孫首兵， 陸 陽

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

數(shù)字貨架是一種基于射頻識別［1］（radio frequency identification，RFID）技術(shù)的、可完成對貨物的存儲和自動(dòng)識別的智能貨架。隨著RFID技術(shù)的不斷成熟，基于RFID技術(shù)的數(shù)字貨架廣泛用于倉儲系統(tǒng)中。但是，目前RFID技術(shù)在數(shù)字貨架應(yīng)用中存在嚴(yán)重不足，主要表現(xiàn)在貨品信息讀取依靠固定的RFID讀卡器［2－3］進(jìn)行、數(shù)字貨架成本昂貴等。文獻(xiàn)［2］提出的電子貨架系統(tǒng)在每個(gè)貨位上安裝RFID讀卡器用來讀取貨位中貨品信息，不但增加了安裝難度，而且大大增加了系統(tǒng)成本；文獻(xiàn)［3］提出一種智能貨架系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，在貨架的每層上安裝RFID讀卡器，雖然一定程度上減少了RFID讀卡器的數(shù)量，但是增加了對RIFD讀卡的距離，同時(shí)無法完成對單個(gè)貨位貨品信息的讀取，增加了工作量。

本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID的數(shù)字貨架二維移動(dòng)節(jié)點(diǎn)［4］，采用單片機(jī)控制、雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法，使得數(shù)字貨架貨品信息讀取只需單個(gè)RFID讀卡器即可完成，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對貨品信息的定向讀取，減少了數(shù)字貨架成本；并重點(diǎn)討論了復(fù)雜情況下節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃問題，從而提供了一種通用的節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃算法，使得信息讀取時(shí)間縮短很多。

1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二維移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是指可在貨架垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的RFID讀卡器。RFID讀卡器通過在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)讀取貨架上貨品的信息，實(shí)現(xiàn)對貨品的盤點(diǎn)和定位。

二維移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要由貨架、節(jié)點(diǎn)導(dǎo)軌、移動(dòng)控制模塊、信息采集模塊、無線收發(fā)模塊、主控模塊和數(shù)據(jù)管理模塊構(gòu)成。

（1）貨架。貨架根據(jù)放置貨品的質(zhì)量選取，并將貨架每層都劃分為若干貨位，貨位大小人為選擇，以RFID讀卡器發(fā)射功率所達(dá)范圍為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）節(jié)點(diǎn)導(dǎo)軌。在貨架的側(cè)立面上安裝導(dǎo)軌，2根水平導(dǎo)軌（1根驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌和1根從動(dòng)導(dǎo)軌）分別安裝在貨架最高層和最底層上，1根垂直導(dǎo)軌安裝在2根水平導(dǎo)軌上，可以在水平導(dǎo)軌上滑動(dòng)。垂直導(dǎo)軌上安裝有滑塊，RFID讀卡器固定在滑塊上。

（3）移動(dòng)控制模塊。包括單片機(jī)、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和接近開關(guān)以及開關(guān)電源等。單片機(jī)通過無線模塊接收上位機(jī)發(fā)送的指令，發(fā)出控制電機(jī)指令，2個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)RFID讀卡器運(yùn)動(dòng)，再通過無線模塊將運(yùn)動(dòng)結(jié)果返回上位機(jī)。接近開關(guān)信號輸出端與單片機(jī)I／O口相連，接近開關(guān)動(dòng)作反映RFID讀卡器運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)軌端部，單片機(jī)需將相應(yīng)電機(jī)反向。

（4）信息采集模塊。包括RFID讀卡器、電子標(biāo)簽等。RFID讀卡器固定在垂直導(dǎo)軌滑塊上，可實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，從而用于讀取和更新電子標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽貼在貨品上，用于存儲貨品信息。

（5）無線收發(fā)模塊。單片機(jī)、RFID讀卡器和主控模塊上都安裝無線收發(fā)模塊，用于收發(fā)控制指令和數(shù)據(jù)信息。

（6）主控模塊。主要用于發(fā)送移動(dòng)控制指令給節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模塊并接收返回結(jié)果，發(fā)送電子標(biāo)簽讀取指令給信息采集模塊并接收返回結(jié)果。

（7）數(shù)據(jù)管理模塊。用于存儲和更新貨品信息和存儲信息。

二維移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)外觀如圖1所示。

2 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)控制設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)和伺服電機(jī)控制

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)控制模塊［5］主要包括單片機(jī)、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、接近開關(guān)以及開關(guān)電源。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)控制主要是對水平方向和垂直方向電機(jī)的控制，電機(jī)由單片機(jī)控制。電機(jī)采用東元精電股份有限公司生產(chǎn)的交流伺服電機(jī)，型號為TSC06401C，驅(qū)動(dòng)器型號為TSTA20C；單片機(jī)采用STC89C52單片機(jī)；接近開關(guān)采用SNOD05－N方形npn型接近開關(guān)。移動(dòng)控制模塊硬件連接圖如圖2所示。

由圖2可知，單片機(jī)的P1.0和P1.1口分別控制X向電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，P1.2和P1.3口分別控制Z向電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，P1.4～P1.7口分別用來接收X向?qū)к壵?、?dǎo)軌反向和Z向?qū)к壵?、?dǎo)軌反向的接近開關(guān)動(dòng)作信號。為了使得接近開關(guān)輸出信號具有與單片機(jī)相同的電平，同時(shí)防止干擾，采用TLP521芯片進(jìn)行隔離。

節(jié)點(diǎn)采用2個(gè)伺服電機(jī)，分別控制其在水平方向和垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，2個(gè)方向電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，互不影響。X向電機(jī)和Z向電機(jī)轉(zhuǎn)速分別通過單片機(jī)定時(shí)器T0和T2定時(shí)控制。下面以定時(shí)器T0為例，說明定時(shí)器裝入初值的計(jì)算方法。

假設(shè)電機(jī)運(yùn)行速度為r，每轉(zhuǎn)需要脈沖個(gè)數(shù)為n，則每秒鐘單片機(jī)需發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)為：

由于1個(gè)脈沖分為正脈沖和0，所以單片機(jī)每秒鐘中斷次數(shù)為：

即中斷時(shí)間為：

圖2 移動(dòng)控制模塊硬件圖

單片機(jī)采用12M的外部晶振提供時(shí)鐘周期，所以機(jī)器周期時(shí)間為：

則有：

即每隔3×107／（nr）個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器需要中斷1次。

T0定時(shí)器為16位定時(shí)器，工作在方式1，則初值為：

Z向電機(jī)采用定時(shí)器T2進(jìn)行控制，初值計(jì)算方法同T0。通過對初值大小的改變，可以方便地控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度。系統(tǒng)共設(shè)置了2擋速度：① 低擋，用于采集信息；② 高擋，用于信息采集完成后節(jié)點(diǎn)迅速返回原點(diǎn)。

2.2 節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃

為了方便對節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的控制，將貨架人為地劃分成若干相同的貨位，并建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系（圖中虛線交叉點(diǎn)代表貨位中間位置）。在每個(gè)貨位里存放貨品，調(diào)節(jié)RFID讀卡器的功率，只要每次讀取過程中RFID讀卡器處于貨位中心位置，就可以使讀卡器只能讀取到一個(gè)貨位里貨品的信息，從而防止相鄰貨位貨品的干擾。

圖3 貨架劃分圖

由圖3建立的直角坐標(biāo)系可以看出，貨架被劃分成若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單位正方形，并且每個(gè)貨位都有自己相應(yīng)的坐標(biāo)值。節(jié)點(diǎn)在初始狀態(tài)下停在原點(diǎn)（0，0）處，在需要讀取貨品信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)貨位的中間位置，打開RFID進(jìn)行讀取。

節(jié)點(diǎn)在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要可以分為以下3種。

（1）單個(gè)盤點(diǎn)。如果需要對單個(gè)貨位的貨品信息進(jìn)行盤點(diǎn)，只需發(fā)送“單個(gè)盤點(diǎn)”指令。例如，需要盤點(diǎn)圖3中右上角貨位中的貨品信息，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方案如下：Z向電機(jī)正向啟動(dòng)，節(jié)點(diǎn)沿Z軸正向運(yùn)動(dòng)至坐標(biāo)（0，3.5）處，Z 向電機(jī)停止，X 向電機(jī)正向啟動(dòng)，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至坐標(biāo)（4.5，3.5）處，開啟RFID讀卡器，進(jìn)行信息讀??；信息讀取完成后，同時(shí)啟動(dòng)X向和Z向電機(jī)，節(jié)點(diǎn)以高擋返回原點(diǎn)，完成貨位盤點(diǎn)。

（2）單排盤點(diǎn)。如果需要對貨架某一排的所有貨位的貨品信息進(jìn)行盤點(diǎn)，則需要發(fā)送“單排盤點(diǎn)”指令。例如，需要對圖3中第1排的貨位進(jìn)行盤點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方案如下：Z向電機(jī)啟動(dòng)，節(jié)點(diǎn)沿Z軸正向運(yùn)動(dòng)至坐標(biāo)（0，0.5）處，Z向電機(jī)停止，X向電機(jī)正向啟動(dòng)，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至坐標(biāo)（0.5，0.5）處，開啟RFID讀卡器，進(jìn)行信息讀??；信息讀取完成后，X向電機(jī)繼續(xù)正向啟動(dòng)，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至下一貨位位置，繼續(xù)進(jìn)行信息讀??；重復(fù)以上過程，直到將所有貨位讀取完為止；同時(shí)啟動(dòng)X向和Z向電機(jī)，節(jié)點(diǎn)以高擋返回原點(diǎn)，完成單排盤點(diǎn)。

（3）多貨位盤點(diǎn)。如果需要對多個(gè)而又無規(guī)律的貨位進(jìn)行盤點(diǎn)，為了敘述方便，圖3中直角坐標(biāo)系的位置相對于之前所述坐標(biāo)向右上方平移了0.5，即圖3中的實(shí)線交叉點(diǎn)代表貨位的中間位置（之前所述代表貨位輪廓），a0代表原點(diǎn)。例如，圖3中 分 布 有a1、a2、a3、a4、a5、a66 個(gè) 待 盤 點(diǎn) 的 貨位，現(xiàn)在需要節(jié)點(diǎn)從原點(diǎn)（a0處）開始，依次盤點(diǎn)各貨位后再返回原點(diǎn)，并且要求整個(gè)盤點(diǎn)過程路徑最短［6－9］。

2.3 多貨位盤點(diǎn)算法

本文采用改進(jìn)A＊算法計(jì)算路徑最短距離。A＊算法是一種啟發(fā)式搜索算法，用于圖形平面上求解通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的最低成本，算法核心思想是在每次選擇下一個(gè)當(dāng)前搜索節(jié)點(diǎn)時(shí)，從所有已經(jīng)探知的但未搜索過的節(jié)點(diǎn)中，選擇f值最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行展開：f＝g＋h。f是A＊算法的一個(gè)估值函數(shù)，表示可能試探點(diǎn)的估值，f由2部分組成：①g表示從起始搜索點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的代價(jià)；②h表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估值，本文中h采用節(jié)點(diǎn)的曼哈頓距離。

本文對A＊算法的改進(jìn)主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）從某一節(jié)點(diǎn)出發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)均可達(dá)（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不在closelist中），即所有節(jié)點(diǎn)開始時(shí)均在openlist中。

（2）由于起點(diǎn)和終點(diǎn)都是a0，為了方便說明，將終點(diǎn)定義成a0′。a0′對于所有節(jié)點(diǎn)均可達(dá)，即a0′也在openlist中，但只有在所有的節(jié)點(diǎn)選擇完后，才能選擇a0′作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

（3）如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)在openlist中，并且經(jīng)由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到達(dá)該相鄰節(jié)點(diǎn)的g值小于或者等于原來的g值，則將該相鄰節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)設(shè)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

（4）保存當(dāng)前節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)數(shù)量（節(jié)點(diǎn)深度），在進(jìn)行g(shù)值比較時(shí)，如果g值相等，則選擇深度較大的路徑。

（5）對于被選擇的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)（在openlist中f值最小），若經(jīng)由該節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)的g值均不小于其原來的g值，則將該當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼續(xù)放入openlist中，選擇f值次小的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)。

（6）如果openlist中剩余節(jié)點(diǎn)均未出現(xiàn)（3）中所述的情況，則選擇深度最大者作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼續(xù)。

多貨位盤點(diǎn)算法步驟如下：

（1）假設(shè)有a0，a1，…，an個(gè)節(jié)點(diǎn)需要盤點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（xn，yn），則每個(gè)節(jié)點(diǎn)與起點(diǎn)的曼哈頓距離為h＝xn＋yn，節(jié)點(diǎn)之間的曼哈頓距離為h（am，an）＝｜xm－xn｜＋｜ym－yn｜。

（2）將所有節(jié)點(diǎn)放入openlist中（起始節(jié)點(diǎn)的f值和g值均為0）。

（3）在openlist中計(jì)算節(jié)點(diǎn)f值，選擇f值最小的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

（4）依次判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，若該相鄰節(jié)點(diǎn)位于closelist中，則繼續(xù)檢驗(yàn)下一節(jié)點(diǎn)；若該相鄰節(jié)點(diǎn)位于openlist中，則判斷經(jīng)由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到達(dá)該相鄰節(jié)點(diǎn)的g值是否不大于原來的g值，若是，則將該相鄰節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)設(shè)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，并重新設(shè)置該相鄰節(jié)點(diǎn)的g值和f值，且深度加1，轉(zhuǎn)到步驟（3）。

（5）若經(jīng)由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)的g值均不小于原來的g值，則將該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)放入openlist中，但不參與下一次的f值比較；否則，將該當(dāng)前節(jié)點(diǎn)放入closelist中，并且深度加1。

（6）若openlist中剩余節(jié)點(diǎn)均不能使經(jīng)由它的相鄰節(jié)點(diǎn)的g值更小，則選擇深度最大的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

（7）當(dāng)openlist中只剩下a0′時(shí)，循環(huán)結(jié)束。

（8）從a0′開始沿父節(jié)點(diǎn)遍歷，并保存整個(gè)遍歷到的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，遍歷所得節(jié)點(diǎn)即最后的路徑。

在給定節(jié)點(diǎn)的情況下，算法執(zhí)行時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)量的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，算法運(yùn)行時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量為120時(shí)，算法運(yùn)行時(shí)間約為1s。由于導(dǎo)軌精度和安裝誤差的限制，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度一般小于50cm／s，則盤點(diǎn)一個(gè)貨架上所有物品的時(shí)間需幾分鐘，所以算法的執(zhí)行時(shí)間滿足使用要求。事實(shí)上，當(dāng)倉庫規(guī)模較小，節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)分布成一定規(guī)律，往往可以采用單排盤點(diǎn)來完成部分貨位盤點(diǎn)，再對剩下的少數(shù)貨位實(shí)行多貨位盤點(diǎn)。

圖4 算法執(zhí)行時(shí)間

3 節(jié)點(diǎn)工作流程

節(jié)點(diǎn)原理圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)原理圖

由圖5可知，二維移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括3個(gè)組成部分：PC無線節(jié)點(diǎn)、單片機(jī)無線節(jié)點(diǎn)和閱讀器無線節(jié)點(diǎn)。PC節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令給單片機(jī)節(jié)點(diǎn)和閱讀器節(jié)點(diǎn)；單片機(jī)控制通過發(fā)送指令給電機(jī)，從而控制閱讀器的運(yùn)動(dòng)；閱讀器讀取電子標(biāo)簽信息。節(jié)點(diǎn)工作基本流程如下（以單個(gè)盤點(diǎn)為例）：PC節(jié)點(diǎn)接收單個(gè)盤點(diǎn)指令，通過無線模塊發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制指令給單片機(jī)，并設(shè)置等待時(shí)間wtime，若在等待時(shí)間內(nèi)沒有接收到應(yīng)答信號，則表示通信失敗，重新發(fā)送指令；如果單片機(jī)接收到指令，則會(huì)發(fā)送一個(gè)“接收成功”應(yīng)答信號，表示已接收到指令，并對伺服電機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制指令，控制節(jié)點(diǎn)移動(dòng)；節(jié)點(diǎn)移動(dòng)完成后，單片機(jī)發(fā)送“操作成功”指令給PC節(jié)點(diǎn)，表示閱讀器已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到指定位置，可以開始讀卡操作；PC節(jié)點(diǎn)通過無線模塊發(fā)送信息讀取指令給閱讀器節(jié)點(diǎn)，如果在等待時(shí)間內(nèi)未接收到應(yīng)答信號，則重新發(fā)送指令；如果閱讀器接收到指令，則發(fā)送“接收成功”應(yīng)答信號，開始進(jìn)行信息讀取，讀卡完成后，將讀取結(jié)果發(fā)送給PC節(jié)點(diǎn)，PC節(jié)點(diǎn)對返回結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)操作［10－11］。節(jié)點(diǎn)工作流程（主控模塊）如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4 結(jié) 論

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于RFID的數(shù)字貨架的二維移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過引入RFID技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，降低了貨品信息獲取的成本，主要表現(xiàn)在：

（1）貨品信息讀取的自動(dòng)化。采用貨品信息的自動(dòng)讀取代替固定RFID讀卡器讀取方式。

（2）貨品定位，對貨架進(jìn)行劃分。通過節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)獲取貨品所在貨位的坐標(biāo)。

（3）貨品信息的實(shí)時(shí)盤點(diǎn)和更新。只需設(shè)置一個(gè)時(shí)間間隔，節(jié)點(diǎn)即可隨時(shí)對貨品進(jìn)行盤點(diǎn)，并對貨品信息進(jìn)行更新。

同時(shí)，在RFID讀卡器讀卡過程中，采用多次讀取方案，加上RFID讀卡器本身具有的防沖撞特性，使得讀卡成功率在99%以上，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

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