引言:工具安全是仓库等场所的首要任务, 所以越来越多的仓库开始使用管理系统对仓库工具进行管理。该管理系统可以管理工具数量为4000, 对仓库工具的库存、出入库等进行自动识别, 能准确、智能地对进出库房的工具进行信息自动识别、采集、记录、上传, 以及对工具的维护信息进行快速的查询、统计。对工具的非法存取进行报警。

一、整体系统方案设计

系统由三部分组成:

(一) 上位机:进行一些数据的存储和统计, 以及信息查询命令的下达。

(二) 读头:通过唤醒模块唤醒卡片, 并收集卡片ID信息。接收上位机命令, 将信息上传给上位机。

(三) 卡片:处于WOR状态, 进入读头辐射到的区域, 被读头唤醒后发送自身ID。

二、具体方案对比分析

方案1:硬件选用msp430单片机和CC2500芯片, 卡片和读头资源如下:

(一) 卡片:Ram存储变量512B, Flash可以存储程序8k, SPI接口1个, 定时器1个, AES模块, WOR模块。

(二) 读头:

1、发送唤醒帧的无线部分:因发送内容很少, 所以基本没有要求。

2、接收卡片ID的无线部分:ram存储变量1024B, Flash存储程序32k。Eeprom保存工具的ID号, 若保存5字节的工具信息, 加上7字节 (年月日时分秒星期) 的时间, 则4000工具需要48k字节的容量, 因此选用64k eeprom。SPI接口1个Uart接口2个, 蜂鸣器1个 (如果通过网关报警, 此处蜂鸣器省略) 。LED指示灯2个, 实时时钟1个, 定时器1个, AES模块1个。

系统功能描述:该系统负责管理4000支工具。卡片采用WOR来降低功耗。读头的一个无线模块连续发送唤醒帧, 另一个无线模块接收卡片ID。当附有卡片的工具进入读头辐射到的区域后, 被读头唤醒, 随后发送自身ID给读头。读头在eeprom内记录这些入库的工具ID号, 读头如果5s内未得到某卡片发送的ID号则报警, 并将此ID信息通过串口发送给上位机。

发卡:通过发卡系统写一张卡片, 写入信息为5个字节的ID信息, 存入卡片mcu芯片的flash。发卡完成后卡片处于WOR模式。

入库时:当卡片进入读头辐射到的区域后, 被读头唤醒, 随后发送自身ID给读头。读头在eeprom内记录这些ID号。卡片继续进入WOR模式。管理期间:读头的一个无线模块连续发送唤醒帧, 另一个无线模块接收卡片ID。如果5s内未成功接收到已经入库的某个卡片的ID信息则报警。

出库时:上位机发送要出库的工具信息, 网关发送允许出库命令和允许出库的ID号, 此时将工具拿走属于正常出库。否则报警。

5s内响应的论证:无线波特率为500kbps。读头发送唤醒帧时间:12字节 (包括4字节前导码+4字节同步字+1长度字节+1帧头+1命令字+1校验和+2字节校验) *8位=96位;96/500000=192us

卡片被唤醒后发送自身ID号的时间:19字节 (包括4字节前导码+4字节同步字+1长度字节+1帧头+1命令字+5字节ID+1校验和+2字节校验) *8位=152位152/500000=304us。理想情况下, 假设在卡片的两个WOR周期内被可靠唤醒, 唤醒时间最多为2s。4000工具的ID接收完成时间为304us*4000=1.2s。另外加上因碰撞而产生重发的时间, 其他工具的出库、入库时间, 初步判断5s内, 可以完成4000工具的ID采集。卡片发射数据设为19字节 (4前导码+4同步字+1长度字节+1帧头+1命令字+5ID号+1校验和+2校验) , 无线波特率为500kbps, 则计算发射电流为:21.6m A*19*8/500k=6.6u A。卡片功耗计算:占空比选0.2%, 2000m A H的电池, 假设放电量为1500m A H。计算电池使用寿命的理论值为:1500m A H/ ( (15.6m A*0.2%) +6.6u A) =约为4.5年。

以上计算表明这个方案理论可行, 如果实际测试时发现5s内不能完成全部工具ID的收集, 可以安装若干个读头分别定向读取部分卡片来实现, 读头数量由要管理的工具数量 (4000) 和响应时间决定 (5s) 。

方案2:在屋顶安置读头, 读头有两个无线模块, 一个负责唤醒, 一个负责接收ID号。卡片处于WOR模式。如果上位机想查询工具的存在情况 (数量等信息) , 可以通过串口查询读头的eeprom, 因为无论进出库, 相关记录都保存在读头的eeprom中。

卡片WOR周期选择:假设楼层高2.5m, 在屋顶安置读头, 定向天线角度为120度, 则可覆盖的地面直径距离为6m。假设人的步速为3m/s, 则人经过天线覆盖的区域为2s。为保证人在天线区域内卡片被可靠唤醒, 则设置卡片WOR周期为1s。设置波特率为500Kb/s。读头发送唤醒帧的时间为:16*8/500000=256us.为了通讯可靠, CC2500每次从IDLE到TX需要自动校准一次, 要花去809us, 硬件SPI将16字节数据写入到FIFO中, 需要50us左右的时间, 那么总的发送时间为1.12ms左右。则卡片的wor唤醒时间需要设置为为2ms。卡片被唤醒后发送自身ID号的时间:19字节 (包括4字节前导码+4字节同步字+1长度字节+1帧头+1命令字+5字节ID+1校验和+2字节校验) *8位=152位;152/500000=304us。占空比选择:2000m AH的电池, 假设放电量为1500m AH。按照客户要求使用5年, 则1500m AH/5*365*24/16.5m A=0.002所以占空比选择0.2%

总的收集ID的时间=唤醒时间+ID接收时间。假设在卡片的两个WOR周期内被可靠唤醒, 唤醒时间最多为2s。假设4000个卡片同时进出:读头接收ID的总的时间=304us*4000=1.2s。304us为卡片发送自身ID的发射时间。另外加上因碰撞而产生重发的时间等, 理论判断可以达到5s内响应的要求。但是碰撞的处理是个难点。

结论:经过测验, 方案一更满足实用性和简易安全等性能要求, 该系统具有如下性能参数:

(一) 工作频段:2.4G; (二) 卡片电压为3.3V; (三) 串口通信速率115200bps; (四) 无线波特率500kbps; (五) 响应时间<5s; (六) 电池容量2000m AH时使用寿命约5年