基于RFID电子标签的物流控制系统的设计

1 引言

物流（logistics）指商品在空间和时间上的位移，包括采购配送、生产加工和仓储加工包装等流通环节中的物流情况，强调以满足顾客的需求服务为目标，追求物流过程的持续改进和创新。在电子商务环境下，物流管理建立在现代信息技术和先进管理思想基础之上，成为一种集成化的运作模式。随着供应链管理(SCM，Supply Chain Management)的兴起，物流管理被纳入到其中。在供应链概念中强调营销、物流及产品之间的相互关系和互动作用。物流不再是作为一个单一的实体存在，而成为现代化管理体系中的重要环节。物流管理也不再局限于自身范围，而是与整个生产、流通过程息息相关。

物流的管理离不开信息技术的应用。RFID 电子标签是时下最为先进的非接触感应技术，因其独有的非接触、阅读速度快、无磨损、寿命长、便于使用等特点，现正广泛应用于各个行业、领域。采用RFID 电子标签技术，货场可以收集进出的货柜车的各种信息，并将数据通过互连网综合传送到物流控制中心。有些重要的货物，如剧毒品、危险品等，需要对货物从装载、运输、出库和入库等作全程的物流监测与控制，及时掌握货物的信息，出现不安全的因素时能够及时报警并记录位置信息，便于人员进行追找。因此，不仅仅需要读取标签信息，更重要的是需要和局域网、Internet、GPS、GPRS 等连接，构成完整的监控系统。

传统物流控制系统的问题是技术分散，数据库控制部分往往和货物进出系统脱节，而货物的运输检测是独成一体。本系统以电子标签记录货物信息，IC 卡装载人员身份信息，系统通过GPRS 与互连网相连，数据库能实时刷新数据，监控整个物流的过程，与传统物流控制系统相比，大大提高了系统的效率和安全性。

2 系统总体设计

整个系统分为移动物流数据终端和基地控制中心两部分，其中移动物流数据终端安装在货物的进（出）库处及运输货车上，通过GPS 获得位置信息，通过GPRS 实时向基地控制中心发送位置信息，中心通过互连网将数据转送至物流控制中心数据库，见图1。各部分模块功能如下：

图1 物流控制系统结构图

2.1 移动物流数据终端
移动物流数据终端由中央控制器及RFID 识读模块、GPS接收模块、IC 卡身份识别模块、GPRS 模块组成。

（1）电子标签识别装置
每个货物上分配一个电子标签，电子标签上携带的信息具有唯一性。当货物入或者出库时及在运输过程中，电子标签识别装置通过天线对标签上的数据进行读取，把货物的信息记录下来，利用GPRS 短信服务传递给远程监控系统。
（2）GPS 定位装置
GPS 定位装置的功能是通过接收卫星信号计算出货物的具体位置，这是货物的全程监控的基础数据。
（3）IC 卡身份识别模块
IC 卡身份识别模块主要完成对货物的操作人员的身份和权限的认证，以及操作日志的记录。要求对货物进行操作的人员必须有明确的身份和合法的权限，对特种货物的全程监控包括从货物登记、出入库、上下火车、途中押运等，当非法用户或不具备权限的用户强行操作货物（如火车偷盗事件）时，将产生实时报警信息。合法用户的操作将记录操作的时间、操作类型信息。
（4）GPRS 模块
系统的GPRS 模块利用手机模块和SIM卡，进行短消息的发送，发送的短消息包括货物的登记信息、运输人员、上下车、位置信息、报警信息等。

2.2 基地控制中心
（1）GPRS 通信处理机
GPRS 通信处理机负责接收各货物发来的短消息，通过互连网将数据传给控制中心。
（2）基地控制中心管理系统
基地控制中心管理系统采用了客户机/服务器和浏览器/服务器结构相结合的体系结构。B/S 结构部分提供非专业人员通过INTERNET 或INTRENET 网络进行信息查询。为使网络查询系统更加人性化，B/S 结构软件前端界面采用了地理信息系统，把各种数据信息放在地图上，当货物不断送来定位信息时，货物在地图上的位置也在不断改变，通过WEB 服务器和GIS 发布服务器把各种信息发布出去。C/S 结构部分主要完成用户管理、卡管理、设备管理、图纸管理、地理信息管理等系统维护功能，同时完成控制命令的下达功能，客户端放在监控中心，每个功能操作都有权限的限制。

3 电子标签识读模块设计

读取RFID 电子标签中的设备信息可由ASIC 芯片RIR6C-001A 来实现。RI- R6C- 001A 是TI 公司最新开发的针对RFID 读写的多协议收发器，支持的协议包括：Tag–it 协议，ISO15693- 2，ISO14443- 2（TYPE A），因此可读写多种电子标签，适用范围广。由于RI- R6C- 001A 对外只提供四个引脚：SCLOCK（串行时钟）、DIN（串行数据输入）、DOUT（串行数据输出）和M- ERR（Manchester 协议错误标志）,其硬件接口电路相对简单，SCLOCK、DIN 和DOUT 分别连接MCU 的SPI 串行接口SCK、MOSI 和MISO 上。时钟线是双向的,发送数据时由MCU 控制, 接收数据时则由ASIC 控制，ASIC 在时钟的上升沿锁存数据。DOUT 除了具有在接收数据期间的数据输出功能外, 还有表征ASIC 内部FIFO 的功能。M- ERR 线用于在同时读多张卡的时候表征数据的冲突情况，平时为低电平,冲突时此线会升为高电平。将该引脚连接到MCU 的中断输入端上，用于检测数据输入是否有错误。

Tag- it 电子标签与移动物流控制器之间的通信是半双工的，首先MCU 通过RI- R6C- 001A 主动发送一个请求（包含命令和参数），电子标签被动发回一个应答（包含发送的数据和状态）。在软件设计上，通过同步串行接口(SPI)，并遵照RIR6C-001A 的命令应答协议就可实现RFID 电子标签的读写操作。

RI - R6C- 001A 的基本命令/应答时序如下：



图2 RI - R6C- 001A芯片基本命令/ 应答时序

S1 表示命令传输开始，ES1 表示命令传输停止，长度均为1 位。CMD为命令字节，长度为8 位（普通模式）或1 位（寄存器模式），用于规定ASIC 与电子标签通讯时的有关参数，包括支持的射频协议、调制方式、调制深度、波特率等。本系统中CMD为30H，表示系统支持的射频协议是ISO15693(256 选1) ,采用FM调制方式, 调制率10 % , 返回数据波特率为6. 67kb/ s。data 为发送给电子标签的数据，其长度由需要传送的信息而定，因此数据长度是任意的，数据位的顺序则依据射频协议ISO15693 而定。S2 用于表示电子标签响应数据的开始, ES2则表示电子标签响应数据的结束。TAG data 为电子标签的响应数据，包括FLAGS、响应内容和CRC16。

4 通信协议的设计

系统是典型的主从分布式系统，协议的中心思想是轮流查询。所传递的信息为绝对量信息，绝对量信息是指货物编号、运送人、位置等数据；所传递的信息分为数字量和开关量，数字量为32 位正整数，表示IC 卡、RFID 卡、位置等数据；开关量为一位二进制数，表示货物的运送状态。



图3 帧结构

完整的帧格式如图3 所示。网络节点之间所有的通信都以包的形式进行，包的长度固定，每个包前可以选择若干个前导字节（Preamable），以稳定传输线路的状态。第一字节为（8，4，4）汉明编码的从站地址，在网络传输该字节时，应将其第9 位设置为1，以引发接收方的接收中断，该地址指明欲访问的从接点地址（SNA）。第二字节为网络信息流控制信息。第三个字节为数据场，数字量在前，开关量在后。上行传输的数据帧包括32 字节的数字量；下行传输的数据帧包括4 字节的控制信息和4 字节的状态信息。数据场后面是校验字段（PCS），校验方法采用CRC16。

上行传输数据场数字量中第1- 4 字节数据为IC 卡身份数据，第5- 8 字节为RFID 货物数据，第9- 13 字节为位置数据，第14- 16 字节为预留数据，第17- 20 字节为软件纠错数据，包括是否重发、重发的数据编号等，第21- 24 字节为控制数据，包括切断汽车油路、关闭仓库出入道闸等控制信息。其他信息在上行数据的开关量中做了相应定义，包括货物的控制处理等。

GPS 到控制器，RFID 到控制器，包括IC 卡到控制器，都按照这种格式传送数据，以保证传输的透明性。通信的最大问题在于噪声干扰，为此，在系统设计中除了
硬件的抗干扰处理外，在协议设计和和软件设计上采取了软件纠错方法，保证数据的正确传输。

5 系统软件设计

系统设计的关键是保证货物的安全，虽然使用了RFID，IC 卡进行双重验证，但是，必须对整个系统进行安全策略的设计，以保证物流系统的安全性。首先，系统读取RFID，如果有信号，接收货物的数据保存，接着，读取IC 卡数据并通过GPRS 传给基地，以验证货物运送人的身份。GPS 模块一直接收卫星信号以计算位置数据，并间隔2 分钟（可调节） 通过GPRS 传给基地中心，软件流程示意图见图4。

图4 移动物流控制器程序工作示意图

一些特殊的货物，需要实施多重检验，包括需要主管部门IC 卡签名等。当货物在运输过程中，如果遇到特殊情况，如抢劫、原料泄露时，司机可以按下紧急开关，基地控制中心可以第一时间知道货物状况，自动报告给各级部门进行紧急处理。

6 结束语

系统在设计中综合运用了各种技术，特别是RFID 和IC卡身份的双重认证，保证了系统的安全性，今后需要研究的是，运用指纹识别结合RFID 的技术，运用GPS 加CDMA 的技术，以及多种物流控制数据库与前端RFID 数据兼容的问题。