【正文】 基于 RFID 技術(shù)的智能倉儲管理系統(tǒng)總體設(shè)計方案RFID 物流倉庫系統(tǒng)的目標(biāo)是在倉庫體系中建立一條基于 。企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營的決策需要倉儲及時地把存貨信息反饋給管理部門，在充分掌握物品的存糧、儲備、存放地點、消費速29 / 38度的情況下，才恩能夠驚醒準(zhǔn)確的生產(chǎn)和經(jīng)營決策?？梢哉f，倉儲要實現(xiàn)提高效率、降低損耗，從而降低成本就必須實現(xiàn)信息化。(2)倉儲信息化、信息網(wǎng)絡(luò)化對于存貨品種繁多、存量巨大的物流與配送中心，要提高倉庫利用率，保持高效率的存貨流轉(zhuǎn)，實施景區(qū)的存貨控制，沒有計算機(jī)的信息管理和處理是不可能實現(xiàn)的。在自動化倉庫中貨物倉儲管理、環(huán)境管理、作業(yè)控制等倉儲工作，通過住處管理、掃描技術(shù)、條形碼、射頻通信、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，指揮倉庫堆垛機(jī)、傳送帶、自動導(dǎo)引車、自動分揀等設(shè)備自動完成倉儲作業(yè)；自動控制空調(diào)、監(jiān)控設(shè)備、制冷設(shè)備進(jìn)行環(huán)境管理；向運輸設(shè)備下達(dá)運輸指令安排運輸?shù)?；并同時完成單證、報表的制作和傳遞。倉儲企業(yè)應(yīng)通過機(jī)械化實現(xiàn)最低的人力作業(yè)，加大企業(yè)集成度，減少人身傷害和貨物損害，提高作業(yè)效率的目標(biāo)，隨著貨物運輸包裝向著大型化，托盤化的發(fā)展，倉儲也必然要向機(jī)械化過渡。機(jī)械具有承重能力強(qiáng)、效率高、工作時間久、損害低等多種特點。充分利用已有的倉儲資源的倉儲社會化，提高倉儲效率和倉儲業(yè)分工發(fā)展的專業(yè)化功能，加速滿足社會生產(chǎn)發(fā)展和促進(jìn)物流效率提高的倉儲標(biāo)準(zhǔn)化，提高倉儲自身效率，實現(xiàn)倉儲管理的現(xiàn)代化。不少倉庫處在“貨物進(jìn)不來出不去” ，商品在庫滯留時間過長，或保管不善而破損、霉變，損失嚴(yán)重，加大了物流成本。28 / 38第五章 基于 RFID 技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā) 倉儲管理現(xiàn)狀在長期的計劃經(jīng)濟(jì)體制下，倉儲業(yè)形成了以部門管理為主的管理體制，大部分倉庫設(shè)備陳舊落后。（2）空間復(fù)雜度分析特別地，當(dāng)識別標(biāo)簽所發(fā)查詢指令 Request（ID）的碰撞位服從左右對稱分布時，L位 ID，用動態(tài)調(diào)整算法發(fā)送的平均查詢指令長度為 L／2，與后退式算法固定的 L 位長度相比，節(jié)省了 50％的查詢信息量。設(shè)在整個識別過程中探測到 M 次只有 1 個碰撞位，通過動態(tài)調(diào)整二進(jìn)制樹形算法的直接識別相當(dāng)于減少了二進(jìn)制搜索樹的　M 個葉子結(jié)點（圖 所示），此時只需查詢指令發(fā)送次數(shù)為：S（N）＝2*（N－M）－1 （3）圖 1 位碰撞直接識別演示圖特別地，當(dāng) 2N個標(biāo)簽第一次發(fā)送 Request（1）識別指令只探測出 N 個碰撞位時，可知識別過程中將出現(xiàn)連續(xù)的 1 位碰撞，此時：M＝2 N/2＝2 N－1 （4）閱讀器識別 2N個標(biāo)簽的查詢次數(shù)為：S（2 N）＝2*（2 N－2 N－1 ）－1＝2 N－1 （5）系統(tǒng)的有效服務(wù)率即吞吐率為：K＝2 N/S（2 N）＝2 N/(2N－1)＝1 （6）對比后退式二進(jìn)制樹形搜索算法需要發(fā)送次 S（2 N）＝2 N＋1 －1 查詢指令，而系統(tǒng)吞吐率為 K＝0．5。后退式二進(jìn)制算法閱讀器識別 N 個標(biāo)簽的查詢次數(shù)為：S（N）＝2N－1 （1）系統(tǒng)的有效服務(wù)率即吞吐率為：K＝N／S（N）＝0．5 （2）以下對比動態(tài)調(diào)整算法和后退式算法的復(fù)雜度：一般性分析：由于動態(tài)調(diào)整二進(jìn)制樹形搜索算法是基于后退式二進(jìn)制樹形算法，在最不理想的情況下，也可以保持 N 個標(biāo)簽的查詢次數(shù)為 S（N）＝2N－1。指令 第 1 次發(fā)送 第 2 次發(fā)送 第 3 次發(fā)送Request 1 1100 1TAG1 11001011 11001011 （靜默）TAG2 11001001 11001001 （靜默）TAG3 11010100 （不應(yīng)答） 11010100TAG4 11011100 （不應(yīng)答） 11011100接收解碼 110xxxxx 識別 11001011 識別 11010100 11011100 1100100126 / 38由此可見，動態(tài)調(diào)整二進(jìn)制樹形搜索算法比后退式二進(jìn)制樹形算法有明顯的改進(jìn)，能更高效、快速進(jìn)行標(biāo)簽讀寫。規(guī)定Request（ID）為標(biāo)簽把自己的 ID 號與 Request 指令攜帶 ID 值比較，若小于或等于，則此標(biāo)簽回送其 ID 給閱讀器。發(fā)送過程如表 所示。同樣分別執(zhí)行 Quiet 指令，屏蔽掉這兩個標(biāo)簽，使它們都處于“靜默”狀態(tài)。第 3 次，閱讀器發(fā)送　Request（1）命令；TAG4 應(yīng)答；同理閱讀器可解碼得 ID數(shù)據(jù)為：1101x100。最后分別執(zhí)行 Quiet指令，屏蔽掉兩個標(biāo)簽，使它們都處于“靜默”狀態(tài)。因為只有一個碰撞位，閱讀器可以直接識別出存在 ID 為 11001001 和 ID 為 11001011 的兩個標(biāo)簽?？傻孟乱淮?Request 命令所需的 ID 參數(shù)為：1100。碰撞的最高位為 D4 位。表 ID 參數(shù)表TAG ID1 110010112 110010013 110101004 11011100開始，閱讀器對區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽處于未知狀態(tài)，所以發(fā)送 Request（1）命令，要求區(qū)域內(nèi)所有的標(biāo)簽應(yīng)答。識別標(biāo)簽后，判斷剛才發(fā)送的指令是否為 Request（1） ，若為 Request（1）則發(fā)送結(jié)束，否則下一次 Request 命令所需的 ID 參數(shù)，采用后退策略，由其相鄰的上次發(fā)送指令確定。若有多位碰撞發(fā)生時，將碰撞的最高位置 0，高于該位的數(shù)值位不變，低于該位的數(shù)值位忽略，得到下一次 Request 命令所需的 ID 參數(shù)。檢測是否有 1 位碰撞位發(fā)生。當(dāng)標(biāo)簽離開閱讀器的作用范圍（等于沒有供應(yīng)電壓）后復(fù)位。Quiet（ID）—靜默指令。Read－Write—讀寫指令。Select（ID）—選擇指令。如 Request（10）表示 ID開始兩位為 10 的所有標(biāo)簽應(yīng)答。該 ID 長度小于或等于標(biāo)簽的 ID 長度。假如有兩個標(biāo)簽，其 ID 號為 10011111 和 10111011，利用 Manchester 可識別出 3 和 6 位碰撞。當(dāng)兩個或多個標(biāo)簽同時返回的數(shù)位有不同之值時，則上升沿和下降沿互相抵消，以至無狀態(tài)跳變，閱讀器可知該位出現(xiàn)碰撞，產(chǎn)生了錯誤，應(yīng)進(jìn)一步搜索。①Manchester 編碼與防沖撞該編碼用邏輯“1”表示發(fā)送數(shù)據(jù)由 1 到 0 的轉(zhuǎn)變即下降沿跳變，用邏輯“0”表示發(fā)送數(shù)據(jù)由 0 到 1 的轉(zhuǎn)變即上升沿跳變。動態(tài)調(diào)整二進(jìn)制樹形搜索法具有以下兩個特點：（1）發(fā)送指令長度動態(tài)調(diào)整，只發(fā)送位數(shù)高于或等于沖突位的指令位，有效減少發(fā)送指令長度。 動態(tài)調(diào)整二進(jìn)制樹形搜索法用 Manchester 編碼判別位碰撞，保持后退式二進(jìn)制樹算法的后退機(jī)理，提出動態(tài)調(diào)整二進(jìn)制樹形搜索的改進(jìn)算法。但其發(fā)送指令長度比較固定，仍需進(jìn)一步改善。動態(tài)二進(jìn)制算法對發(fā)送指令長度進(jìn)行了研究，但未對多個標(biāo)簽的連續(xù)有序性讀取進(jìn)行分析。目前樹分叉算法主要有 IS018000－6B 的二進(jìn)制搜索算法、動態(tài)二進(jìn)制防沖撞算法、后退式二進(jìn)制樹形搜索算法等。由于 ALOHA 算法隨機(jī)性大，當(dāng)大量標(biāo)簽并存時，幀沖突嚴(yán)重，引起性能急劇惡化，不適宜大規(guī)模標(biāo)簽讀取。其中，TDMA 時分多址方式由于應(yīng)用23 / 38簡單，容易實現(xiàn)大量標(biāo)簽的讀寫，所以被多數(shù)防沖撞算法采用。 防沖突算法研究由于 RFID 的沖撞問題主要是標(biāo)簽沖撞問題，故以下針對 RFID 的標(biāo)簽防沖撞問題進(jìn)行分析。由于整個閱讀器系統(tǒng)一般是一個靜止的體系，只需在全局上合理分配時間和頻率就可有效地克服閱讀器碰撞問題。標(biāo)簽沖撞是指多個標(biāo)簽同時響應(yīng)閱讀器的命令而發(fā)送信息，引起信號沖突，使讀寫器無法識別標(biāo)簽。由于 EPC 標(biāo)準(zhǔn)和 ISO 標(biāo)準(zhǔn)在 RFID 系統(tǒng)上主要采用無源標(biāo)簽和 RTF 的工作方式，所以一般的防沖撞技術(shù)都基于無源標(biāo)簽和 RTF 方式。由于閱讀器和標(biāo)簽通信共享無線信道，閱讀器和標(biāo)簽的信號可能發(fā)生沖突，使閱讀器不能正確識別標(biāo)簽，即發(fā)生了碰撞（Collision ） 。這些都是選擇編碼方法的考慮因素 。在 RFID 系統(tǒng)中，當(dāng)電子標(biāo)簽是無源標(biāo)簽時，經(jīng)常要求基帶編碼在每兩個相鄰數(shù)據(jù)位元間具有跳變的特點，這種相鄰數(shù)據(jù)間有跳變的碼，不僅可以保證在連續(xù)出現(xiàn)“0”的時候?qū)﹄娮訕?biāo)簽的能量供應(yīng)，而且便于電子標(biāo)簽從接收到的碼中提取時鐘信息患。為了保證系統(tǒng)的正常工作，信道編碼方式首先必須保證不能中斷讀寫器對電子標(biāo)簽的能量供應(yīng)。用 XOR 門的 D 觸發(fā)器就能很容易地從 NRZ 信號中產(chǎn)生差動編碼，具體電路如圖 所示。因此，對接收器來說，位節(jié)拍比較容易重建。圖 差動雙相編碼（5）米勒（Miller）編碼米勒編碼在半個位周期內(nèi)的任意邊沿表示二進(jìn)制“1” ，而經(jīng)過下一個位周期中不變的電平表示二進(jìn)制“0” 。此外，在每個位周期開始時，電平都要反相。單極性歸零編碼可用來提取位同步信號。當(dāng)多個電子標(biāo)簽同時發(fā)送的數(shù)據(jù)位有不同值時，接收的上升邊和下降邊互相抵消，導(dǎo)致在整個位長度內(nèi)是不間斷的副載波信號，由于該狀態(tài)不允許，所以讀寫器利用該錯誤就可以判定碰撞發(fā)生的具體位置。圖 曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼在采用負(fù)載波的負(fù)載調(diào)制或者反向散射調(diào)制時，通常用于從電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸，因為這有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤。（2）曼徹斯特（Manchester）編碼曼徹斯特編碼也被稱為分相編碼（Split－Phase Coding） 。（1）反向不歸零（NRZ，Non Return Zero）編碼反向不歸零編碼用高電平表示二進(jìn)制“1” ，低電平表示二進(jìn)制“0” ，如圖 所示。 RFID數(shù)據(jù)傳輸常用編碼格式可以用不同形式的代碼來表示二進(jìn)制的“1”和“0” 。解調(diào)器的作用是解調(diào)獲取信號，以便再生基帶信號。調(diào)制器用于改變高頻載波信號，即使載波信號的振幅、頻率或相位與調(diào)制的基帶信號相關(guān)。按讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸方向，是讀寫器（發(fā)送器）中的信號編碼（信號處理）和調(diào)制器（載波電路） ，傳輸介質(zhì)（信道） ，以及電子標(biāo)簽（接收器）中的解調(diào)器（載波回路）和信號譯碼（信號處理）。讀寫器和電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成了與基本通信模型相類似的結(jié)構(gòu)。應(yīng)答器是 RFID 系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。 閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是 RFID 系統(tǒng)信息控制和處理中心。 一套完整的 RFID 系統(tǒng), 是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部份所組成, 其工作原理是 Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給 Transponder, 用以驅(qū)動 Transponder 電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時 Reader 便依序接收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。從應(yīng)用評價標(biāo)準(zhǔn)來說，使用者在應(yīng)用軟件端的用戶體驗是判斷一個 RFID 應(yīng)用案例成功與否的決定性因素之一。 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件（application software）是直接面向 RFID 應(yīng)用最終用戶的人機(jī)交互界面，協(xié)助使用者完成對讀寫器的指令操作以及對中間件的邏輯設(shè)置，逐級將 RFID 原子事件轉(zhuǎn)化為使用者可以理解的業(yè)務(wù)事件，并使用可視化界面進(jìn)行展示。中間件在 RFID 應(yīng)用中除了可以屏蔽底層硬件帶來的多種業(yè)務(wù)場景、硬件接口、適用標(biāo)準(zhǔn)造成的可靠性和穩(wěn)定性問題，還可以為上層應(yīng)用軟件提供多層、分布式、異構(gòu)的信息環(huán)境下業(yè)務(wù)信息和管理信息的協(xié)同。RFID 標(biāo)簽芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括射頻前端、模擬前端、數(shù)字基帶處理單元和 EEPROM 存儲單元四部分。RFID 標(biāo)簽中存儲一個唯一編碼，通常為 64bits、96bits 甚至更高，其地址空間大大高于條碼所能提供的空間，因此可以實現(xiàn)單品級的物品編碼。 電子標(biāo)簽RFID 標(biāo)簽俗稱電子標(biāo)簽，也稱應(yīng)答器（tag, transponder, responder） ，根據(jù)工作方式可分為主動式（有源）和被動式（無源）兩大類，本文主要研究被動式 RFID 標(biāo)簽及系統(tǒng)。天線在 RFID 系統(tǒng)中的重要性往往被人們所忽視，在實際應(yīng)用中，天線設(shè)計參數(shù)是影響 RFID 系統(tǒng)識別范圍的主要因素。RFID 系統(tǒng)中包括兩類天線，一類是 RFID 標(biāo)簽上的天線，由于它已經(jīng)和 RFID標(biāo)簽集成為一體，因此不再單獨討論，另一類是讀寫器天線，既可以內(nèi)置于讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。在物聯(lián)網(wǎng)中，讀寫器將成為同時具有通訊、控制和計算（munication, control, puting）功能的 C3 核心設(shè)備。在上傳數(shù)據(jù)時，讀寫器會對 RFID 標(biāo)簽原子事件進(jìn)行去重過濾或簡單的條件過濾，將其加工為讀寫器事件后再上傳，以減少與中間件及應(yīng)用軟件之間數(shù)據(jù)交換的流量，因此在很多讀寫器中還集成了微處理器和嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)一部分中間件的功能，如信號狀態(tài)控制、奇偶位錯誤校驗與修正等。16 / 38第三章 RFID 系統(tǒng)組成及工作原理 RFID 系統(tǒng)組成 閱讀器讀寫器也稱閱讀器、詢問器（rea