一种基于无源 RFID 的智能仓库物联网关设计

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。

                                                                                                                                                                   图 1 系统整体结构图

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。

                                                                                                                                                                 图 2 LoRa 网关结构示意图

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433MHz/470MHz，可调。其扩频因子为 7～12，空旷情况下最远通信距离超 5km。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 Ω，最大功率为 10W，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。