張世輝，李 松，陳 碩，翁雪濤

(1.武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢430063;2.海軍工程大學 船舶振動噪聲國家重點實驗室，湖北 武漢430033)

0 引 言

現(xiàn)代物流倉儲行業(yè)的迅猛發(fā)展，使物流倉儲自動化程度越來越高，為保證物流倉儲作業(yè)的效率、準確率，降低錯誤操作帶來的損失，作業(yè)中貨物各方面信息的采集和及時反饋就顯得格外重要。傳統(tǒng)的標簽只標記了貨物的基本信息，而現(xiàn)有的傳感標簽不能很好地及時反饋信息，Zig Bee，WiFi 等傳感監(jiān)控技術(shù)存在結(jié)構(gòu)復雜、功耗大等問題。而射頻識別技術(shù)具有環(huán)境適應(yīng)性強、能夠穿透非金屬材質(zhì)、數(shù)據(jù)存儲量大、抗干擾能力強等突出優(yōu)點［1～4］。

近幾年，隨著射頻識別(RFID)和EPC(electronic product code)標準的發(fā)展，RFID 結(jié)合傳感技術(shù)也得到越來越多的關(guān)注。在智能包裝中，結(jié)合了傳感器的標簽得到了應(yīng)用，不僅可以讀取貨物的數(shù)量，而且可以獲取環(huán)境信息。這些都得益于RFID 無源微型芯片可以將編碼信息通過集成的應(yīng)答器傳送給閱讀器，同時標簽也可以保存信息［5］。被動無源的UHF RFID 標簽和傳感器的創(chuàng)新結(jié)合，可以將RFID 的應(yīng)用延伸到環(huán)境監(jiān)測、食品質(zhì)量監(jiān)測、健康情況監(jiān)測等新型領(lǐng)域［6］。

本文設(shè)計的射頻智能傳感標簽是一種基于Arduino 的具有傳感信息采集、信息提示的特高頻(UHF)智能傳感標簽，符合EPCglobal 射頻識別協(xié)議第1 類第2 代UHF RFID 860 ～960 MHz 通信協(xié)議。標簽可以實時采集溫濕度和運動姿態(tài)數(shù)據(jù)并儲存，并上傳到上位機進行可視化監(jiān)控。上位機也可以發(fā)送指令控制傳感標簽的信息顯示單元，提示相應(yīng)物流操作。實驗結(jié)果驗證了該標簽的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的UHF 智能傳感標簽結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)微控制器采用低功耗單片機ATmega 328P;標簽芯片采用UCODE I2C 系列的無源UHF 電子標簽芯片，被動無源RFID芯片可以大幅降低傳感標簽的功耗。傳感單元采用高精度溫濕度傳感器SHT10，可以同時采集溫度和濕度信息，MPU6050 可以采集物體的運動姿態(tài)信息;信息顯示單元采用一個LED 燈為例，上位機發(fā)送不同指令可以控制燈的狀態(tài);電源單元為傳感標簽各模塊供電，采用3.7 V 可循環(huán)充電鋰電池。

圖1 智能傳感標簽結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of smart sensing tag

1.1 PCB 天線設(shè)計與仿真

天線采用PCB 印制天線，形狀和尺寸參考RFID 芯片制造商設(shè)計手冊進行設(shè)計［7］，如圖2。標簽芯片阻抗為(12.7－j199)Ω，經(jīng)過HFSS 建模仿真，天線在915 MHz 時的回波損耗大約為－21 dB 小于－10 dB，仿真結(jié)果顯示天線有較寬帶寬和較高的輻射效率?；夭〒p耗仿真結(jié)果如圖3。

圖2 PCB 天線制版Fig 2 PCB antenna platemaking

圖3 回波損耗仿真結(jié)果Fig 3 Simulation result of return loss

1.2 電路設(shè)計

電路原理圖如圖4 所示，因為采用了集成EEPROM 和I2C 功能的無源標簽芯片，較以往的傳感標簽，電路復雜程度減小，體積也減小。

微控制器選擇型號為ATmega 328P 的8 位高性能、超低功耗AVR 系列單片機。工作電流在主動模式下低至0.2 mA，省電模式下低至0.75 μA，同時具有I2C，SPI 和UART 接口［8］。標簽芯片選擇NXP 公司UCODE 系列的無源智能標簽芯片，被動無源的RFID 芯片不需要為其提供電源就可以和讀寫器進行通信，極大降低傳感標簽的功耗［9］，且具有I2C 接口。傳感單元選擇SHT10 溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強，外圍電路簡單。MPU6050 運動傳感器內(nèi)部集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀，實時測量物體的三維加速度值和角速度值，可以計算出物體的方向信息。

圖4 智能傳感標簽電路原理圖Fig 4 Principle of circuit of smart sensing tag

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 傳感標簽程序設(shè)計

ATmega 328P 通過C 接口讀取并判斷標簽芯片內(nèi)存中存儲數(shù)值來判斷工作模式。當暫時不使用標簽傳感功能時，可以通過閱讀器發(fā)送指令讓標簽進入休眠狀態(tài)，不啟用傳感功能，只保留標簽識別，需要使用時再發(fā)送指令激活傳感功能。傳感信息由單片機寫入標簽芯片內(nèi)存，然后讀寫器將讀取的傳感數(shù)據(jù)上傳到上位機，上位機軟件就可以實時監(jiān)控貨物所處環(huán)境的溫濕度信息和姿態(tài)。LED 由上位機軟件發(fā)送指令控制，通過讀寫器將指令寫入標簽內(nèi)存，單片機再讀取并判斷標簽芯片內(nèi)存中寫入的數(shù)值來控制LED，0x20 代表閃爍，0x21 代表常亮，0x22 代表熄滅。燈的不同狀態(tài)可以代表不同物流操作，也可用作環(huán)境信息的報警提示，LED 也可以換為小尺寸液晶屏，顯示文字信息。智能傳感標簽軟件流程如圖5 所示。

圖5 智能傳感標簽軟件流程圖Fig 5 Software flowchart of smart sensing tag

2.2 上位機軟件設(shè)計

標簽讀寫器通過串口和上位機通信，上位機軟件通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫操作EPCC1－G2 標準的電子標簽讀寫器。主要的EPCC1－G2 命令包括:詢查標簽，讀取數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)。軟件用列表和曲線圖顯示采集的傳感信息;三維姿態(tài)模型由Processing 建立;可以發(fā)送控制LED 狀態(tài)的指令;可以鏈接數(shù)據(jù)庫，保存對應(yīng)編號的貨物傳感信息。軟件功能流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件功能流程圖Fig 6 Flowchart of software function

3 標簽性能測試

智能傳感標簽原型實物參考坐標如圖7(a)所示，將標簽固定在物體上進行實際測試，實驗環(huán)境如圖7(b)所示。上位機軟件查詢標簽并選擇傳感標簽對應(yīng)的EPC 編號讀取溫濕度和運動姿態(tài)信息，擺動物體過程進行實時錄像，并測量讀取距離。

圖7 實物圖Fig 7 Physical image

3.1 讀取距離測試

根據(jù)RFID 的通信理論［10］，最大識讀距離計算如式(1)

頻率在915 MHz 時，選用的標簽芯片在被動模式下工作，接收的最小功率Ptag為－18 dBm，仿真結(jié)果中標簽天線最大增益Gtag為1.97 dBi。實驗中閱讀器的傳輸功率Preader為30 dBm，天線增益Greader為8 dBi。通過公式(2)計算為0.225，其中Zc，Za分別為標簽芯片和天線的阻抗，Rc，Ra分別為標簽芯片和天線的電阻。假設(shè)極化損失PLF 取0.5。最終計算的smax約為9.8 m。實驗測量中，標簽在空間內(nèi)自由移動，實際測得能被閱讀器讀取并能正常進行信息監(jiān)測的最大距離為6.8 m，接近理論計算值。

3.2 傳感性能測試

在運輸重要物資時貨物翻轉(zhuǎn)是不允許的，所以，物體繞X 或Y 軸旋轉(zhuǎn)角度范圍－90°～90°。實驗中物體分別繞X 軸或Y 軸擺動，以及隨機轉(zhuǎn)動時，采集的X，Y 軸與水平面的夾角如圖8 中(a)，(b)，(c)所示。實驗數(shù)據(jù)采集1500 組，采樣間隔0.01 s。實驗結(jié)果顯示:三維模型運動方向和所測數(shù)據(jù)，以及實際運動過程三者基本一致。說明該傳感標簽對運動姿態(tài)有較好的無線監(jiān)測功能。

圖8 運動傳感器輸出的方向數(shù)據(jù)Fig 8 Output direction datas of motion sensor

溫濕度監(jiān)測方面，采集的溫濕度數(shù)據(jù)與標準儀器測得數(shù)據(jù)基本相符，可以滿足采集溫濕度信息的要求。將手指放在傳感器上時，溫濕度信息會有明顯變化，曲線會實時變動，達到了實時監(jiān)控的目的。溫濕度超過設(shè)定閾值自動報警。當上位機發(fā)送燈閃爍指令控制燈的狀態(tài)時，LED 燈按照指令閃爍，達到了無線控制的目的。

4 結(jié) 論

實驗環(huán)境下，該射頻傳感標簽能較好地滿足環(huán)境感知、數(shù)據(jù)存儲、無線數(shù)據(jù)傳輸、信息提示等方面的需求。其主要集成了UHF 無源被動標簽芯片，大幅減少電池的消耗，減小傳感標簽的體積，符合UHF EPCC1Gen—2 無線射頻通信協(xié)議的讀寫器都可以讀取該傳感標簽采集的數(shù)據(jù)或?qū)⒅噶钚畔懭霕撕灒梢詳U展成不同類型傳感器的智能標簽，結(jié)合上位機能實現(xiàn)信息反饋和物流操作信息提示等功能。預期該智能標簽經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，應(yīng)用場景更加廣泛。

［1］ 周恩輝，肖 謐，毛陸虹，等.應(yīng)用于無源RFID 標簽的BICMOS 溫度傳感器［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(1):68－71.

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［9］ NXP Semiconductors.SL3S4011_4021 UCODE I2C Product datasheet［EB/OL］.［2013—07—09］.http:∥www.cn.nxp.com/documents/data_sheet/SL3S4011_4021.pdf.

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