劉銘，孫科學(xué),2，王淑媛，周文斌

(1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023；2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023)

基于Nios II的RFID物流管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

(1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023；2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023)

當今社會，物流管理越來越受到人們的重視，為提高物流管理系統(tǒng)效率，減少出錯率，RFID物流管理系統(tǒng)被提出。同時因為嵌入式技術(shù)具有靈活性強、集成度高以及價格低廉等優(yōu)勢，利用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)RFID成為主流。設(shè)計了一種基于Nios II的RFID物流管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由Nios II嵌入式軟核、FPGA開發(fā)組件、撥碼開關(guān)、LCD液晶屏、矩陣鍵盤等組成。該系統(tǒng)可以對一定范圍內(nèi)的倉庫物品信息實現(xiàn)實時讀寫，并將結(jié)果顯示在液晶屏上，用戶可以通過鍵盤選擇查看相應(yīng)信息，方便對于倉庫中的貨物進行動態(tài)管理。該系統(tǒng)支持多標簽同時操作，可以用于倉庫管理，提高物流管理的效率，減少出錯率。

無線射頻識別；Nios II；物流管理系統(tǒng)；防碰撞算法

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟一體化的推行，物流產(chǎn)業(yè)在服務(wù)業(yè)中的地位越來越高。而全球電子商務(wù)、供應(yīng)鏈由于信息傳遞的不及時、信息失真、信息交換錯誤所造成的損失每年高達數(shù)千億美元。如今，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，將RFID技術(shù)應(yīng)用于物流管理系統(tǒng)具有提高效率、減少出錯率等優(yōu)點[1-4]。而隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，當前嵌入式技術(shù)具有軟件代碼較小、自動化程度較高、反應(yīng)速度較快等顯著特征[2-8]。

目前利用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)RFID已經(jīng)逐漸成為主流，其實現(xiàn)方式是利用Linux和ARM處理器為核心并通過擴展無線通信模塊實現(xiàn)物流管理系統(tǒng)[9-11]。文中采用Nios II軟核實現(xiàn)物流管理系統(tǒng)，比起ARM更靈活，同時分析了所用的防碰撞算法并給出了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。文中設(shè)計了一個實現(xiàn)空中接口通信協(xié)議ISO18000-6B基本通信功能的RFID數(shù)字基帶系統(tǒng)。通過DE2開發(fā)板的Cyclone II EP2C35FPGA與Nios Ⅱ嵌入式處理器與外圍電路實現(xiàn)相應(yīng)功能，使得系統(tǒng)可以對一定范圍內(nèi)的倉庫物品信息實現(xiàn)實時讀寫，并將結(jié)果顯示在液晶屏上，用戶可以通過鍵盤選擇查看相應(yīng)信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

文中所述的RFID系統(tǒng)總體設(shè)計包括一個閱讀器與八塊應(yīng)答器(見圖1)，而閱讀器又包括Nios II軟核與基帶信號處理模塊。MCU負責(zé)處理用戶交互與數(shù)據(jù)管理，基帶信號處理模塊負責(zé)處理數(shù)字基帶信號并且把結(jié)果匯總到Nios。應(yīng)答器有八塊，用于模擬多個電子標簽沖突，實現(xiàn)驗證防碰撞算法的功能。

圖1 RFID系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

用戶將閱讀器打開后，閱讀器自動檢測一定范圍內(nèi)的應(yīng)答器，并向其發(fā)送通信命令，應(yīng)答器收到命令后向閱讀器發(fā)送自身信息，通信雙方均遵循ISO18000-6B協(xié)議。由于實際情況中會有大量應(yīng)答器同時應(yīng)答的情況，閱讀器之后通過防碰撞算法讀取收到的每一個應(yīng)答器的信息并將其通過上位機處理，最終將這些信息通過液晶屏顯示給用戶。用戶可以通過鍵盤來選擇查看每一個應(yīng)答器所帶有的不同信息，達到物流管理的目的。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)詳細設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 應(yīng)答器設(shè)計

應(yīng)答器包括前導(dǎo)碼檢測模塊、曼徹斯特碼解碼模塊、下行幀解析模塊(包括Gold序列生成模塊與CRC校驗?zāi)K)、上行幀組幀模塊、FM0碼編碼模塊、前導(dǎo)碼生成模塊以及輔助模塊分頻與輸出數(shù)據(jù)選擇。整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)答器總體設(shè)計框圖

數(shù)據(jù)流由din輸入，首先經(jīng)過前導(dǎo)碼檢測模塊，檢測到幀頭即發(fā)送sof通知后級，隨后曼徹斯特碼解碼模塊負責(zé)解出信息，由下行幀解析模塊解析并判斷是否應(yīng)答，隨后上行幀組幀模塊組幀并且控制前導(dǎo)碼生成模塊生成前導(dǎo)碼，信息由FM0碼編碼模塊編碼輸出。通過這些模塊的配合完成一個通信過程的應(yīng)答。

整個系統(tǒng)運行時鐘為40 kHz，由于前導(dǎo)碼檢測模塊、前導(dǎo)碼生成模塊、曼徹斯特碼解碼模塊、FM0碼編碼模塊需要解數(shù)字基帶信號，因此采用雙倍速率80 kHz解碼。

2.2 閱讀器設(shè)計

閱讀器總體可以分為Nios II軟核與基帶信號處理模塊。Nios II軟核涉及軟件部分(詳見后文)，這里只介紹基帶信號處理模塊。閱讀器的基帶信號處理模塊包括前導(dǎo)碼檢測模塊、FM0碼解碼模塊、上行幀解析模塊、閱讀器防碰撞算法模塊、下行幀組幀模塊(包括CRC校驗?zāi)K)、曼徹斯特碼編碼模塊、前導(dǎo)碼生成模塊、輔助分頻模塊以及輸出數(shù)據(jù)選擇。整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)流由din輸入首先經(jīng)過前導(dǎo)碼檢測模塊，檢測到幀頭即發(fā)送sof通知后級，隨后FM0解碼模塊負責(zé)解出信息，由下行幀解析模塊解析。最終解析結(jié)果直接反饋給閱讀器防碰撞算法模塊，由其運行防碰撞算法并且正確得到單一的UID時與上位機(Nios II軟核處理器)通信，最終決定下面的行為。得到發(fā)送命令幀的指令后指令將傳遞給下行幀組幀模塊由其組幀并且發(fā)送。

圖3 閱讀器(基帶信號處理模塊)總體設(shè)計框圖

整個系統(tǒng)運行時鐘為40 kHz，由于前導(dǎo)碼檢測模塊、前導(dǎo)碼生成模塊、曼徹斯特碼編碼模塊、FM0碼解碼模塊需要解數(shù)字基帶信號，因此采用雙倍速率80 kHz解碼。

2.3 防碰撞算法設(shè)計

文中所設(shè)計的RFID物流系統(tǒng)中，應(yīng)答器與閱讀器間的通信采用ISO18000-6通信標準。ISO18000-6是UHF頻段RFID的國際標準，UHF射頻產(chǎn)品適合于遠距離識別，且對環(huán)境影響較小，目前受到了廣泛的關(guān)注[12-14]。其中，根據(jù)RFID相關(guān)參數(shù)的不同又分為ABC三種類型。隨著RFID標簽的大規(guī)模應(yīng)用，標簽的碰撞問題嚴重影響了RFID系統(tǒng)的性能，而防碰撞算法是解決該問題的關(guān)鍵[13]。對于防碰撞算法，A類使用ALOHA算法，B類使用二叉樹算法，C類使用時隙隨機反碰撞算法。由于B類具有幀格式簡單、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，文中使用B類，即二叉樹算法。具體流程見圖4。

當閱讀器接到上位機指令后進入防碰撞算法流程。整個流程可以簡單概括為：閱讀器先向應(yīng)答器發(fā)送選擇命令(成功命令)。若接收到單一應(yīng)答，則未發(fā)生碰撞，流程結(jié)束。若接收到多個應(yīng)答，則發(fā)生碰撞，閱讀器向應(yīng)答器發(fā)出失敗命令等待結(jié)果，如果響應(yīng)超時則發(fā)送成功命令(組選命令)。

2.4 Nios II設(shè)計

NiosⅡ嵌入式處理器是由Altera公司推出的，采用哈佛結(jié)構(gòu)、具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器，其最大優(yōu)勢和特點是模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，以及由此帶來的靈活性和可裁減性。將Nios II嵌入式處理器軟核應(yīng)用到數(shù)字信號處理器中,大大增強了整個設(shè)計系統(tǒng)的靈活性和完整性[15]。

圖4 防碰撞算法流程圖

文中所述系統(tǒng)的軟件部分主要由Nios Ⅱ嵌入式處理器完成。軟件部分總體可以分為系統(tǒng)調(diào)度模塊、12864液晶驅(qū)動模塊、矩陣鍵盤驅(qū)動模塊、閱讀器數(shù)據(jù)處理通信模塊。其中，系統(tǒng)調(diào)度模塊負責(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、函數(shù)調(diào)用等。12864液晶驅(qū)動模塊與矩陣鍵盤驅(qū)動模塊使用的是成熟的驅(qū)動，完成與系統(tǒng)調(diào)度函數(shù)接口后，利用系統(tǒng)API:void display(char *s,char,char);void KeyScanISR(void *context,ulong id);可以完成對12864液晶的輸出與對矩陣鍵盤的輸入。

顯示模塊第一行顯示此時是第幾個標簽，總共有幾個標簽；第二行顯示當前標簽的UID；第三行顯示電子標簽內(nèi)部存儲器的信息；第四行顯示需要寫入的庫存代號。

閱讀器數(shù)據(jù)處理通信模塊完成對閱讀器數(shù)字邏輯部分的通信與數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)開始后模塊讓閱讀器處于識別指令狀態(tài)運行防碰撞算法識別出電子標簽；等待響應(yīng)后對電子標簽有效數(shù)據(jù)進行讀取，獲得貨物信息；同時改寫入庫信息等，完成所有讀寫操作后丟棄該標簽，識別下一個標簽。獲得的信息均暫存到運行RAM中，等待用戶查詢或處理。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)開始工作后，顯示歡迎界面，等待用戶操作。若此時有貨物入庫，則系統(tǒng)讀取并存入貨物信息。如有多件貨物入庫，則經(jīng)防碰撞算法后讀寫并存儲貨物信息。用戶可以通過矩陣鍵盤的相關(guān)按鍵實時查看當前存儲的貨物的具體信息，進行相應(yīng)管理。具體流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)束語

文中采用Nios II軟核來實現(xiàn)物流管理系統(tǒng)，相較于采用ARM來實現(xiàn)更靈活和方便。同時也分析了所用的防碰撞算法并給出了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以對一定范圍內(nèi)的倉庫物品信息實現(xiàn)實時讀寫，并將結(jié)果顯示在液晶屏上，用戶可以通過鍵盤選擇查看相應(yīng)信息，方便對于倉庫中的貨物進行動態(tài)管理。

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Design and Implementation of Logistics Management System of RFID Based on Nios II

LIU Yan-ming1，SUN Ke-xue1,2，WANG Shu-yuan1，ZHOU Wen-bin1

(1.School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023,China；2.Jiangsu Province Engineering Lab of RF Integration & Micropackage,Nanjing 210023，China)

Nowadays,people pay more and more attention to logistics management.In order to improve the efficiency of logistics management system and reduce the error rate,the RFID logistics management system is proposed.At the same time,because the embedded technology has the advantages of flexibility,high integration and low price,the use of embedded technology to achieve RFID becomes the mainstream.A RFID logistics management system based on Nios II is designed,and the system includes the Nios II embedded soft core,FPGA development kit,dial code switch,LCD and matrix keyboard.The system can achieve real-time reading and writing of warehouse goods information in a certain range,and show the results on the LCD screen.The user can select the relevant information through the keyboard to facilitate the dynamic management of the goods in the warehouse.The system supports multiple tags operations,which can be used for warehouse management,improving the efficiency of logistics management,reducing the error rate.

RFID;Nios II;logistics management system;anti-collision algorithm

2016-01-15

2016-04-20

時間：2016-09-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(61271334)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(15KJD510001)；南京郵電大學(xué)實驗室工作研究重點課題(2016XSG02)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃

劉銘(1994-)，男，研究方向為數(shù)字信號處理及其FPGA實現(xiàn)；孫科學(xué)，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電子電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)與通信軟件設(shè)計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0843.066.html

TP302

A

1673-629X(2016)10-0142-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.031