一种基于无源RFID的智能仓库物联网关设计

　　摘要：仓库货物种类繁多，货物进出频繁，传统管理方式效率低下，存在条码易复制、易损坏、人工成本高、货物难找等情况。文中系统采用无源RFID技术，将货物箱贴上无源RFID标签，在仓库关键卡口设置无源RFID阅读器，实时读取经过的货物，以提高管理效率。阅读器读取到的数据通过LoRa节点传输到网关，完成整个仓库的货物进出管理。文中设计了无源RFID读写器和LoRa自组网系统。在实际应用中，系统会根据仓库占地面积和货物类型进行阅读器和LoRa设备的配置。该方案大大提高了仓库货物管理效率，是智慧仓储的典型应用。

　　关键词：LoRa；RFID；无源阅读器；智慧仓储

　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-02

　　0引言

　　如今各类仓库货物通常采用传统的二维码或者条形码形式，当货物进出时采用扫描方式管理，或者采用手动盘点方式操作，不仅工作量大，还易出错，且当管理人员不清楚货物的具体位置时，需要人工查找货物位置。因此存在管理效率低下，货物查找困难等缺点。本文采用无源RFID标签管理货物，并采用基于LoRa调制的无线传输技术组网，进行全仓库的货物管理，可极大降低人工成本，提高仓库货物管理效率。LoRa是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，该传输方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供了一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。

　　1整体设计

　　系统整体结构如图1所示。货物箱体贴上无源RFID标签，标签内容对应货物内容和特征，按照一定规则写入。在货架或者通道的卡口位置安装标签阅读器，进行实时盘点。阅读器与LoRa节点直接连接，阅读器通过LoRa节点将读取到的数据实时发送给LoRa网关，网关和后台管理系统通信。当货物进出时，阅读器将自动盘点货物标签内容，并记录在系统中，由管理人员管理。

　　LoRa节点与网关采用自组网方式连接，多个节点的数据汇聚到网关，网关与NS服务器采用3G/4G/Ethernet连接，将阅读器数据发送到后台服务器，后台数据库服务器保存所有的仓库数据，包括入库、出库、移动、拣货、盘点等。最后由AS服务器完成自动识别货品和相关数据信息的管理，对监控终端进行实时监控，由打印机打印各类相关数据。当管理人员需要查找某个货物时，只需在后台填入对应货物名称，下发盘点命令即可通知阅读器进行货物查找，一旦找到对应货物，立即上报到后台。

　　2物联网关功能设计

　　物联网关采用TI335X硬件平台，运行Linux 4.1嵌入式系统，其功能结构如图2所示。

　　如图2所示，网关采用SX1301芯片作为基于LoRa调制的基带芯片，选用SPI通信方式。可分配8个LoRa调制解调器给多个通道，它仲裁数据包的机制包括速率、通道、射频和信号强度。每个通道可以接收SF7～SF12共6种速率的LoRa信号。

　　LoRa节点采用基于LoRa调制的基带芯片SX1278来匹配网关，SX1278只有1个通道通信。无源RFID阅读器与LoRa节点连接，所盘点的货物标签数据通过LoRa节点传送到LoRa网关，之后进行后续处理。

　　2.1组网方式

　　节点与网关之间采用二级网络连接。节点可与多个网关相连，网关与网关不进行直接交互。入网过程：节点向网关发送入网请求帧（含节点ID），网关在接收到入网请求帧后，会根据自身ID为节点分配一个KeyID，并返回节点。节点收到网关回复后，保存该KeyID，并在后续通信过程中，所有协议帧中均含有该KeyID。

　　节点入网后，除了标签盘点数据交互，节点和网关之间需保持心跳。一旦心跳多次无应答，则节点需重新入网。

　　2.2通信参数确定

　　LoRa通信采用扩频技术实现超远距离通信，频段为

　　433 MHz/470 MHz，可调。其扩频因子为7～12，空旷情况下最远通信距离超5 km。在本文所述的应用中，需要根据仓库占地面积大小和实际的通道、货架尺寸来确定。通常一个

　　100 m×100 m的货仓，采用1～2个LoRa网关即可满足要求。

　　2.3数据交互方式

　　2.3.1节点主动上报

　　在系统运行过程中，阅读器持续实时盘点经过通道卡口的标签数据，一旦盘点到则立即上报。

　　2.3.2网关主动获取

　　需要查找货物时，由网关下发盘点命令，分时对各货架区域的阅读器节点进行盘点操作。阅读器接收到主动盘点命令时，对标签进行盘点操作，一旦盘点到标签则立即上报。

　　2.3.3群读

　　当管理者需要获取某个系列的所有货物时，只需要通过设置特定标签过滤内容，由网关下发到无源阅读器，阅读器便会根据指定内容过滤无效标签。为防止所有节点同时进行盘点和数据传输，引起碰撞，网关可以分时对各节点进行控制，根据节点的编号规则逐个下发请求命令。

　　3无源阅读器设计

　　图3所示为本文所述无源RFID标签阅读器，包括电源模块、微处理器、读写器芯片、抗干扰处理单元。微处理器与阅读器芯片之间采用UART通信连接，阅读器芯片与抗干扰处理单元连接，电源模块的输出端分别为微处理器、阅读器芯片、抗干扰处理单元供电，电源模块的输入端通过无源RFID标签阅读器内置的电源输入接口与对外供电电源连接。

　　无源RFID标签阅读器支持《EPC C1 GEN2/ISO18000-6C》标准协议，其频段为840～960 MHz，发射功率可调，步阶间隔为1.0 dBm，典型值为23 dBm，最大发射功率为26 dBm，最远读取距离为5 m。无源RFID标签阅读器底板对外的通信波特率可调，支持串口常用通信速率。

　　本文中阅读器天线尺寸为（长×宽×厚）：1 570 mm×

　　590 mm×45 mm，该阅读天线驻留时间和发射功率可根据使用需要进行设置；该阅读天线阻抗为50 ，最大功率为10 W，增益为（8.5±0.5）dBi，驻波比≤1.3。

　　在本文中，可以通过所述阅读器对货物进行群读盘点，其群读功能可以保证50次/s的标签读取速度，重复过滤机制可以避免重复上报。当需要盘点或者查找指定货物时，只需设定对应的Mask过滤即可。

　　4结语

　　仓库管理效率反映了企业的核心竞争力高低。本文针对现有仓库管理解决方案的不足，设计了基于LoRa传输技术的无线自组网系统，避免了因有线布网带来的繁琐和不便。采用无源RFID标签对货物进行管理，避免因传统条形码或二维码的手动操作方式带来的误差。该管理系统功能全面且性能稳定可靠，已成功应用于中大型仓库管理中，极大地降低了人工成本，提高了管理效率。

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　　吴缙峰，龚结龙

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