西门子6ES7510-1SJ01-0AB0

在分析RFID的物流仓储管理应用背景的基础上，对设计所用标签进行了简要说明，提出了一种RFID读写器设计方案，重点设计了RFID读写器硬件和软件模块。其中，硬件模块设计主要包括接收/发送模块、对外接口模块、控制模块和供电管理模块；软件模块设计主要包括主程序设计和防冲突程序设计两部分。
关键词：物流仓储管理RFID读写器标签
    RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术是一种利用无线射频通信实现远距离识别的非接触自动识别技术。与现代物流领域普遍使用的条码技术相比，它在读写距离、保密性、智能化、环境适应能力以及使用寿命方面都有显著的优势。
    目前，世界范围内针对RFID的物流应用存在两种编码体系，一种是日本UID（Ubiquitous ID）中心提出的UID编码体系，另一种是美国EPC（Electronic Production Code，电子产品代码）环球协会提出的EPC电子产品编码标准。这两种标准在所使用的无线频段、信息位数和应用领域等方面都有所不同。而我国还没有自己正式的标准，但是有关RFID在900MHz频段应用的电磁检测工作已经基本完成，我国为关心的是ISOl8000～6标准。本质上EPC标准和IS018000并不矛盾，对于物流应用，EPC标准则更为完善。
    另外，对于物流应用来说，成本是企业关心的问题。在满足需要的前提下，选择低成本是首当其冲的。UHF（915MHz）射频工作距离大概在10m左右，已经能够满足物流应用的需求，而且成本要比微波段低得多。特别是UHF射频允许采用相对较小的方向性天线，这将使读写器的辐射波束定向到一个特定的区域，这种特点使读写器能够抵御来自于其他读写器或发射机的潜在干扰。
    鉴于上述情况，为了促进RFID系统在我国物流仓储管理领域的大规模应用，本文提出了一种基于物流仓储管理应用的读写器设计方法。该读写器的设计参照EPC标准，采用915MHz工作频率，以某公司的RFID标签芯片的读写为目标，电路设计简单，应用灵活，生产成本低廉。
    1 标签功能简介
    本设计所采用的标签为工作在860MHz～960MHz的长距离无源标签，符合IS018000-6标准，工作距离可达8.4m（具体视天线情况而定），尤其适用于美国物流供应链管理和后勤保障系统。该标签主要有如下特点：
    （1）通过RF前端的模拟电路将天线接收能量部分转化为电量，为内部电路供电。
    （2）内部包含有16位CRC（循环冗余校验）编码，具有很高的数据完整性。
    （3）拥有快速防冲突机制，运用自身防冲突算法实现了真正的内部冲突判断以及防冲突。
    （4）采用64位EPC编码，且内部包含216字节用户自定义存储空间。
    当标签进入RF区域后，标签被激活。如果RF区域信号强度达到标签工作能量的需要，则标签进入准备工作状态，等待接收读写器发送的指令。标签接收以及发送的数据都将经过CRC进行差错校验。同时，还通过曼彻斯特编码以及FM0编码对数据进行进一步的保护，以此来保证数据的安全性。读写器通过外部命令结合标签内部防冲突算法来实现多个标签数据的同时读取与写入。
    2 RFID读写器设计
    2．1 硬件设计
    RFID读写器应用在仓储管理中，除完成简单的射频信号收发处理之外，还需要连接上层仓库管理系统（Warehouse Management System，WMS），将接收到的标签信息传送到WMs中，以便于系统完成仓库的入库、盘点、出库管理等操作。同时，将物品的货位等信息通过WMS写入物品标签。所以读写器总体结构包括四个模块：接收/发送模块、控制模块、对外接口模块和供电管理模块。射频电路的发送和接收模块均由射频信号形成和信号处理两个单元组成，射频功率放大器对已形成的射频信号进行功率放大，线性放大器对所接收到的射频信号进行线性放大。所选芯片如表1所示。

[align=centeroadpic/THESIS/2007/4/20070418112626488345.jpg[/IMG]

    在射频电路设计中，防止和抑制电磁干扰，**电磁兼容性，是非常重要的环节。要选择介电常数公差小的基材，并对电路的射频部分和数字部分进行分块处理。射频部分应尽量使用SMT（表帖式）元件，减少过孔，并在表面加接地金属屏蔽层。各模块具体设计如下所述。
    2．1．1 接收/发送模块
    接收/发送模块功能框图如图1所示。收/发及调制解调芯片选用TI公司的TRF6901，功率放大芯片选用Freescale半导体器件公司的MW4IC915GMBR1芯片，线性信号放大芯片选用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片内部集成了完整的射频接收和发送电路，可以组成一个半双工射频收发电路。其工作频率可以通过编程进行微调，频率范围为860MHz～930MHz。MW4IC915是为GSM应用而设计的一款宽频带功率放大芯片，它采用了Freeseale公司新的大电压LDMOSIC技术，可以工作在750MHz～1000MHz频段内，线性性能几乎覆盖整个应用频段。RF2132是砷化镓异质结器件（HBT），能够很好地满足射频电路对放大功率、效率以及供电电压的要求。

本设计中各芯片工作频率为915MHz。TRF6901调制方式为OOK，这可通过将内部B寄存器第4位置零来实现。TRF6901将所需发送信号通过PA引脚送至MW4IC915的REIN引脚，对信号进行功率放大之后，由天线发射出去；天线接收来的信号通过RF2132对其进行线性信号放大，之后进TRF6901的LNA引脚，由TRF6901对接收信号进行处理，完成读写器前端的数据交换任务。
2．1．2 对外接口模块
图2所示的对外接口模块为电平转换电路，主要器件为ICL232。ICL232芯片完成读写器内部TTL电平与RS-232电平的转换，通过连接标准9针串口与外部计算机连接。它是一款符合EIA RS-232标准和V28规范的双向RS-232发送，接收接口芯片，负责完成电路的TTL/CMOS电平到标准串口电平的转换，并能通过滞后改善数据接收的噪声抑制。引脚l与3之间接1μF电容，引脚2通过1μF电容接5V电源，三个引脚构成+5V电平到+1OV电平的转换电路；引脚4与5之间接1μF电容，引脚6通过lμF电容接地，三个引脚构成+IOV电平到-10V电平的转换电路。

2．1．3 控制模块
控制模块结构如图3所示。读写器内部控制任务主要由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速MCU。同8051相比，它减少了机器指令执行时间以及存储周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持无外部存储元件的片上1KBSRAM，节约了更多的I/O引脚。它拥有四个8位I/O端口和一个附加的4位I/O口以及等待状态控制信号，三个16位定时，计数器，12个两中断优先级的中断源，两个加强型全双工串行通信端口以及可编程看门狗定时器；只需外加复位、晶体振荡电路和供电电路即可。

    本设计中，W77E58工作频率为40MHz。它的P1口连接TRF6901各个控制引脚，完成对收发芯片的控制并提供数据传输所需时钟信号等；串口1连接TRF6901的数据收发端，实现数据的串行通信。MCU串口0连接芯片ICL232，通过异步通信完成数据传输，只要设定w77E58串口1工作在方式l，选择与计算机同样的波特率即可。该部分设计主要集中在程序设计部分，将Pl口当作普通I/O口用即可。
    2．1．4 供电管理模块
    供电管理模块电路原理图如图4所示。LM317T是一个三端电压调节装置，通过改变可变电阻R6的值，可提供1.2V～37V的供电电压。同时提供IC负载过电保护。供电管理模块电路的输入端与输出端均并联一个适合于滤除低频噪声的钽电容和一个适合于滤除高频噪声的独石电容，以**电源的品质。

    2．2 软件设计
    读写器软件设计主要包括主程序设计和标签读写防冲突程序设计两部分。
    2．2．1 主程序设计
    读写器应用在物流仓储管理中，需要连接上层WMS系统，所以读写器工作在PC机监控之下，PC机与读写器以主从方式通信。如图5所示，本设计中由于收发芯片内部工作方式通过外部引脚连接MCU对内部寄存器编程进行控制，所以主程序中还包含工作方式修改程序，**了读写器应用的灵活性；同时还包括RSSI（信号强度检测），大大改善了读取数据的正确性。MCU在完成了正常的上电复位以及初始化过程之后，PC机提示用户是否要进行内部工作方式设定及修改，如果需要，则转去处理工作方式修改程序，否则MCU进入准备工作状态，准备接收PC机发送的相关执行指令。MCU接收到指令后转去处理相关程序。处理完毕，返回结果信息并再次进入等待状态。
    2．2．2 防冲突程序设计
    防冲突程序设计是读写器程序设计中的一个重要组成部分。当读写器进入工作状态时，在其天线覆盖范围内的所有标签将被激活，处于等待状态，随时准备响应读写器指令操作，这就造成了标签读写冲突。为了解决这一问题。标签内部设计了自带防冲突机制，只需利用相关的指令集辅助设计一种防冲突程序即可。防冲突程序流程图如图6所示。当处于激话状态的标签接收到读写器SELECT命令时，便发送自身UID给读写器。此时如果有一个以上的标签同时发送UID，则读写器翔定冲突发生，发送FAIL命令给标签，标签通过内部防冲突算法对自身相关参数值进行修改。之后，符合条件的标签将再次发送UID给读写器，由读写器判定冲突，重复上述操作，直到只有一个标签符合条件，则跳出防冲突程序，进入标签后续处理程序，同时，剩余标签自动修改自身相关数值，为下一次读取做准备；如果此时没有符合条件的标签，则读写器发送SUCCESS命令，标签修改自身参数，等待读写器检测命令。

本文在深入分析当前RFID系统在物流仓储管理领域应用背景的基础上，提出了一种基于物流仓储管理的读写器设计方法。该读写器设计简单，应用灵活，生产成本低廉。今后将在实际的物流仓储管理中应用该读写器，并针对实际应用中出现的读写速度、距离、保密性等方面的一些问题，对读写器设计做进一步的改进，以使其总体性能有大幅度的**，促进RFID系统在我国物流仓储管理领域的大规模应用

一、引言

自2003年国内部分省市实行计重收费以来，动态车辆称重设备的使用越来越广泛，但由于设备供应商实力和实施经验的参差不齐，早安装的称重设备并非都能令业主满意。随着2005年交通部《收费公路试行计重收费指导意见》的出台和《全国治超检测站点规范化建设试点工程实施方案》通知的下发，全国许多省份针对于收费公路的计重收费设备和超载检测设备相继步入新设备试点运营、大规模设备采购和旧产品更新换代的调研阶段。很多衡器厂家和公路机电设备供应商看好其巨大的市场前景而通常采用“拿来主义”纷纷上马，其中出现诸多对于动态车辆称重设备（系统）认识、研究不够的情况，新一轮关于动态车辆称重设备应用及其技术指标的浮夸之风越演越烈。但是，动态车辆称重设备与一般静态称重汽车衡是有其特殊性的。动态车辆称重设备技术含量高、使用频率高，项目投资大、施工周期长，对供应商综合实力要求较高，若技术上、资金上没有把握而匆匆上马隐含着很大的风险。一旦设备性能不达标，施工不合格，可靠性和工期不能满足业主实际要求，将会对各方面造成重大损失。

二、动态称重系统的标准和规范

    公路车辆动态称重设备（系统）在国外的良好运行已有近20年的历史，在我国普遍采用却还只是近3、4年的事情。
    近年来，随着交通调查、超限治理和计重收费工作的不断深入，动态车辆称重设备在国内得到了越来越多的应用，系统的实施和技术得以跨跃式的发展，其周边设备及应用范围的不断延伸，逐步集成化、系统化。目前，在《动态公路车辆自动衡器国家标准》正式出台之前，为满足生产、检定等应用需求，国家质量监督检验检疫总局根据OIML R134国际建议《动态公路车辆自动衡器》＜Automatic Instruments for Weighing Road Vehicles in Motion＞2004年第五草案版颁布了JJG907-2006作为动态车辆称重设备（系统）的检验规程和规范依据。
    作为动态车辆称重系统应用开展早的国家之一，美国材料试验协会于1990颁布了《公路动态称重系统标准规范及用户要求和试验方法》＜Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion（WIM）Systems with User Requirements and Test bbbbbbs＞，详细说明、规定了动态称重系统应用的准确度等级划分、站点技术要求和试验程序和方法等，这也是目前国际上唯一一个正式发布的动态车辆称重设备标准。其他有关于动态车辆称重设备应用的标准或规范还有欧洲的COST 323 European WIM Specification等。
目前，国内厂家根据自身技术渊源和对于动态公路车辆自动衡器（系统）研究深入的程度，其产品的生产、检验和标称采用多的是JJG907（新版于2006年11月23日实施）和ASTM E1318（新版为2002版）。
    两个版本规程（规范）的出发点和颁布角度不尽相同，但都分别规定了动态车辆称重设备适用范围、准确度等级、技术要求、计量器具控制程序，描述了动态车辆称重设备的站点安装实践指导和操作通用要求。
1．JJG907-2006规程的主要内容
    该规程主要作为动态车辆称重设备的型式评价、产品生产、检定的具体程序和依据。规程中对于车辆轴载荷（单轴载荷或轴组载荷）及整车总重量分别划分准确度等级，其中，车辆轴载荷准确度等级划分为6个等级，表示为：A，B，C，D，E，F；整车总重量准确度等级也划分为6个等级，表示为：0.2，0.5，1，2，5，10。
    分别用双轴刚性车辆和非双轴刚性车辆试验，以静态参考单轴载荷约定真值百分比表示的车辆轴载荷大允许误差和单轴载荷（或轴组载荷）修正平均值百分比表示的车辆轴载荷大允许偏差见表1。车辆总重量约定真值的百分比表示的车辆总重量大允许误差见表2。

表1 车辆轴载荷大允许误（偏）差

表2 整车总重量的大允许误差

2．ASTM E1318-02规范的主要内容
    该规范主要对于动态车辆称重设备的应用类型、特征及准确度做出具体规定，指导实际应用，对于用户需求、用户要求和站点要求都有明确描述。根据动态称重系统的应用场合、应用特征和适用速度范围划分为四种Type，分别用符号表示为：Type I，Type II，Type III，TypeIV。
    Type I，用于交通数据采集站，设计安装在1个或多个车道，适用速度范围：16～130km/h，检测规定限值的可疑超限车辆。
    Type II，用于交通数据采集站，设计安装在1个或多个车道，适用速度范围：24～130km/h，系统其他特征和要求同Type I。
    Type III，这种动态称重系统设计使用称重传感元件。系统即可以是布设于交通主线的1个或多个车道，也可以是布设于交通主线旁的称重执法站内，用于识别总重量和轴载超限可疑的车辆，适用速度范围：16～130km/h。系统自动引导可疑超限车辆**称重和非可疑超限车辆继续通行。
    Type IV，设计应用于称重执法站内，检测总重量或轴载超限的车辆，适用速度范围：3～16km/h。系统使用的称重传感器元件（或是承载器）同时支撑一个轮组上的所有轮胎。可以指示轮载，如果适用，也可以指示静态轴载荷。
    四种Type准确度等级及其大允许误（偏）差如表3。

表3 大允许误（偏）差

三、应用误区

1．误区之——速度
JJG907-2006规程中描述到动态称重设备是“安装于称量控制区域内，并规定速度范围行驶的”，但却没有明确规定该速度范围，在投标过程中发现有任意扩大固定式轴重仪标称运行速度范围的情况，但实际应用中，特定的称重设备其运行速度是有一个上限的（见如下论述）。一般来讲，固定式轴重仪可正常运行速度＜20km/h，实际检验过程中，各省市技术监督部门在检验测试过程中，检测车辆速度也都＜20km/h。这一点在ASTM E1318-02中关于Type IV的规定中也有说明，其使用速度范围为：3～16km/h。

    众所周知，在计重收费应用中，称重设备作为相关部门执法和收费的依据，其称重准确度和可靠性都必须是严肃、不可置疑的。我们将利用“称重设备—车辆”系统振动方程的求解结论，论证当前动态车辆称重设备的速度上限。
    上述方程中，是由稳态载荷和动态载荷组成。是车辆自身质量引起的，也是我们所要检测求出的，是车辆振动引起的，且具有明显峰值，据实际采集波形及二阶微分方程求解、分析，可知，不同的车型振动频率集中在3～20Hz的低频范围内，而振幅可达静态载荷的10%左右。
    设秤台的有效采样宽度为800mm（一般的，固定式轴重仪秤台宽度为800mm），车辆行驶速度为20km/h，则载荷作用于秤台的时间，假设动态载荷的低频干扰为10Hz（即振动周期为0.1s）时，而秤台固有频率足够高，此时，称重设备的采样信号长度是动态载荷的干扰长度的1.4倍，采集数据中包含一个完整周期的动态干扰信号，勉强满足对于低频动态干扰信号的滤除。因此，若行驶速度大于20km/h，则采样数据中动态干扰信号将不足一个完整周期，这样的干扰称为短历程的周期干扰，时域中的均值滤波和频域中的各种滤波方法对这种干扰都效果不大，同时考虑到动态载荷干扰的幅值、相位和频率都是随机性，这就决定了目前在动态车辆称重设备中所广泛采用的滑动均值滤波的算法失效，造成了更大的随即误差和不确定度。因此，在有效采样宽度更窄，车辆速度更高的高速预检测系统应用中，必须采用更为**的数学模型和软件处理方式以保证称重准确度。
    所以，在动态称重设备的应用过程中一定要结合实际的使用情况，了解秤台的有效采样宽度、动态处理方式和高运行速度等具有内在关系的指标是否科学严肃、真实可行。
2．误区之——准确度。
    随着计重收费和超限超载治理工作的不断深入开展，越来越多的厂家涌入动态车辆称重设备供应市场。几年来，主流供应商纷纷针对于产品的应用情况，进行了深层的研究和开发，动态称重技术得到长足发展，但是，综观动态车辆称重市场，技术**之势远弱于指标浮夸之风。
    JJG907-2006和ASTM E1318-02中对于动态车辆称重设备的安装都有着明确的强制性指导说明。其中JJG907-2006中关于《动态汽车衡安装的实践指导》的强制性规定中描述到：为了减少行进车辆各轴之间的载荷传递，引道不能有纵向斜坡，其横向斜坡坡度不能超过1%，承载器两端8m的范围内，引道的纵向和横向水平倾斜度允差±3mm，8m以外的引道区域，引道的纵向和横向的水平倾斜度允差±6mm。结合中国的国情和实际应用情况，动态车辆称重站点的技术条件往往难以达到规程中关于道路的说明，其中也不乏个别从业者不重视道路状况对于动态车辆称重设备应用准确度的影响，为降低成本，减小地基开挖量，类似情况使得动态车辆称重设备的安装更是无法达标，对设备应用准确度带来重大影响。
    动态车辆称重设备的准确度除了与设备的自身的实验室准确度有关、称重站点的技术条件有关之外，另外比较重要的因素是——行驶车辆的运动状态。运动中的车辆相对于称重设备是一个存在有多项干扰的激励源，包括有，客观存在的车辆自身弹簧系统的振动、阻尼，来自于路面的激振，车轮轮毂圆度、油箱中汽油运动中的激振，车载货物的重心转移和惯性干扰等，也包括有个别驾驶员有意无意的“作弊”行驶对称重准确度的影响问题，这些特殊行驶状态主要有：变速行车，“S”型等异型行车，频繁点刹车等。
    因此，动态车辆称重设备的实际运行准确度与称重站点的技术条件和使用者的正确使用有着很大的关系，在试验路面状况较好，试验车辆的动态车辆称重设备可以达到整车总重量准确度2级，而实际应用中，随着称重站点技术条件的恶化和使用者的异常驾驶，一般地，动态车辆称重设备实际运营准确度等级为整车总重量5级。
3．误区之——设备类型。
    现阶段，动态车辆称重设备在国内的应用主要限于计重收费、超限超载治理、高速预检称重及少量交通数据采集，其设备主要类型有：固定式轴重仪、弯板式轴重仪和压电类设备。
    在JJG907-2006和ASTM E1318-02中对于三种设备在动态车辆称重系统中的应用都没有明确的规定，但是根据三种设备的技术特点和规程规范中对于称重设备的技术条件和准确度要求，业内在使用上通常的界定为：低速动态车辆称重的计重收费、超限超载的**称重等直接参与或作为执法依据的设备通常采用准确度更高的固定式轴重仪，中高速预检称重、交通数据采集等不作为执法依据的设备通常采用弯板式轴重仪和压电类设备。
    在计重收费、超限执法称重应用中，由于称重站地处收费车道或是低速称重执法站，车辆通行速度通常比较低，甚至是长期静止在称重设备上，行车状态也为复杂。作为收费、执法的依据也要求该类应用设备准确度高。静态称重的要求和复杂多变的行驶状态首先决定了压电类产品在该应用中失效。固定式轴重仪相较于弯板式轴重仪除了具备更宽的台面、更可靠稳定的算法外，其大的优势还在于优良的横向灵敏度一致性（满足OIML III），通常情况下，弯板式轴重仪由于无可避免的边界效应，当载荷位于轴重仪两端时，其输出变化剧烈，横向灵敏度一般为3%，即当载荷分别由轴重仪的左、中、右三个位置通过时，一项就会带来高达3%的误差。
    高速预检称重和交通数据采集站点由于设备一般安装与交通干线，车**大，车辆通行速度快，要求施工周期短，地基开挖量小，相应的准确度要求较低等特点，而通常采用弯板式轴重仪和压电类设备。

四、结束语

依据动态车辆称重设备技术规范，概要介绍动态车辆称重设备的使用类别、技术现状，主要结合动态车辆称重设备（系统）的设备特点和应用，就设备的使用速度、准确度和设备应用类型的推介误导和认识误区，谈了些许浅薄意见。期望对我国计重收费、超限治理工程的实施有益，也尽可能减少各方面的损失。
因涉足本行业时间有限，对动态车辆称重系统、衡器知识了解不多，上述认识难免不成熟或有些偏颇，望业主单位及业界前辈、专家提出宝贵意见，给予指点。