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。

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   下载原图

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   下载原图

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。

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。

LoRa通信采用扩频技术实现超远距离通信, 频段为433 MHz/470 MHz, 可调。其扩频因子为7～12, 空旷情况下最远通信距离超5 km。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。

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。

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。

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。

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。

图3 无源阅读器框图   下载原图

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50Ω, 最大功率为10 W, 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。

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。