网络的MAC 协议。

针对IA4420 芯片在无线传感器网络中的应用，Integration 公司提出了新的MAC 层协议- EZMac 协议的协议框架。

EZMac 是基于C 语言的M AC 层协议，为无线收发器的应用设计提供节点间的物理层简单接口，管理信号的传输和从发送端到输出端的相关数据包的传送。

EZMac 的数据包较小，并支持使用收发器芯片内部波特率发生器的数据传送。EZMac 的状态机动作由一组存放于不同的寄存器中参数决定。MAC 引擎支持4 种基本模式： 休眠、空闲、传输和接收，其中休眠模式所消耗的能量最少，空闲模式次之，传输模式消耗的能量最多。这4 种模式可通过9 个基本状态来实现，这9 种状态是： 休眠、唤醒、空闲、检测DQD（ 数据质量检测） 、接收信息包、信息包有效、侦听、传输信息包、传输信息错误。EZMac 的状态转移流程图见图4.

图4  EZMac 的状态转移流程图

2. 3  无线终端与RFID 系统的交互

主要是RFID 系统中的阅读器读取信息后发送给无线终端，无线终端通过无线传感器网络传送给中央计算机。

3  结语

本文根据RFID 的技术特点，将RFID 应用于超市的智能库架管理； 并将RFID 技术与无线传感器网络相接合。RFID系统作为无线传感器网络的一个传感器节点，加上其他的传感器节点，如防火防盗传感器，可以组成一个综合性的智能超市监控系统。从而为超市的库架管理尽可能的进一步的降低商品附加成本提供了可能性，增加了超市在市场中的竞争力。在实际中，该RFID 应用系统具有一定的参考价值和现实意义。