馮曉榮

【摘 要】為了保障工廠叉車安全運(yùn)行，本文利用RFID技術(shù)，以STM32微控制器為核心，以CC2530芯片進(jìn)行RFID射頻通信及室內(nèi)定位，設(shè)計(jì)了叉車安全距離的檢測方案，詳細(xì)介紹了整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)的軟硬件組成。

【關(guān)鍵詞】RFID；CC2530；射頻驅(qū)動(dòng)；報(bào)警

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，物流倉儲(chǔ)行業(yè)正迅猛發(fā)展，叉車是倉儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要角色。叉車的運(yùn)行安全是物流管理者們關(guān)心的一個(gè)重點(diǎn)，同時(shí)將叉車納入到數(shù)字物流網(wǎng)絡(luò)中，也是一個(gè)勢在必行的趨勢。

1 整體結(jié)構(gòu)及功能

設(shè)計(jì)總體由射頻身份識(shí)別及定位系統(tǒng)，安全距離檢測報(bào)警系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)接入三部分組成。具體包括以STM32微控制器為核心的控制模塊，以CC2530為射頻驅(qū)動(dòng)的射頻讀寫器及標(biāo)簽?zāi)K，由控制核心驅(qū)動(dòng)的液晶顯示模塊，用于互聯(lián)網(wǎng)接入的GSM/LTE模塊，以及揚(yáng)聲器和閃光燈組成聲光報(bào)警模塊。

射頻部分由叉車車載射頻讀寫器和有源標(biāo)簽組成。車載讀寫器安置于叉車頂部隨車運(yùn)行，有源標(biāo)簽分為三類：由現(xiàn)場工作人員隨身佩戴的標(biāo)簽，安裝倉儲(chǔ)中被運(yùn)送的貨物上的標(biāo)簽，安裝于倉庫的固定位置的標(biāo)簽。 由車載讀寫器對周圍的每個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別及定位，以獲取倉庫中的貨物及人員信息，經(jīng)由主控制器將讀取到的貨物及人員信息及時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)物流的動(dòng)態(tài)更新。

安全距離檢測報(bào)警模塊由聲音警報(bào)部件和閃光警報(bào)部件構(gòu)成。經(jīng)由射頻定位系統(tǒng)獲取的人員位置分布信息，交由主控制器內(nèi)部建模，得到叉車位置-人員位置分布圖，通過智能算法，計(jì)算工作人員與叉車的距離，當(dāng)距離過近時(shí)，聲光報(bào)警可以對叉車司機(jī)及工作人員起到提醒作用，提醒大家避讓，保證安全。

同時(shí)，配合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將物流信息下載至終端，通過液晶屏將相關(guān)信息顯示給叉車駕駛員，提示需要運(yùn)送貨物的相關(guān)信息并指引駕駛員貨物所在區(qū)域，利用RFID讀取當(dāng)前所搬運(yùn)的相關(guān)信息進(jìn)行核對，貨物搬運(yùn)至指定地點(diǎn)或者裝載到指定運(yùn)載車輛后，將相應(yīng)回執(zhí)信息上傳至物聯(lián)網(wǎng)中心服務(wù)器。使駕駛員做到心中有數(shù)，防止取錯(cuò)貨物，放錯(cuò)地方。

通過該終端，可以有效輔助叉車駕駛員安全駕駛，提示與核對貨物運(yùn)送信息，并將相關(guān)信息與物聯(lián)網(wǎng)同步，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)叉車車輛使用管理，員工上下班自動(dòng)簽到等功能。提高叉車運(yùn)行系統(tǒng)的安全性，可靠性和有效性。

2 硬件組成

2.1 主控制器

綜合考慮系統(tǒng)的功耗及定位時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算的需求，系統(tǒng)采用了以ARM Cortex？誖M4的 STM32F4系列單片機(jī) （MCU）為核心，通過核心芯片的SDIO接口連接GSM/LTE模塊，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的接入，使得該系統(tǒng)成為名副其實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)終端。經(jīng)同步通信SPI接口連接RFID讀寫器，與RFID建立通信，得到各個(gè)標(biāo)簽的狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)信息之后，運(yùn)用Cortex？誖-M4內(nèi)核的浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），將標(biāo)簽的狀態(tài)信息通過相應(yīng)的算法解算得到對應(yīng)的定位數(shù)據(jù)。與FSMC接口相連接的液晶屏可以實(shí)時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 射頻通信系統(tǒng)

射頻通信系統(tǒng)選用2.4GHz的高性能射頻收發(fā)器CC2530，實(shí)現(xiàn)極低功耗的RF應(yīng)用。由于該款芯片工作于2.4G頻段（UHF頻段），相較于低頻（13.56MHZ）的射頻方案，由于其頻率更高，能量集中，方向性好，相比于較低頻方案的0～50cm的檢測距離，該款方案可達(dá)到幾米甚至幾十米的檢測距離，通過將多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互連接，來實(shí)現(xiàn)更大范圍的覆蓋。符合在室內(nèi)環(huán)境（倉儲(chǔ)區(qū)）識(shí)別的使用要求，能夠?qū)υ搮^(qū)域所有標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)“進(jìn)入既識(shí)別”，“識(shí)別即定位”的目標(biāo)，不再需要掃碼或刷卡之類的操作。

圖2

在RFID主模塊中，其SDI為數(shù)據(jù)輸入線，連接到主控STM32F407的SPI 1-PB5管腳，SDO為數(shù)據(jù)輸出線，連接到主控STM32F407的SPI 1-PB4管腳，SCLK為SPI同步時(shí)鐘，由STM32F407的SPI 1-PB3管腳輸出，最高時(shí)鐘頻率500Khz.主控驅(qū)動(dòng)RFID讀寫器，對RFID標(biāo)簽進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)通信。[1]

在RFID從模塊中（有源RFID標(biāo)簽），僅含一小塊電池和CC2530核心電路。通過編程將人員的相關(guān)信息寫入標(biāo)簽，如現(xiàn)場工作人員所攜帶的標(biāo)簽，只需寫入員工的工號(hào)，姓名等基本信息。而貨物上安裝的標(biāo)簽，則只需寫入貨物編號(hào)，運(yùn)單號(hào)等基本信息。

當(dāng)需要找尋某件貨物時(shí)，主控驅(qū)動(dòng)RFID讀寫器向空間發(fā)送該貨物的RFID標(biāo)簽ID，則只有對應(yīng)貨物的標(biāo)簽被喚醒，標(biāo)簽向RFID讀寫器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)送出標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)。而未被呼叫的標(biāo)簽則一直處于休眠狀態(tài)，以達(dá)到降低功耗和減少頻帶占用的目的。

3 軟件及算法設(shè)計(jì)

3.1 定位方法

3.1.1 RFID定位技術(shù)

根據(jù)場所的具體情況，按需要布置輔助標(biāo)簽和讀寫器。通過采用兩種方法來確定輔助標(biāo)簽距離讀寫器的遠(yuǎn)近。

第一種方法是測量讀寫器天線接收到信號(hào)的強(qiáng)度，標(biāo)簽以固定功率向空間發(fā)射信號(hào)，讀寫器距離標(biāo)簽越遠(yuǎn)，讀寫器天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度就越弱。讀寫器與標(biāo)簽的距離越近，讀寫器的天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度就越強(qiáng)。

第二種方法是用讀寫器發(fā)送信號(hào)與讀取到標(biāo)簽信息之間的延遲時(shí)間來表示標(biāo)簽與讀寫器的距離。延遲時(shí)間越短，標(biāo)簽距離讀寫器越近；延遲時(shí)間越長，標(biāo)簽距離讀寫器越遠(yuǎn)。[2-3]

3.1.2 距離測量

RFID定位的兩種方案中，選擇的是測量讀寫器天線接收到信號(hào)強(qiáng)度的方法。根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波在自由空間中傳播時(shí)，其能量的衰減與傳播距離的二次方成反比，當(dāng)發(fā)射機(jī)機(jī)以一定功率向空間發(fā)射信號(hào)時(shí)，接收到的信號(hào)強(qiáng)度的為：

其中，Pr為接收機(jī)天線收到的信號(hào)強(qiáng)度，可通過SPI數(shù)據(jù)總線從RFID讀寫器CC2530內(nèi)部寄存器中讀取得到，Pt為RFID射頻標(biāo)簽的發(fā)送功率，發(fā)送時(shí)設(shè)定發(fā)射功率為恒定值，Gt、Gr分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線增益，均為恒定值，λ為載波波長，對應(yīng)2.4G信號(hào)λ=0.125m，D即為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離。[4]

實(shí)際使用時(shí)接收天線的信號(hào)強(qiáng)度可從CC2530的內(nèi)部寄存器當(dāng)中讀取得到，由CC2530數(shù)據(jù)手冊中查閱知，在RFID標(biāo)簽響應(yīng)讀寫器向讀寫器發(fā)送標(biāo)簽內(nèi)信息的同時(shí)，CC2530在接收的狀態(tài)下， 通過主控與CC2530之間的數(shù)據(jù)總線訪問CC2530地址為0X6189的寄存器，將得到的有效二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的數(shù)，即是接收到的信號(hào)強(qiáng)度，單位為dB。[5]

3.1.3 位置確定

如圖，A，B兩點(diǎn)為安裝在叉車頂部的兩根讀寫器天線，距離d，C點(diǎn)為佩戴于現(xiàn)在地面工作人員身上的標(biāo)簽手環(huán)，通過上面的方法測得距離AC為d1，BC距離為d2。現(xiàn)以A點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系。并通過計(jì)算得到C點(diǎn)（標(biāo)簽）的位置。

通過將d1，d2帶入上式，即可解得，從而確定現(xiàn)在人員相對于叉車的位置。

3.2 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)采用STM32作為主控， CC2530為射頻方案。使用IAR公司的IAR Embedded Workbench編譯器為主控芯片STM32編寫代碼并下載到芯片內(nèi)部。而對CC2530的開發(fā)則使用SmartRF軟件作為開發(fā)環(huán)境。針對人員定位部分的系統(tǒng)工作流程圖如下：

系統(tǒng)啟動(dòng)初始化之后，會(huì)首先掃描未注冊的新標(biāo)簽，發(fā)現(xiàn)有未注冊的標(biāo)簽，立即與之通信，讀取相關(guān)信息后寫入現(xiàn)在人員信息表中。

其后，系統(tǒng)會(huì)逐一與已注冊的標(biāo)簽通信，以此來確認(rèn)相應(yīng)的人員還在制定區(qū)域內(nèi)，同時(shí)對其進(jìn)行定位，將所有人員的定位結(jié)果以雷達(dá)顯示器的方式顯示與液晶屏中，并判斷是否存在與叉車距離過近的人員，如存在，則通過聲光系統(tǒng)，提醒叉車駕駛員注意周邊人員，小心駕駛。

4 性能指標(biāo)

4.1 識(shí)別容量及定位精度。

在使用環(huán)境中，通過對信道進(jìn)行分配，未被呼叫的標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)，一呼叫一應(yīng)答等辦法，有效提高頻帶利用率，使得信道容量得到最大提升，同時(shí)消除標(biāo)簽與標(biāo)簽，讀寫器與讀寫器之間的干擾，使得在同一環(huán)境當(dāng)中，識(shí)別數(shù)量得到最大提升。受主控制芯片在定位建模時(shí)的運(yùn)算能力限制，一臺(tái)讀寫器可以同時(shí)定位500枚標(biāo)簽且定位精度達(dá)到30cm級別。

4.2 響應(yīng)時(shí)間

在對環(huán)境中的人員標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別定位時(shí)，使用的是逐一識(shí)別定位的辦法，識(shí)別完上一目標(biāo)后，才會(huì)繼續(xù)呼叫下一目標(biāo)。經(jīng)實(shí)測，平均每處理一個(gè)目標(biāo)，所需時(shí)間約為2ms，所以環(huán)境中目標(biāo)越少，掃面周期越短，數(shù)據(jù)更新速度越快。當(dāng)環(huán)境中滿載進(jìn)入500個(gè)目標(biāo)時(shí)，全面掃面一次需要的時(shí)間約為1s，目標(biāo)數(shù)減少時(shí)周期相應(yīng)變短，相應(yīng)的，當(dāng)一個(gè)新的標(biāo)簽進(jìn)入識(shí)別范圍時(shí)，最慢在1s后即被系統(tǒng)識(shí)別到。

4.3 識(shí)別準(zhǔn)確率

設(shè)計(jì)中射頻部分采用CC2530方案，RF內(nèi)核控制模擬無線電模塊。因其具有載波監(jiān)聽，自動(dòng)檢錯(cuò)，糾錯(cuò)重發(fā)等先進(jìn)技術(shù)，在環(huán)境中標(biāo)簽數(shù)量小于500枚的情況下，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%。當(dāng)標(biāo)簽多于500枚后，多出的部分將會(huì)無法識(shí)別到，但仍然能保持至少500枚標(biāo)簽準(zhǔn)確的識(shí)別定位保障。

5 結(jié)論

基于RFID技術(shù)的叉車安全距離檢測設(shè)計(jì)為叉車的運(yùn)行安全管理提供安全保障，為物流管理提供了數(shù)字物流網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，也是一個(gè)勢在必行的趨勢。

【參考文獻(xiàn)】

[1]http：//datasheet.eeworld.com.cn.

[2]于濤.RFID定位技術(shù)與應(yīng)用研究[D].南京郵電大學(xué)，2015.

[3]周俊儒.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)研究[J].浙江大學(xué)，2014.

[4]金銳.電波傳輸特性對高速鐵路通信系統(tǒng)的影響[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[5]http：//datasheet.eeworld.com.cn.

[責(zé)任編輯：田吉捷]