我国自动化立体仓库( AS /RS) 技术主要应用在军工企业与国企。近年来,有关零售、果蔬行业的一些自动化立体仓库项目已经启动[1]。目前,传统农产品仓库管理模式无论是从质量上还是效率上,都难以适应我国当前农产品加工储藏业的发展需要。因此,寻找一种简便、高效的信息管理方式成为必然。当前主要采用人工与条形码管理相结合的方式,人工管理方式效率低、错误率高; 条形码技术本身存在一定的局限性,容易损毁及环境限制严格等[2]。而且,传统农产品仓库管理模式更不适合建立农产品物流信息平台,不能满足农产品溯源的要求。因此,要想提高农产品仓储管理水平,对于融合RFID等现代物流技术的农产品立体仓库信息管理的研究迫在眉睫。
农产品立体仓库系统的出 /入库及库内管理部分的信息识别选用射频识别技术。射频识别( RFID) 技术作为一项新兴的、先进的自动识别技术,已广泛应用于各行业,可通过无线射频方式自动识别目标并获取数据[3]。在农产品立体仓库系统中,RFID读写器读取电子标签信息,并接入到网络平台及仓库中其他设备,实现人、设备、系统的智能互联[4]。针对各部分特殊的管理功能,选用不同类型的读写器。针对农产品的存储要求及立体仓库的特殊结构,非常有必要研究适用于农产品立体仓库库内信息采集的读写器。这类读写器( 自动功率控制读写器) 至少具备读写距离远及读写距离可调的功能。
自动化立体仓库 ( Automated Storage or Retrieval System) 是近年来国际上迅速发展起来的一种新型的自动存储和取出物料的仓储设施,一般由高层货架、成套的搬运设备、计算机控制和管理设施等部分组成[5]。自动化立体仓库是现代物流仓储技术、自动化技术及计算机控制技术高度集成化的产物,集存储、输送、分发、管理等功能于一体[6,7]。在融合RFID技术的农产品立体仓库系统中,首先给农产品附加RFID标签,使得农产品成为可以被系统识别的目标,通过对目标和与其相关的信息进行管理,达到高效、科学的管理目的[8]。融合RFID技术的农产品立体仓库系统如图1所示。
图 1 融合 RFID 技术的农产品立体仓库系统 Fig. 1 Agricultural products warehouse with RFID technology
1) 收货入库: 当农产品到达立体仓库,通过c仓库大门时系统通过RFID读写器,自动采集和识别货物信息,获取农产品入库信息( 标签ID号、农产品名称、数量、供应商、原厂编号、保质期等) ,自动生成入库单和记录货物入库时间,并把系统分配的储存区域、垛位号及出入库时间等必要仓储信息写入托盘或周转箱标签,避免了库管员繁重的人工操作。同时,其可与系统设定计划进行自动匹配核对,如有差异产生自动报警,避免产生差错,并可以指示用户快速而准确地运送货物到指定位置。
2) 库内管理: 通过架设在仓库内的或者固定在立体货架上的RFID读写器,实时进行农产品监管和库存快速盘点; 方便进行农产品查找和移库操作; 支持库存农产品先进先出等规则操作,避免农产品遗失和过期等损失。
3) 提货出库: 当提货出库时,通过安装在仓库大门上的RFID读写器系统,可自动采集和识别农产品信息,自动生成出库单和记录农产品的出库时间; 可与系统设定计划进行自动匹配核对,如有差异自动报警,避免产生差错。
农产品立体仓库中应用的读写器种类分析: 仓库出入口读写器安装在出入口顶端或者两侧,仓库出入口处读写器不需要调节读写距离。在普通物流仓储中,使用便携式读写器完成货物盘点工作十分方便;而立体仓库中由于是高层货架,不适合人工使用手持读写器进行数据采集。选型要求能实时检测库存数量、种类、存储时间,并将信息无线传输到控制台,对库存量的上下限进行报警保证库存量充足,避免货量太多而造成积压; 保证货物先进先出原则,并对存储时间的上限进行报警,避免农产品因存储时间长而腐败,造成很大的经济损失,特别是水果蔬菜类和肉食水产类。选择读写距离远、读写距离可调、读写范围可控的超高频自动功率控制读写器,固定安装在立体货架上,实时自动地完成信息采集和传送。选择这种读写器的原因: 由于立体仓库是一种高层货架结构,目前国内最高立体货架为15m,因此选用读写距离远的超高频( 300MHz ~ 5. 8GHz) 读写器,超高频系统通过电场来传输能量。该频段读取距离比较远,无源识别可达10m左右,若安装在货架中间,则读写直径可达20m左右,能够满足读写距离的要求。选用自动功率控制读写器是因为可以调节读写距离、控制读写范围,在一定程度上减小因仓库中安装多个读写器而引起干扰几率。选择自动功率控制读写器不仅因其能够满足立体仓库的主要功能需求,而且这类读写器还有很多优势,以提高系统的多项性能。
射频识别系统的读写距离是一个关键参数。影响读写距离的因素包括读写器的输出功率、读写器的接收灵敏度、发射信号的强度、天线及谐振电路的Q值、天线方向、天线工作频率、读写器和射频标签的耦合度,以及射频标签本身获得的能量及射频标签的功耗等。由式( 1) 和式( 2) 可知,读写器发射功率与读写距离的4次方成正比[10,11]。因此,调节读写器的发射率,就可以控制系统的读写距离,精确定位读写范围。则有
其中,PReader为读写器的接收功率,GReader为读写器的发射天线增益,Pback为读写器接收到的标签的反射功率,GT ag为电子标签的天线增益,λ为波长,S为电子标签返回读写器的功率密度,R是电子标签和读写器之间的距离。
传统RFID系统一般采用定值功率对标签进行读写,往往读写器的发射功率远大于读取标签所需的功率,将导致电能的浪费。目前,低功耗设计大都集中在选用低功 耗芯片、智能 电源管理 及软件层 方面[12,13]。而由式( 1) 和式( 2) 可看出: 读写器发射功率与读写距离的4次方成正比,即读写距离减小1倍,则发射功率在其他条件不变的情况下减小16倍则能满足读写要求。因此,如果读写器的功率可调,读写器与标签距离远,则发射功率大; 距离近,则发射功率小,可大幅度降低读写器的功耗。
标签碰撞是最常见的碰撞,是指多个标签位于同一个读写器的读写范围之内,而且同时回应读写器的询问请求时所发生的碰撞[14,15,16]。在农产品立体仓库中,上千个的库位标签及产品标签,必会发生标签碰撞现象。标签碰撞会导致读取速度降低、资源浪费和长时间的延迟。基于功率控制技术的标签防碰撞方案,是把读写区间以读写器为中心划分为几个环形区域,位于不同区域的标签分时读取,这样发生碰撞的几率将小于同时读取时的碰撞几率,典型划分如图2所示。该方案根据式( 1) 和式( 2) 提出,精确控制读写器的发射功率,进而调节读写范围,可减小标签碰撞的几率。
图 2 读写区间典型划分图 Fig. 2 Typical intervals of readers’read and write
在密集读写器网络系统中,读写器之间的距离很小,由于读写器使用相同的频率通信,十分容易发生读写器之间的干扰[17]。在大型农产品立体仓库中,安装多个货架读写器,读写范围将会发生重叠,不可避免地会发生读写器碰撞现象,现有的跳频、动态频率分频和动态功率调节技术可以解决这种碰撞问题。其中,动态功率调节的核心思想是通过合理控制RFID网络系统中每个读写器的发射功率,使读写器之间的冲突几率降到最小。这是因为,如果读写器发射功率过大,发生冲突的几率就会大大增加; 如果阅读器的发射功率过小,就会出现漏读标签的现象[18]。
动态范围是指能够正常检测时,接收机输入端的信号变化范围。读写器接收端输入信号为噪声和标签反射信号。因为标签与读写器间的距离不同,返回给读写器的信号强度范围高达几十分贝,回波信号太强时会造成接收机过载甚至损坏。目前,提高其动态范围最常用的方法是加入自动增益控制模块[19],根据接收信号的强弱自动调节可变增益放大器的增益,从而对大动态范围的信号进行调整,压缩到一个较小的范围。
根据距离远近自动调节功率的读写器,本身就可以有效地压缩动态范围。因为该读写器根据式( 1) 中的关系调节发射功率,则标签反射信号是一个固定值,而且这个值比较小,此时,输入端信号变化范围仅由干扰信号引起。
在电磁散射型RFID系统中,载波的发射功率是干扰有用信号的主要因素。因为读写器收发同步且使用完全相同的频率,发射和接收通道相互干扰,而且载波的功率越大,干扰就越严重。对于可调功率读写器在使用低功率读写时,可在一定程度上减小载波信号的干扰。实际应用中,是在读写器的高频接口上加一个高隔离度的环形器或者定向耦合器对信号进行收发隔离来减少载波信号的干扰。
近年来,随着RFID技术的飞速发展和广泛应用,应用于不同场合的性能各异的读写器频频出现。读写器的现有研究主要集中在系统的硬件设计[20]、增加识别速度和识别距离[21]、多标准和多频段性兼容[22]、防碰撞算法[23,24]及收发隔离技术[25]等方面; 而有关功率控制方面的研究与设计不是很多。
Kim Joongheon和Lee Wonjun等人提出基于有效范围的反碰撞算法LLCR和w - LCR。该算法由公式计算聚类半径,通过调节读写器的发射功率,动态改变聚类半径,最小化读写器作用范围的重叠区域,最大限度的减少碰撞[26]; 之后,又提出了一种称为TPC- CAD的碰撞仲裁协议,对读写器的发射功率进行优化控制,由此减少 冗余询问 碰撞[27]。针对密集 型RFID网络中因高功率读写器之间的碰撞而降低系统读取范围、读取速率等问题,Cha Kainan和Ramachand-ran Anil等人提出了一种分布式的自适应功率控制( DAPC) 和概率控制( PPC) 方案,以传输功率为系统的控制变量,每个读写器测得的干扰程度作为局部反馈参数去动态调整其发射功率[28]。Waleed Alsalih和Kashif Alib等人还提出了一种基于功率控制技术减小标签碰撞率的方案,通过理论分析和仿真证明了该方案的可行性[29]。
刘建华和项湜伍根据读写距离与射频增益的关系,推导出功率自调节的计算方法,并且使用模糊推理对读写距 离进行调 节控制,设计出一 种以S3C44B0X ARM芯片、MSP430单片机为核心组成的自调节式远距离读写器[30]。姜涛等人提出一种基于模糊控制理论的读写器功率自适应调节策略,在前后两次读取标签数差值的基础上,采用相应模糊控制算法动态改变读写器的输出功率[31]; 之后,谢皓对这个方案进行了改进,提出了一种动态、智能的读写器功率控制方法,不仅把读取标签数的变化率输入模糊推理机,而且还要输入标签与读写器天线之间的距离值,这个距离值由超声波传感器测量,根据推理机的输出调整发射功率[32]。郭雷勇和谭洪舟提出了一种基于功率自适应的读写器反碰撞算法APAA,该算法在发现信道忙的时候,按一定的参数自动调节功率,从而控制读 写器的通 信范围,减少读写 器间的碰撞[33]。戴宏跃等人针对现有读写器功率控制算法存在随机退避机制的不确定性、难以设置算法相关参数等不足,提出了一种改进的读写器分布式功率控制( EDPC) 算法,该算法通过合理设置读写器的工作时序和改善读写器对工作时隙的选择机制来提高读写器功率控制的效率与可靠性[34]。
基于消息中间件的功率自适应调节RFID读写器设计,是在RFID读写器消息中间件中集成功率自适应调节模块,以实现对读写器功率的自动调节。中间件是位于读写器和上层应用之间的一类独立软件或是一些特殊功能的硬件和应用系统,可以将中间件及其策略部署在读写器端。基于RFID中间件的功率自适应读写器系统图如图3所示。
图 3 基于 RFID 中间件的功率自适应读写器系统图 Fig. 3 Adaptive power reader system based on RFID middleware
文献[31]中的中间件含有可感知标签数目的传感器,文献[32]中含有可感知标签数目的传感器及测量距离的超声波传感器。而且对标签数目、读写距离及发射功率进行模糊划分和定义 ,建立模糊推理规则。根据标签数目、读写距离的变化,利用模糊推理法规则进行推理计算,模糊控制模块把新功率值传给控制器模块,最后传给 读写器控 制器来实 时控制RFID读写器的发射功率。
由文献[30]和[34]可知,在传统读写器的基础上,增加单片机、直流电机、电机驱动设备、可调衰减器及衰减器转角位置传感器等硬件,通过调节衰减器转过的角度实现调节读写器发射功率的目的。自调节读写器控制系统结构原理图如图4所示。
首先,对读写器的阅读距离及衰减器转过的角度进行模糊划分和定义 ,建立模糊推理规则。然后,用户根据自己的应用要求输入距离值,这一距离值及衰减器转过的角度值在模糊控制器中进行比较,并且用模糊控制器装载模糊规则进行模糊推理。之后,推理结果通过模糊控制器产生相应的信号给电机驱动芯片,再由驱动芯片输出信号给电机,电机带动衰减器转动,实现调节读写功率的目的。
图 4 自调节读写器控制系统结构原理图 Fig. 4 The structure of self regulating readers control system
基于中间件的功率自适应读写器设计,使系统变的相对比较复杂,中间件更适合于比较大的RFID网络系统,负责数据采集设备的硬件管理和数据过滤、分组、计数、存储等处理工作,但是当前很多RFID应用较为简单,并不需要中间件的支持[35]。
在图2中,系统增加了感知标签数目传感器和超声波测距传感器; 在图3中,读写器是通过调节衰减器来控制功率的大小,不得不额外增加一些硬件( 单片机、直流电机、电机驱动设备、可调衰减器及衰减器转角位置传感器等) ,这样的设计都大大增加了系统的功耗。
在很多场合需要便携式的手持式读写器,因为手持式读写器具有较大的灵活性。但是,手持式读写器一般采用可充电电池供电,而电池的容量和使用时间有限。系统的能耗决定整个系统的工作时间长度,电池的更换频率直接关系着整个系统的维护成本,同时对体积和质量也有很多限制。现有自动功率控制读写器设计方案由于增加了一些额外的硬件,大大增加了系统的功耗、体积和质量,不符合便携式设计理念。
目前,自动功率控制读写器设计大多使用模糊推理对读写器功率进行调节控制,首先要根据具体的应用场合,对相应变量( 标签数量、读写距离) 及读写器的功率值进行模糊划分和定义,应用场合发生变化,则变量的模糊划分和定义就要改变,这样使得所设计的系统缺乏灵活性和通用性。
要想从根本上解决现有自动功率控制读写器设计中存在的问题,就要找到新的功率控制方案。查阅相关资料,提出以下两种解决方案:
1) 据了解,手机中高频功率放大器的自动功率控制是通过功率控制芯片实现的,而RFID读写器同手机一样,采用无线电技术,通过射频信号进行通信。因此,RFID读写器可以采用类似的方法,嵌入相应的功率控制芯片。
2) 传统读写器射频部分的无线射频收发芯片的发射功率是一个定值; 而今,有些射频收发芯片的输出功率是可调的,如CC1101芯片,可编程调节其输出功率,通过专用寄存器PATABLE提供8个用户选择的输出功率设置。
1) 雷达和手机的功率控制技术已经很成熟,也得到了很好的应用,但自动功率控制技术在RFID读写器上的应用不是很理想和广泛。目前,在这方面的研究,不管是硬件上的功率优化,还是软件层上的功率优化设计,都存在着一些问题和一定的局限性。然而,近几年的已有研究表明,动态、智能的功率自适应调节读写器具有明显的优势,提高了读写器及RFID系统网络的性能,具有很好的应用前景。下一步读写器的自动功率控制研究,将在探索新方案、提高调节精度及拓展应用范围等方面进行研究,实现自动功率控制读写器的通用性和现实应用意义,将使RFID技术的应用空间更加广阔,特别适合需要远距离识别且读写距离需要调节的领域。
2) 在农产品立体仓库中应用自动功率控制读写器,因其不仅具有远距离识别、读写距离可调及读写范围可控的功能,还要具有降低功耗、减小冲突率、压缩动态范围和减小干扰的功能,必将提高农产品立体仓库系统的性能; 而且信息准确高效地采集和传送,有利于提高其管理水平,有利于建立农产品物流仓储信息平台,从而进一步完善农产品质量安全溯源系统。
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