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基于RFID电子标签的物流控制系统的设计

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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。

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