基于RFID電子標簽的物流控制系統的設計

1 引言

物流（logistics）指商品在空間和時間上的位移，包括采購配送、生產加工和倉儲加工包裝等流通環節中的物流情況，強調以滿足顧客的需求服務為目標，追求物流過程的持續改進和創新。在電子商務環境下，物流管理建立在現代信息技術和先進管理思想基礎之上，成為一種集成化的運作模式。隨著供應鏈管理(SCM，Supply Chain Management)的興起，物流管理被納入到其中。在供應鏈概念中強調營銷、物流及產品之間的相互關系和互動作用。物流不再是作為一個單一的實體存在，而成為現代化管理體系中的重要環節。物流管理也不再局限于自身范圍，而是與整個生產、流通過程息息相關。

物流的管理離不開信息技術的應用。RFID 電子標簽是時下最為先進的非接觸感應技術，因其獨有的非接觸、閱讀速度快、無磨損、壽命長、便于使用等特點，現正廣泛應用于各個行業、領域。采用RFID 電子標簽技術，貨場可以收集進出的貨柜車的各種信息，并將數據通過互連網綜合傳送到物流控制中心。有些重要的貨物，如劇毒品、危險品等，需要對貨物從裝載、運輸、出庫和入庫等作全程的物流監測與控制，及時掌握貨物的信息，出現不安全的因素時能夠及時報警并記錄位置信息，便于人員進行追找。因此，不僅僅需要讀取標簽信息，更重要的是需要和局域網、Internet、GPS、GPRS 等連接，構成完整的監控系統。

傳統物流控制系統的問題是技術分散，數據庫控制部分往往和貨物進出系統脫節，而貨物的運輸檢測是獨成一體。本系統以電子標簽記錄貨物信息，IC 卡裝載人員身份信息，系統通過GPRS 與互連網相連，數據庫能實時刷新數據，監控整個物流的過程，與傳統物流控制系統相比，大大提高了系統的效率和安全性。

2 系統總體設計

整個系統分為移動物流數據終端和基地控制中心兩部分，其中移動物流數據終端安裝在貨物的進（出）庫處及運輸貨車上，通過GPS 獲得位置信息，通過GPRS 實時向基地控制中心發送位置信息，中心通過互連網將數據轉送至物流控制中心數據庫，見圖1。各部分模塊功能如下：

圖1 物流控制系統結構圖

2.1 移動物流數據終端
移動物流數據終端由中央控制器及RFID 識讀模塊、GPS接收模塊、IC 卡身份識別模塊、GPRS 模塊組成。

（1）電子標簽識別裝置
每個貨物上分配一個電子標簽，電子標簽上攜帶的信息具有唯一性。當貨物入或者出庫時及在運輸過程中，電子標簽識別裝置通過天線對標簽上的數據進行讀取，把貨物的信息記錄下來，利用GPRS 短信服務傳遞給遠程監控系統。
（2）GPS 定位裝置
GPS 定位裝置的功能是通過接收衛星信號計算出貨物的具體位置，這是貨物的全程監控的基礎數據。
（3）IC 卡身份識別模塊
IC 卡身份識別模塊主要完成對貨物的操作人員的身份和權限的認證，以及操作日志的記錄。要求對貨物進行操作的人員必須有明確的身份和合法的權限，對特種貨物的全程監控包括從貨物登記、出入庫、上下火車、途中押運等，當非法用戶或不具備權限的用戶強行操作貨物（如火車偷盜事件）時，將產生實時報警信息。合法用戶的操作將記錄操作的時間、操作類型信息。
（4）GPRS 模塊
系統的GPRS 模塊利用手機模塊和SIM卡，進行短消息的發送，發送的短消息包括貨物的登記信息、運輸人員、上下車、位置信息、報警信息等。

2.2 基地控制中心
（1）GPRS 通信處理機
GPRS 通信處理機負責接收各貨物發來的短消息，通過互連網將數據傳給控制中心。
（2）基地控制中心管理系統
基地控制中心管理系統采用了客戶機/服務器和瀏覽器/服務器結構相結合的體系結構。B/S 結構部分提供非專業人員通過INTERNET 或INTRENET 網絡進行信息查詢。為使網絡查詢系統更加人性化，B/S 結構軟件前端界面采用了地理信息系統，把各種數據信息放在地圖上，當貨物不斷送來定位信息時，貨物在地圖上的位置也在不斷改變，通過WEB 服務器和GIS 發布服務器把各種信息發布出去。C/S 結構部分主要完成用戶管理、卡管理、設備管理、圖紙管理、地理信息管理等系統維護功能，同時完成控制命令的下達功能，客戶端放在監控中心，每個功能操作都有權限的限制。

3 電子標簽識讀模塊設計

讀取RFID 電子標簽中的設備信息可由ASIC 芯片RIR6C-001A 來實現。RI- R6C- 001A 是TI 公司最新開發的針對RFID 讀寫的多協議收發器，支持的協議包括：Tag–it 協議，ISO15693- 2，ISO14443- 2（TYPE A），因此可讀寫多種電子標簽，適用范圍廣。由于RI- R6C- 001A 對外只提供四個引腳：SCLOCK（串行時鐘）、DIN（串行數據輸入）、DOUT（串行數據輸出）和M- ERR（Manchester 協議錯誤標志）,其硬件接口電路相對簡單，SCLOCK、DIN 和DOUT 分別連接MCU 的SPI 串行接口SCK、MOSI 和MISO 上。時鐘線是雙向的,發送數據時由MCU 控制, 接收數據時則由ASIC 控制，ASIC 在時鐘的上升沿鎖存數據。DOUT 除了具有在接收數據期間的數據輸出功能外, 還有表征ASIC 內部FIFO 的功能。M- ERR 線用于在同時讀多張卡的時候表征數據的沖突情況，平時為低電平,沖突時此線會升為高電平。將該引腳連接到MCU 的中斷輸入端上，用于檢測數據輸入是否有錯誤。

Tag- it 電子標簽與移動物流控制器之間的通信是半雙工的，首先MCU 通過RI- R6C- 001A 主動發送一個請求（包含命令和參數），電子標簽被動發回一個應答（包含發送的數據和狀態）。在軟件設計上，通過同步串行接口(SPI)，并遵照RIR6C-001A 的命令應答協議就可實現RFID 電子標簽的讀寫操作。

RI - R6C- 001A 的基本命令/應答時序如下：



圖2 RI - R6C- 001A芯片基本命令/ 應答時序

S1 表示命令傳輸開始，ES1 表示命令傳輸停止，長度均為1 位。CMD為命令字節，長度為8 位（普通模式）或1 位（寄存器模式），用于規定ASIC 與電子標簽通訊時的有關參數，包括支持的射頻協議、調制方式、調制深度、波特率等。本系統中CMD為30H，表示系統支持的射頻協議是ISO15693(256 選1) ,采用FM調制方式, 調制率10 % , 返回數據波特率為6. 67kb/ s。data 為發送給電子標簽的數據，其長度由需要傳送的信息而定，因此數據長度是任意的，數據位的順序則依據射頻協議ISO15693 而定。S2 用于表示電子標簽響應數據的開始, ES2則表示電子標簽響應數據的結束。TAG data 為電子標簽的響應數據，包括FLAGS、響應內容和CRC16。

4 通信協議的設計

系統是典型的主從分布式系統，協議的中心思想是輪流查詢。所傳遞的信息為絕對量信息，絕對量信息是指貨物編號、運送人、位置等數據；所傳遞的信息分為數字量和開關量，數字量為32 位正整數，表示IC 卡、RFID 卡、位置等數據；開關量為一位二進制數，表示貨物的運送狀態。



圖3 幀結構

完整的幀格式如圖3 所示。網絡節點之間所有的通信都以包的形式進行，包的長度固定，每個包前可以選擇若干個前導字節（Preamable），以穩定傳輸線路的狀態。第一字節為（8，4，4）漢明編碼的從站地址，在網絡傳輸該字節時，應將其第9 位設置為1，以引發接收方的接收中斷，該地址指明欲訪問的從接點地址（SNA）。第二字節為網絡信息流控制信息。第三個字節為數據場，數字量在前，開關量在后。上行傳輸的數據幀包括32 字節的數字量；下行傳輸的數據幀包括4 字節的控制信息和4 字節的狀態信息。數據場后面是校驗字段（PCS），校驗方法采用CRC16。

上行傳輸數據場數字量中第1- 4 字節數據為IC 卡身份數據，第5- 8 字節為RFID 貨物數據，第9- 13 字節為位置數據，第14- 16 字節為預留數據，第17- 20 字節為軟件糾錯數據，包括是否重發、重發的數據編號等，第21- 24 字節為控制數據，包括切斷汽車油路、關閉倉庫出入道閘等控制信息。其他信息在上行數據的開關量中做了相應定義，包括貨物的控制處理等。

GPS 到控制器，RFID 到控制器，包括IC 卡到控制器，都按照這種格式傳送數據，以保證傳輸的透明性。通信的最大問題在于噪聲干擾，為此，在系統設計中除了
硬件的抗干擾處理外，在協議設計和和軟件設計上采取了軟件糾錯方法，保證數據的正確傳輸。

5 系統軟件設計

系統設計的關鍵是保證貨物的安全，雖然使用了RFID，IC 卡進行雙重驗證，但是，必須對整個系統進行安全策略的設計，以保證物流系統的安全性。首先，系統讀取RFID，如果有信號，接收貨物的數據保存，接著，讀取IC 卡數據并通過GPRS 傳給基地，以驗證貨物運送人的身份。GPS 模塊一直接收衛星信號以計算位置數據，并間隔2 分鐘（可調節） 通過GPRS 傳給基地中心，軟件流程示意圖見圖4。

圖4 移動物流控制器程序工作示意圖

一些特殊的貨物，需要實施多重檢驗，包括需要主管部門IC 卡簽名等。當貨物在運輸過程中，如果遇到特殊情況，如搶劫、原料泄露時，司機可以按下緊急開關，基地控制中心可以第一時間知道貨物狀況，自動報告給各級部門進行緊急處理。

6 結束語

系統在設計中綜合運用了各種技術，特別是RFID 和IC卡身份的雙重認證，保證了系統的安全性，今后需要研究的是，運用指紋識別結合RFID 的技術，運用GPS 加CDMA 的技術，以及多種物流控制數據庫與前端RFID 數據兼容的問題。