（电路与系统专业论文）有源RFID的设计及其在仓储管理中的应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士攀位论文 m a s t e r s t h e s i s 中文摘要 仓储业作为物流业的重要组成部分，有效、现代化的管理对提高企业的工作效 率，降低企业经营成本，起到了极大的作用。但是，目前大部分的仓储管理仍停留 在传统的手工操作管理阶段，这种落后的仓储管理模式效率低，成本高，不能适应 我国经济快速发展的需要。因此，应用自动识别技术、计算机技术、无线通信技术 等先进的技术和手段，改变传统的仓储管理和信息处理模式，实现仓储管理的自动 化已经成为一种必然趋势。 本文针对传统仓储管理系统的不足，提出了基于有源射频识另l j ( a e t i v c - r f d ) 的仓储信息系统。 本文研究了国内外在自动识别技术、无线传感器网络技术、物流追踪技术和仓 储管理系统等方面的发展及现状，介绍了应用于仓储管理系统的相关技术。以机场 仓库管理为背景，设计了具有有源射频识别技术的仓储信息管理系统。该系统以计 算机信息管理系统为核心，以有源r f i d 为信息采集工具，以无线通信为信息传递 手段，实现了对机场仓库货物的无线管理。 本文设计并研究的主要内容是： 1 ) 设计并实现了有源r f i d 标签的硬件电路，对接口电路、电源电路和p c b 与 天线的设计进行了深入的研究。 2 ) 构建了由有源r f i d 标签组成的无线通信网，重点研究了无线数据帧格式、 信道编码算法和防碰撞算法；该网络在拓扑结构上采用了基于位置区域划分的正六 边形结构，在路由上采用了以静态中继为主、动态中继为辅的中继查找表算法。 3 ) 完成了以计算机为平台的仓储信息系统软件的设计与实现。 最后，论文对整个系统进行了测试，包括硬件测试和软件测试，测试结果表明 该系统能够实现仓储的无线管理。 关键词：有源r f i d ；无线通信；仓库管理系统 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to f1 0 百s t i c si n d u s t r y , t h ee f f i c a c i o u sa n dm o d e mm a n a g e m e n t o fs t o r a g ep l a y sag r e a tr o l ei ne n l m n c i n gt h ee f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h ec o s to f e n t e r p r i s e h o w e v e r , m o s to f c u r r e n tw a r e h o u s em a n a g e m e n tr e m a i n sm a n u a lo p e r a t i o n , w h i c h l e a d st ol o wi n e f f i c i e n c ya n dh i g hc o s t si nt h ei n c o r p o r a t i o n ，a n dc a n n o tf i tt h ed e m a n d e d o ff a s td e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ye c o n o m y t h e r e f o r e i ti sa ni n e v i t a b l e 慨dt o r e a l i z i n ga u t o m a t i cw a r e h o u s em a n a g e m e n tv i aa d v a n c e dt e c h n i q u e sa n dt o o l s ，s u c ha s a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rs c i e n c ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s , i nm yt h e s i s , w a r e h o u s ei n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do na c t i v er a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n 毋f m ) i sp r o p o s e dt oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a lw a r e h o u s e m a n a g e m e n ts y s t e m i nm yt h e s i s ，p r e v i o u sw o r k0 1 1a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g y , l o g i s t i c st r a c k i n g , w a r e h o u s em a n a g e m e n ts y s t e m sa n dr e l a t e dt e c h n i q u e s a r ep r e s e n t e d a g a i n s tt h eb a c k g r o u n d o fa i r p o r tw a r e h o u s em a n a g e m e n t ，a ni n f o r m a t i o n w a r e h o u s es y s t e mw i t ha c t i v er f i di sd e s i g n e d t h es y s t e m , w h i c hi sa tt h ek e r n e lo f c o m p u t e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m , a tt h ec o l l e c t i o nt o o lo fa c t i v er f i d ，a n d a t t h ei n f o r m a t i o nt r a n s f e r r i n gt o o lo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , i m p l e m e n t st h ea i r p o r t c a r g ow a r e h o u s ew i r e l e s sm a n a g e m e n t t h em a i nw o r k so f t h ed e s i g na n dr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 ) h a r d w a r ec i r c u i to f a c t i v er f i dt a gi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d e s p e c i a l l y , t h e i n t e r f a c eo f c i r c u i t ，e l e c t r i c a ls o u r c 皓c i r c u i t , p c ba n da n t e n n ai si n v e s t i g a t e dd e e p l y 办w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sc o n s t r u c t e dw i t ha c t i v er f i dt a g t h ed a t a f r a m ef o r m a t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , c h a n n e lc o d i n ga n dc o l l i s i o na v o i d i n g a l g o r i t h ma r es t u d i e dd e e p l yi nt h i sn e t w o r k , t h eh e x a g o n a ls t r u c t u r ea n ds t a t i cr o u t i n g a s s i s t a n to f d y n a m i cr o u t i n gi su s e d 3 ) t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fw a r e h o u s ei n f o r m a t i o ns y s t e m s o f t w a r ei s c o m p l e t e d a tl a s t , t h et e s to f t h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n d i c a t e st h a t m ys y s t e mc a nm a n a g et h ew a r e h o u s ew i r e l e s s l ya n de f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：a c t i v er f i d ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；w a r e h o u s em a n a g e m e n t s y s t e m n 硕士苹位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 储擞：葡锄哦2 噼6 其 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：自常钟作者签名：自昂1 日期2 唧年6 月f 日 导师签名：劾乌彳宁 日辄甲6 月佃 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。厦意论塞握銮卮溢卮! 旦兰生i 竖= 生i 旦三生蕉查： 作者签名：询爹洲 日期：抛7 年6 月f 日 导师签名：翻与州甲导师签名：j 仃7f 日期：印年6 月j 日 硕士擘位论文 h a 矗t e r st h e s l 8 1 1 课题研究背景 第一章绪论 多年来经济总量的持续增长，为物流产业提供了强劲的需求基础，推动着物流 总规模的持续增长。1 9 9 1 至2 0 0 6 年，我国社会物流总费用从5 1 8 2 亿元增加到3 8 4 万亿元，增长了6 4 倍，年平均增长高于1 4 ，高于国民经济增速的4 个百分点。 社会物流总费用占g d p 的比例做为衡量一个国家经济发展水平，特别是综合国力 的重要指标，虽然已从1 9 9 1 年的2 4 ，下降到2 0 0 6 年的1 8 3 。但同期国外发达市场 经济国家的比例却只有l o 左右，这反映出我国物流运作水平是极为粗放的，社会 化、专业化水平低，经济增长付出的物流成本太高。 根据国家统计局发布的2 0 0 6 年全国物流运行情况通报，在我国的社会物流总 费用中，运输费用占5 4 7 ，保管费用占3 2 ，1 ，管理费用占1 3 2 。而根据美国、 日本统计局发布的消息表明，无论是美国，还是日本，运输费用在g d p 中的比例 大体保持不变，库存费用的降低是导致美国和日本物流总成本占g d p 比例下降的 最主要原因。另一方面，在保管费用中，利息费用占保管费用的4 3 9 ，仓储费用 占保管费用的2 6 2 ，货物损耗费用占保管费用的5 7 。巨大的仓储利息支出和仓 储费用凸现出我国企业的库存管理相当落后，居高不下的货物损耗反应出我国企业 仓库管理的水平低下。 现在，越来越多的企业已经认识到物流是企业的“第三利润源泉”。对企业来讲， 减少库存、加快货物的周转就是减少库存支出，是降低物流费用的主要来源。库存 支出不仅仅是仓储的保管费用，更重要的是它所占有的库存资金成本，即库存占压 资金的利息。另外，还应该考虑因库存期过长造成的商品贬值、报废等代价，尤其 是产品周期短、竞争激烈的行业产品，如p c 机，家电等。而完善的物流不仅能够 保证货物储存数量极低且不影响企业生产，甚至实现“零库存”；还能减少人力，减少 企业内部运作环节，达到提高生产效率和降低成本的目的。 如何加快我国现代物流业的发展，是使我国经济健康发展、增强企业竞争力需 要迫切解决的问题，也越来越受到企业和各级政府的关注。一方面，生产和物流企 业不断加强物流管理，通过专业化物流设计，使物流系统合理化，降低物流运作与 管理成本，减少物流资源浪费。另一方面，国务院各有关部门和地方政府各级政府 高度重视物流发展，从政策和制度方面不断改善物流发展的环境。同时，随着物流 实践的发展，物流研究机构迅速发展壮大，加快了物流理论的发展与应用。 硕士擘位论文 m a s t e r5 st h e s i s 十六大曾提出“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走新型工业化道 路，加快经济结构调整和经济增长方式转变。”的发展战略。以信息化带动仓储现 代化，是当今世界发展的大趋势，是推动仓储业发展和变革的重要力量，信息化是 现代仓储的灵魂，没有信息化就谈不上仓储的现代化。 仓储信息化就是运用现代信息技术来实现仓库的管理和仓库的正常运行。在现 阶段，在仓储系统内部，企业大多依赖于以纸张为基础的系统来记录，追踪进出的 货物，以有线的通信系统来实现仓储系统的部分信息集成。相对于以计算机为核心 的信息管理系统而言，人为因素的不确定性，必将导致企业仓储的工作效率低下和 人力资源的严重浪费。同时，随着货物数量的增加以及出入库频率的剧增，这种人 工模式会严重地影响企业的正常工作。 虽然，我国的仓储信息技术应用有了一定的发展，但与国外相比仍有很大差距。 据有关报道，我国跟发达国家之间存在着十几年的差距，我国数万家仓储的信息化 总体水平还很低，真正实现信息化的还不到5 ，大量的仓库还是以人工操作为主i n 。 因此，运用现代信息技术，实现我国仓储管理信息化是今后国内仓储发展的必然趋 势，更是提高国内仓储管理现代化水平的必由之路。 1 2 研究现状简介 课题的研究内容涉及自动识别技术、无线传感器网络技术、物流追踪技术和仓 库管理系统，目前国内外学者对这些技术以及相关问题进行了大量的研究工作，取 得了丰硕的成果。 1 2 1 自动识别技术 自动识别技术【2 】【3 】【4 慨是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间 的接近活动，自动地获取被识别物品的信息，并提供给后台的计算机处理系统来完 成相关后续处理的一种技术，是仓储信息化的基础技术。 通常，根据自动识别技术的应用领域和具体特征，将自动识别技术分为：条码 技术、射频识别、生物识别、语音识别、图像识别，磁识别和光学字符识别等。在 仓储业中，条码技术和射频识别是日前企业使用的最多的自动识别技术。 条码技术是电子与信息科学的高新技术，是多项技术相结合的产物。目前使用 频率最高的几种码制是e a n 、l r p c 、3 9 码、交插2 5 码和e a n l 2 8 码，但得到国际 公认用于商品包装的主要有两种，即u p c 和e a n 。相对于上述的一维条码，二维 条码具有更高的信息密度，能够携带更多的信息量。经过2 0 年之久的长期研究， 2 硕士擘位论文 m a s t e r 。st h e $ 1 5 条码技术已发展成为较成熟的实用技术。但对条码的研究依然没有结束，特别是对 二维条码的研究。2 0 0 5 年1 2 月2 6 日，国家标准委在北京组织召开了“十五”国家重 大科技专项“重要技术标准研究”中的二维条码新码制开发与关键技术标准研究 课题验收会。该课题制定的汉信码国家标准是我国第一个具有自主知识产权的 二维条码码制标准，填补了国内空白。 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n , r f i d ) ，是兴起于二十世纪八十年 代的一项非接触式自动识别技术，它通过无线射频信号自动识别目标对象并获取相 关数据。但r f i d 并不是一项新技术，它在历史上的首次应用可以追溯到第二次世 界大战期间( 约十九世纪四十年代) ，其当时的功能是用于分辨出敌方飞机与我方 飞机。近年来，r f i d 开始呈现出更加广阔的商业应用前景，应用于交通、车辆管 理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域。r f i d 标签对物 体的唯一标识特性引发了人们对基于r f i d 技术的应用进行研究的热潮，全球r f i d 行业取得了很快的发展。但总体而言，目前大部分r f i d 项目尚处于试验阶段。标 准、成本仍是制约r f i d 发展的关键因素。 在标准方面，目前r f i d 尚未形成统一的全球化标准，市场呈现多种标准并存 的局面。目前，在国际上，现有的r f i d 标准有e p c g l o b a l 、i s o i e c 和日本的u i d 。 在国内，关于r f i d 动物应用的推荐性国家标准 矗，直射路径传播的接收信号场强和反射路径产生的场强为 局= 等血啪e = 等随吖吼4 ， 其中，以为直射传播路径长度，t 为反射传播路径长度，r 为反射系数当 d 以+ 危时，r 处的场强和近似为 e = 岛咖2 等s t m ( 警) ， 当d 业3 2 时，即警 3 2 4 2 i1 2 2 2 |k 2 ln4 1 - 一 j 图4 - 2 基于正方形的仓库无线覆盖区域布置图 在所有货物上的标签只能与其所在小区的中继相通信的情况下，主控电脑盘点 某个货物时，只有标号为1 1 的小区货物能够直接响应主控电脑，其余小区的货物 需要中继才能与主控电脑建立联系。比如：要盘点的货物在标号为4 4 的小区，则 主控电脑先将数据发送出去，标号为2 l 、1 2 的小区中继将数据传给标号为3 1 、2 2 、 1 3 的小区中继经过几次中继传输后，标号为4 4 的小区中继将接收到数据传给 已建立直接联系的货物标签，再将被盘点货物的信息回传给标号为4 3 、3 4 的小区 中继，由它们通过数次中继，最终可以到达主控电脑。 3 方案的比较 选择哪一种网络结构，可以从系统的维护、盘点时间和货物追踪上考虑。 由于仓库很高，位于仓库顶棚的中继不便于安装和维修，因此，在系统的维护 性方面要求系统的中继越少越好。方案一有l o 个中继位于仓库顶棚，而方案二只 有4 个。 在盘点过程中，每中继一次就需要消耗两个通信帧的时问，所以，盘点中继次 数小的货物所需时间少。方案一盘点最远的货物需要4 次中继才能将数据发送给货 物，比方案一的6 次少，盘点速度快。 使用方案一的网络中，仓库8 8 8 的面积被至少3 个中继覆盖，不能被定位的 点在墙附近。在方案二的网络中，仓库8 2 6 的面积被至少3 个中继覆盖，不能被 定位的点分散在仓库中间和四周的二十几处区域。根据第二章介绍的相关知识，可 以认为，使用方案一可以对8 8 8 的货物进行追踪定位，优于方案二的8 2 6 。 经过权衡各种指标，选用了方案一中的网络结构。 4 1 3 静态中继与动态中继 3 l 硕士擘位论文 m a $ t e r st h e s i s 在无线通信网络中，通常有两种中继方式：静态中继和动态中继1 3 7 j 3 s ，选择不 同的中继方式决定了系统的性能。 静态中继是在中继站中设置的固定的中继表。由于静态中继不能对网络的改变 作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态中继的优点是简 单、高效、可靠。在所有的中继中，静态中继优先级最高。当动态中继与静态中继 发生冲突时，以静态中继为准。 动态中继是网络中的中继站之间相互通信，传递中继信息，利用收到的中继信 息更新中继表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果中继站更新中继信息， 表明发生了网络变化，中继选择程序就会重新计算中继，并发出新的中继更新信息。 这些信息通过各个子网络，引起各中继站重新启动各自中继算法，并更新各自的中 继表以动态地反映网络拓扑变化。动态中继适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网 络。相比之下，动态中继比静态中继会消耗更多的时间，各种动态中继协议还会不 同程度地消耗微控制器资源。 静态中继和动态中继有各自的特点和适用范围，因此在网络中动态中继通常作 为静态中继的补充。当一个分组在中继站中进行寻径时，中继站首先查找静态中继， 如果查到则根据相应的静态中继转发分组；否则再查找动态中继。由于本课题涉及 的仓库绝对面积不大，网络规模小、拓扑结构固定，因此选择了静态中继。 4 1 4 中缝算法 选择不同的静态中继算法，决定了系统的效率和稳定性。在本系统中，根据算 法的复杂性和结果的灵活性，设计了两种不同的算法。下面就是设计的两种不同的 中继算法。 1 基于逻辑运算的算法 在图乖1 中，不同的数字就是各个小区的编号，也是小区对应中继的地址。1 l 号中继为阅读器，它和标签在无线通信中是最初的发送者或最后的接收者。作为接 力传输数据的中继，在中继的路径上遵循“先水平后垂直”中继的原则，就是先按水 平方向中继，再按垂直方向中继，具体的工作流程如下： ( 1 ) 中继接收到数据后，判断数据是阅读器发给标签的还是标签发给阅读器的。 ( 2 ) 如果是阅读器发送给标签的，则求出被盘点的标签、发送该数据的中继( 下 面简称源中继) 以及自己三者之间的相对位置。如果是标签发送给阅读器的，则求出 阅读器、源中继以及自己三者之间的相对位置。只有与源中继相邻的中继才能进行 接力传输。 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s ( 3 ) 如果是阅读器发送给标签的，则能够进行中继的有这样几种情况：标签的位 置在源中继的右上方，并且在源中继右方；标签的位置在源中继的正上方，并且在 源中继正上方；标签的位置在源中继的正右方，并且在源中继右边。 如果是标签发送给阅读器，能够进行中继的情况有：阅读器的位置在源中继的 左下方，并且在源中继下方：阅读器的位置在源中继的正下方，并且在源中继下方； 阅读器的位置在源中继的正左方，并且在源中继右边。 例如，当主控电脑盘点一个位于4 2 区的货物时，阅读器会发送带有目的中继 地址的数据帧。相邻的两个中继2 1 和1 2 都会收到该数据帧，都可以进行中继传输， 最后都会传到2 4 号中继。但根据“先水平后垂直”的原则，只有2 l 号中继会起作用， 同样的道理，3 l 号、4 l 号中继会j 【瓯序起作用，最后到达4 2 区的货物。货物的应答 数据将会按原先的路径，依次通过4 2 号、4 1 号、3 l 号、2 l 号中继到达1 l 号。如 图4 3 所示。 图4 3 基于逻辑运算的中继算法示意图 按这一原则进行中继，充分体现了静态中继的简单、高效和可靠。 2 基于查找表的中继算法 基于查找表的中继算法就是将中继的路径保存在中继内部的存储区中，中继接 收到数据后，根据查找表判断是否进行接力传输。 由于外界或自身的原因，中继在使用中可能重新启动中继重起后，只有保存 在中继非易失性存储空同的数据保持原来的数值，其余的都被初始化。因此，在采 用基于查找表的算法时，作为中继基础的查找表必须是非易失性在a t m e g a 8 l 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 的存储空间中，有5 1 2 字节的e e p r o m ，可以保存一个不大的中继查找表。中继 每次上电后，就将e e p r o m 中的查找表数据装载到一个特定的数组中。 中继收到数据后，首先根据命令字判断数据的传输方向，即是标签发给阅读器 的还是阅读器发给标签的，然后根据传输方向依次核对查找表数组的内容，从而判 断是否中继。 4 1 5 中继算法的比较 前一种算法采用的是固定逻辑运算方式判决中继路径，属于静态中继方式。后 一种算法以中继表为基础，中继不能自动地改变该表，因此，这种算法也属于静态 中继。但系统的管理层控制着整个网络的中继表，操作人员可以通过管理层软件修 改网络的中继表，因此，又具有动态中继的特点。 在系统的灵活性方面，后一种无疑是最灵活的。考虑到系统要实现对货物的追 踪，在灵活性上有更高的要求，在此采用了后一种算法。 4 2 帧结构的设计 在盘点货物时，所有的货物标签都使用同一频率的信号，要使如此众多的标签 中只有个做出响应，必须要使用一个有效的通信协议。有源r f i d 标签之间的通 信是以“数据帧”为单位的。每一帧数据的结构和长度都是一样的，数据帧为十六进 制，如图“所示。 引导数据 ( 2 字节) 有效数据 ( 6 字节) 校验 ( 1 字节) 标签地址f 源中继地址l 目的中继地址j 控制字 i 信息 x 轴ly 轴lx 轴fy 轴l 命令l 生存期l 1 6 h i tl4 b i tl4 b i ti4 b i tf4 b i t 4 b i t l 4 b i t8 b i t 图4 4 数据帧结构 引导数据用于标识一帧数据的头，校验字节位于一帧的结尾，采用的是异或检 验方试，即将6 个字节的有效数据的相互异或值作为校验数据。 在中继传输中，源中继地址是不断变化的。中继接收到数据之后，首先会判断 是否该中继，如果需要中继，则用中继自身的地址代替原来的源中继地址。目的中 继地址在中继过程中是不变的，主控电脑盘点货物时，目的中继地址为被盘点货物 标签的小区中继地址；货物应答时，目的中继地址为主控电脑的地址，即“l l ”。控 硕士擘位论文 m a s t e r s t h e s l s 制字中的命令表示本帧数据是主控电脑盘点货物还是货物应答主控电脑，或者是其 它别的指令；生存期在传输过程中会不断地改变，每传输一次，数值将减1 ，当减 至0 时，传输将停止。信息字节与目的中继地址是一样的，在传输过程中保持不变， 主要用于表示标签的当前状态，比如电池的电量等。 命令参数值的含义如表4 1 所示： 表4 1 命令值( 十六进制) 说明 8 阅读器盘点 9 中继( 阅读器到标签) a 中继( 标签到阅读器) b标签应答 c 标签报警 信息值的含义如表乒2 所示： 表4 - 2 i 命令值( 十六进制) 说明 f 5正常 a 异常 图4 - 4 所示的数据帧结构为编码前的结构，数据在发射出去之前需要进行编码， 图4 - 5 为编码后的数据帧结构。 引导数据有效数据 校验 ( 2 字节) ( 1 2 字节) ( 2 字节) 图4 5 编码后的数据帧结构 射频发射的一帧数据长度为1 6 字节。其中，2 个字节的引导数据内容为十六进 制的从，a a 。通过信道编码，6 个字节的有效数据变成了1 2 个字节的有效数据， 1 个字节的异或校验码变为了2 字节。 4 3 信道编码 4 3 1 信道编码的基本概念 信道编码【3 卵是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，而 专门设计的一类抗干扰技术和方法。在发射端，它根据一定规律在待发送的码元中 人为地加入一些必要的码元，在接收端，利用这些待发送的码元与人为加入的码元 之间的规律，发现和纠正差错以提高信息码元传输的可靠性。这些待发送的码元称 为信息码元，而那些人为加入的码元称为监督码元。信道编码的目的是试图以最少 的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性的提高。 从功能上看，信道编码可以分为三类：具有发现差错功能的检错码，如循环冗 余校验c r c 码、自动请求重传a x q 等；具有自动纠正差错功能的纠错码，如循环 码中b c h 码、r s 码及卷积码、级联码、t u e b o 码等；既能纠错又能检错的编码， 如混合a r q ，又称为h 蠊q 。 从结构上看，信道编码可以分为两类：监督关系方程是线性方程的线性码和一 切监督关系方程不满足线性规律的非线性码。 在本系统中，采用了能够纠错一位误码的( 7 ，4 ) 线性分组码。 4 3 2 ( 7 4 ) 线性分组码 在本系统的信道编码中，使用、a s 、q 、吗、吒、q 、来表示7 个码元， 其中，a 5 ，q ，龟为信息码元，4 ：，q ，为监督位码元，用s l 、s 2 、s 3 来表示3 个监 督关系式中的校正子。 由表牛3 可以得到关系方程式 s l = 龟。呜o q o 色 s 2 = 氏0 呜。呜o q ( 4 - 1 ) s 3 = o 口o 吗。口。 通过编码，就将4 位信息码元6 = 他，巳，q ，嘞 转换成了能够纠错一位误码的码 元序列口= 氏，如，a 4 ，口，吒，q ， 。 根据上式可以得到啦- - - a , o 呜o q ，q = o 如。口3 ，口o = 咏。口4 0 吗。在接 收端，收到一个码元系列后，首先按照上式计算出s l 、s 2 、s 3 ，然后后查表找到 错码位置，再将错码位置上的码元取反，最后得到的码元呜，呜，q ，口。就是发送端实 际发送的信息。例收到码字为0 0 0 0 0 1 1 ，则s l s 2 s 3 为0 1 1 ，错码位为如，最后得到 的正确信息位为0 0 0 1 。 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 表4 _ _ 3 校正子与错码位置的关系 s l s 2 s 3错码位置 o o l 口0 o l o 口l o1l 口2 lo 0 码 lo 1 4 4 ll o 呜 ll 1 o oo 无错 考虑到在实际的传输过程中，信息码元的单位通常为字节，也即信息码元的位 数为8 的整数倍，因此在编码后的7 位码元前面中加入1 位构成一个完整的字节。 4 4 无线通信系统反碰撞技术的研究 在r f i d 系统工作时，往往不止一个标签处于阅读器的作用范围，阅读器和标 签的作用距离越远，发生系统冲突的问题越严重。在r f i d 系统中，发生冲突的情 况有两种。一种是多个标签应答同一个阅读器，另种是多个阅读器向同一个标签 发出命令。在本课题的系统中，只有一个主控电脑，所以在这里只讨论前一种情况。 多个标签应答一个阅读器的通信称为多路存取i 柏】，多路存取方法一般分四种方 式，空分多路( s d m a ) 、时分多路( t d m a ) 、频分多路( f d m a ) 和码分多路( c d m a ) 。 4 4 1 空分多路( s d m a ) 空分多路( s d m a ) 【4 1 l 是在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，在分离的 空间范围内，根据信号不同的空间传播路径而进行多个目标识别的技术。 具体的方法是使用智能天线，通过标记不同方位的相同频率的天线波束来进行 多路存取。普通的天线多为全向天线，即只要在以阅读器为中心，以阕读器与标签 的通信距离为半径的立体球内，都能够与阅读器通信。而智能天线的通信是有角度 要求的，在一定夹角内的才可以透信，如图4 6 所示。三个标签都在立体球内，标 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 签3 到阅读器的距离大于其它两个标签到阅读器的距离，但由于智能天线方向性， 只有标签3 才能与阅读器通信。 图4 - 6 使用智能天线的s d m a 方式 s d m a 通常是与基本多址方式结合运用的。与f d m a 结合，允许多用户享用 同一频率信道；与t d m a 结合，允许多用户享用同一时隙信道；与c d m a 结合， 通过空问信道的分割抑制多址干扰。 虽然s d m a 在提高通信质量、增加系统容量和减少冲突等方面具有独特的优 点，但是复杂的天线极大增加了系统的成本。 4 4 2 时分多路( t d m a ) 时分多路法就是把一个完整的可使用的信道时间划分为多个时间片，将不同的 时间片分配给多个不同的标签，例如在时间片t l ，阅读器与标签l 建立通信，在时 间片t 2 ，阅读器与标签2 建立通信。 在r f i d 的防碰撞算法中，t d m a 是应用最广泛，最容易实现的方法。 4 4 3 频分多路( f d m a ) 频分多路法 4 0 l 是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道 分配给不同的用户使用。在无源r f i d 系统中，从阅读器到标签的频率是固定的， 而从标签到阅读器的频率可以不同，它的缺点是系统成本高。 4 a 4 码分多路( c t m a ) 码分多址1 4 0 l 是不同用户占用同一频率，但各带有不同的随机码序列，以示区分， 即靠信号的不同波形来区分。它有两种主要形式：多用于商用系统的直扩码分 d s c d m a 和用于军用的跳频。在r f i d 系统中，通信频带及其技术复杂性会带来 巨额的成本，难以得到推广应用。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 4 4 5 防冲撞方法 在本系统中采用以上四种多路存取方法中的t d m a 和f d m a 。 c c l 0 2 0 的可编写频带为4 2 4m h z - - 4 7 0 m h z 及8 4 8 m h z - 9 4 0 m h z ，即使在4 2 4 瑚z 4 7 眦的频段内，依然可以按1 2 5 k h z 1 2 5 k h z 的频带问隔划分出数百个信 道。如果在中继与中继的传输中使用与标签通信不同的频率，可以减少标签被唤醒 的次数，从而降低了标签的功耗，延长了系统使用寿命。如果所有无线模块都采用 了能够按一定策略变换通信频率( 也称调频) 的方式，还能够提高系统抗干扰能力。 因此，对于由c c l 0 2 0 构成的有源r f i d 系统，采用f d m a 不但不会增加任何硬件 成本，还可以提高系统性能。由于在软件中使用调频方式会加大软件开发难度，所 以在本系统中，只使用了两种频率：中继与中继之间使用一种频率，中继与标签之 间使用另一种频率。 在采用时分多路法时，可以采用c s m a 方式【4 2 】。在介绍c s m a 之前，首先要 研究一下c c l 0 2 0 的载波侦听( c a r d e rs e n s e ) 。 c c l 0 2 0 有一个内在的r s s i ( p e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ，接收信号强度指 示) ，它将所在频带上的载波信号强度存入称为 r s s f 的寄存器，通过这个寄存器就 可以随时知道频带上的载波信号强度。c c l 0 2 0 的载波侦听就是以r s s i 为基础，将 r s s i 寄存器的值读出来与一个特定的数值进行比较，若大于这个特定的数值，就认 为有其它c c l 0 2 0 在发送数据，否则认为频带空闲。 c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，载波侦听多路访问) 就是采用分布式控制 方法，与同一接收机相通信的各个发射机通过竞争的方式，获得通信的许可权。只 有获得许可权的发射机才可以向接收机发送信息帧，该信息帧将被附近的所有无线 模块感知。包括以下三个要点：载波侦听发射机在发送信息帧之前，必须侦听 所在频带是否处于空闲状态；多路访问具有两种含义，既表示多个模块可以同 时访问接收机，也表示一个发射机发送的信息帧可以被多个模块所接收；冲突检测 发射机在发出信息帧的同时，还必须监听载波，判断是否发生冲突( 同一时刻， 有无其他模块也在发送信息帧) 。i e e e8 0 2 3 或者i s o8 8 0 2 3 定义了c s m a j c d 的标 准。 c s m a 通过检测其他模块的活动情况来调整自身的行为。分为以下几类： 1 ) 1 持续c s m a ：当信道忙或发生冲突时，要发送信息帧的模块，不断持续地 侦听，有空闲，就进行发送。但是，长的传播延迟和多模块同时发送信息帧，会 导致多次冲突，降低系统性能。 2 ) 非持续c s m a ：不是持续地侦听信道，而是在冲突时，等待一段长度随机的 时间。这种方式有更好的信道利用率，但会导致更长延迟。 3 ) p - 持续c s m a ：它应用于分隙信道，按照p 概率发送信息帧。即信道空闲时， 在这个时隙中欲发送的模块在p 概率下发送，在q ；1 p 概率下不发送。若不发送， 下一时隙仍空闲，同理进行发送。若信道忙，则等待下一时隙，若冲突，则等待一 段长度随机的时间重新开始。 以上都是对a l o h a 的改进。当信道忙时，所有模块都不传输信息帧。 4 ) 带冲突检测的c s m a ( c s m a c d ：c s m a w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) ：它一旦检测 到冲突，立即终止当前传输中的信息帧，节省时问和带宽，并等待一段时间，重新 尝试。其概念时间模型分为三个时期：传输周期，竞争周期和空闲周期。 比较以上各种具体的c s m a 方式，不难发现，当冲突不严重时，采用非持续 c s m a 是最简单有效的，在本系统中采用的就是这种方式。有源r f i d 标签在发送 信息帧前，侦听频带上是否有其它模块在发送信息，若没有则发送信息帧，否则就 等待一段长度随机的时间。等待时间结束时，有源r f i d 标签再侦听频带上是否有 其它模块在发送信息，若没有则发送信息帧，否则就再次等待直至频带空闲。 4 5 本章小结 本章在参考移动蜂窝系统的网络基础上，根据实际情况，设计了两种无线通信 网络。经过分析对比，选用了正六边形结构，根据这个网络结构，设计了静态中继 与动态中继相结合的中继方式。在这个网络基础上，设计了无线通信数据帧格式和 信道编码方式，考虑到无线通信网的畅通问题，深入研究了反碰撞技术。 4 0 第五章仓储信息系统软件的设计 仓储信息系统软件包括仓储管理软件和有源r f i d 标签的软件。仓储管理软件 在仓储信息系统中处于管理层，本章使用m i c r o s o f tv i s i a lc 汁6 0 1 4 3 1 的m f c l 4 4 1 在 w m d o w s x p 平台下开发了该软件，使用数据库技术4 5 1 和串口通信技术m 1 1 4 7 懈仓储 的所有信息与货物状态有序地连接。在前一章的研究基础上，并结合仓储管理软件， 本章研究并设计了有源r f i d 标签的软件，最终实现了计算机对货物的无线管理。 5 1 仓储管理软件的设计 5 1 1 仓储管理软件的结构框架设计 仓储管理软件【4 8 】作为仓储信息系统的上层软件，不但要负责记录货物出库、入 库和盘点的信息，还要能够反映整个信息系统的运行状态。在仓储信息中，各种数 据的存储由a c c e s s 数据库来完成，与a c c e s s 数据库在内部通过a d o 连接。根 据数据库管理功能特点，系统结构设计分为七个模块，如图5 - 1 所示。 图5 1 仓储管理系统结构图 ( 1 ) 系统管理系统管理模块是用于管理系统的基本信息，即系统登陆管理 和仓储操作管理。在作业人员进行仓库操作时，首先需要向系统输入用户名和 密码登陆信息系统。作业人员每次进行货物出入库操作后，系统会自动记录相 关信息，如操作入、操作日期和操作内容如图5 2 、图5 - 3 、图5 4 。 4 l 图5 - 2 系统管理主界面 图5 3 系统登陆界面 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 图5 - 4 操作日志查看界面 ( 2 ) 入库管理入库时，作业人员要填写货物编号、货物名和存储区域。其中， 货物编号不能与已入库的货物编号相同，在存储区域的已用空间到达设定的最大值 后不可再存入货物。其它的信息，如入库时间、盘点时间和货物状态由系统自己生 成。入库操作后，系统会将这些信息作为一个数据项自动加入到数据库的货物信息 表中，同时，储位信息表中存储区域”对应的已用空间会增加。如图5 5 。 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 图5 - 5 货物入库操作界面 ( 3 ) 出库管理出库时，选中要出库货物的编号，就会出现与之相对应的货物名 称。出库后，系统会从数据库的货物信息表中删除对应的记录，并会修改储位信息 表中存储区域 对应的已用空间数据。如图5 - 6 。 图5 - 6 货物出库操作界面 货物管理货物管理模块主要是负责对货物的信息进行管理，主要有两个功 能。一是对货物的基本信息进行管理，如货物编号、货物名、入库时间和存储区域。 二是进行货物的盘点。 盘点就是货物入库后，货物管理通过阅读器与货物标签建立通信，获得货物的 状态信息。货物盘点操作有两种操作方式：对单个货物进行盘点和对所有货物进行 盘点。在对单个货物进行盘点时，货物管理模块通过串口通信模块向阅读器发送盘 点命令，阅读器根据命令内容与被盘点的货物标签建立无线通信，并将货物标签的 应答信息通过串口通信模块发回给管理软件的货物管理模块。模块收到数据后进行 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 判断并更新货物信息。对所有货物进行盘点在对单个货物进行盘点的基