基于RFID的数字货架二维移动节点设计

2015-03-11孙首兵

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年4期

孙首兵，陆阳

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009）

0 引言

数字货架是一种基于射频识别［1］（radio frequency identification，RFID）技术的、可完成对货物的存储和自动识别的智能货架。随着RFID技术的不断成熟，基于RFID技术的数字货架广泛用于仓储系统中。但是，目前RFID技术在数字货架应用中存在严重不足，主要表现在货品信息读取依靠固定的RFID读卡器［2－3］进行、数字货架成本昂贵等。文献［2］提出的电子货架系统在每个货位上安装RFID读卡器用来读取货位中货品信息，不但增加了安装难度，而且大大增加了系统成本；文献［3］提出一种智能货架系统及其实现方法，在货架的每层上安装RFID读卡器，虽然一定程度上减少了RFID读卡器的数量，但是增加了对RIFD读卡的距离，同时无法完成对单个货位货品信息的读取，增加了工作量。

本文设计了一种基于RFID的数字货架二维移动节点［4］，采用单片机控制、双伺服电机驱动的方法，使得数字货架货品信息读取只需单个RFID读卡器即可完成，同时可以实现对货品信息的定向读取，减少了数字货架成本；并重点讨论了复杂情况下节点路径规划问题，从而提供了一种通用的节点路径规划算法，使得信息读取时间缩短很多。

1 节点结构设计

二维移动节点是指可在货架垂直面内运动的RFID读卡器。RFID读卡器通过在平面内的运动，自动读取货架上货品的信息，实现对货品的盘点和定位。

二维移动节点主要由货架、节点导轨、移动控制模块、信息采集模块、无线收发模块、主控模块和数据管理模块构成。

（1）货架。货架根据放置货品的质量选取，并将货架每层都划分为若干货位，货位大小人为选择，以RFID读卡器发射功率所达范围为标准。

（2）节点导轨。在货架的侧立面上安装导轨，2根水平导轨（1根驱动导轨和1根从动导轨）分别安装在货架最高层和最底层上，1根垂直导轨安装在2根水平导轨上，可以在水平导轨上滑动。垂直导轨上安装有滑块，RFID读卡器固定在滑块上。

（3）移动控制模块。包括单片机、伺服电机、伺服电机驱动器和接近开关以及开关电源等。单片机通过无线模块接收上位机发送的指令，发出控制电机指令，2个伺服电机带动RFID读卡器运动，再通过无线模块将运动结果返回上位机。接近开关信号输出端与单片机I／O口相连，接近开关动作反映RFID读卡器运动至导轨端部，单片机需将相应电机反向。

（4）信息采集模块。包括RFID读卡器、电子标签等。RFID读卡器固定在垂直导轨滑块上，可实现在平面内的运动，从而用于读取和更新电子标签信息。电子标签贴在货品上，用于存储货品信息。

（5）无线收发模块。单片机、RFID读卡器和主控模块上都安装无线收发模块，用于收发控制指令和数据信息。

（6）主控模块。主要用于发送移动控制指令给节点移动模块并接收返回结果，发送电子标签读取指令给信息采集模块并接收返回结果。

（7）数据管理模块。用于存储和更新货品信息和存储信息。

二维移动节点结构外观如图1所示。

2 节点移动控制设计

2.1 硬件设计和伺服电机控制

节点移动控制模块［5］主要包括单片机、伺服电机、伺服电机驱动器、接近开关以及开关电源。节点移动控制主要是对水平方向和垂直方向电机的控制，电机由单片机控制。电机采用东元精电股份有限公司生产的交流伺服电机，型号为TSC06401C，驱动器型号为TSTA20C；单片机采用STC89C52单片机；接近开关采用SNOD05－N方形npn型接近开关。移动控制模块硬件连接图如图2所示。

由图2可知，单片机的P1.0和P1.1口分别控制X向电机的转速和方向，P1.2和P1.3口分别控制Z向电机的转速和方向，P1.4～P1.7口分别用来接收X向导轨正向、导轨反向和Z向导轨正向、导轨反向的接近开关动作信号。为了使得接近开关输出信号具有与单片机相同的电平，同时防止干扰，采用TLP521芯片进行隔离。

节点采用2个伺服电机，分别控制其在水平方向和垂直方向上的运动，2个方向电机独立运行，互不影响。X向电机和Z向电机转速分别通过单片机定时器T0和T2定时控制。下面以定时器T0为例，说明定时器装入初值的计算方法。

假设电机运行速度为r，每转需要脉冲个数为n，则每秒钟单片机需发送脉冲个数为：

由于1个脉冲分为正脉冲和0，所以单片机每秒钟中断次数为：

即中断时间为：

图2 移动控制模块硬件图

单片机采用12M的外部晶振提供时钟周期，所以机器周期时间为：

则有：

即每隔3×107／（nr）个机器周期，定时器需要中断1次。

T0定时器为16位定时器，工作在方式1，则初值为：

Z向电机采用定时器T2进行控制，初值计算方法同T0。通过对初值大小的改变，可以方便地控制节点运动的速度。系统共设置了2挡速度：① 低挡，用于采集信息；② 高挡，用于信息采集完成后节点迅速返回原点。

2.2 节点路径规划

为了方便对节点运动的控制，将货架人为地划分成若干相同的货位，并建立如图3所示的直角坐标系（图中虚线交叉点代表货位中间位置）。在每个货位里存放货品，调节RFID读卡器的功率，只要每次读取过程中RFID读卡器处于货位中心位置，就可以使读卡器只能读取到一个货位里货品的信息，从而防止相邻货位货品的干扰。

图3 货架划分图

由图3建立的直角坐标系可以看出，货架被划分成若干个标准的单位正方形，并且每个货位都有自己相应的坐标值。节点在初始状态下停在原点（0，0）处，在需要读取货品信息时，节点运动到相应货位的中间位置，打开RFID进行读取。

节点在二维平面内的运动主要可以分为以下3种。

（1）单个盘点。如果需要对单个货位的货品信息进行盘点，只需发送“单个盘点”指令。例如，需要盘点图3中右上角货位中的货品信息，节点运动方案如下：Z向电机正向启动，节点沿Z轴正向运动至坐标（0，3.5）处，Z 向电机停止，X 向电机正向启动，节点运动至坐标（4.5，3.5）处，开启RFID读卡器，进行信息读取；信息读取完成后，同时启动X向和Z向电机，节点以高挡返回原点，完成货位盘点。

（2）单排盘点。如果需要对货架某一排的所有货位的货品信息进行盘点，则需要发送“单排盘点”指令。例如，需要对图3中第1排的货位进行盘点，节点运动方案如下：Z向电机启动，节点沿Z轴正向运动至坐标（0，0.5）处，Z向电机停止，X向电机正向启动，节点运动至坐标（0.5，0.5）处，开启RFID读卡器，进行信息读取；信息读取完成后，X向电机继续正向启动，节点运动至下一货位位置，继续进行信息读取；重复以上过程，直到将所有货位读取完为止；同时启动X向和Z向电机，节点以高挡返回原点，完成单排盘点。

（3）多货位盘点。如果需要对多个而又无规律的货位进行盘点，为了叙述方便，图3中直角坐标系的位置相对于之前所述坐标向右上方平移了0.5，即图3中的实线交叉点代表货位的中间位置（之前所述代表货位轮廓），a0代表原点。例如，图3中分布有a1、a2、a3、a4、a5、a66 个待盘点的货位，现在需要节点从原点（a0处）开始，依次盘点各货位后再返回原点，并且要求整个盘点过程路径最短［6－9］。

2.3 多货位盘点算法

本文采用改进A＊算法计算路径最短距离。A＊算法是一种启发式搜索算法，用于图形平面上求解通过多个节点的最低成本，算法核心思想是在每次选择下一个当前搜索节点时，从所有已经探知的但未搜索过的节点中，选择f值最小的节点进行展开：f＝g＋h。f是A＊算法的一个估值函数，表示可能试探点的估值，f由2部分组成：①g表示从起始搜索点到当前点的代价；②h表示当前节点到目标节点的估值，本文中h采用节点的曼哈顿距离。

本文对A＊算法的改进主要包括以下几点：

（1）从某一节点出发到其他节点均可达（目标节点不在closelist中），即所有节点开始时均在openlist中。

（2）由于起点和终点都是a0，为了方便说明，将终点定义成a0′。a0′对于所有节点均可达，即a0′也在openlist中，但只有在所有的节点选择完后，才能选择a0′作为当前节点。

（3）如果当前节点的相邻节点在openlist中，并且经由当前节点到达该相邻节点的g值小于或者等于原来的g值，则将该相邻节点的父节点设为当前节点。

（4）保存当前节点父节点数量（节点深度），在进行g值比较时，如果g值相等，则选择深度较大的路径。

（5）对于被选择的当前节点（在openlist中f值最小），若经由该节点的相邻节点的g值均不小于其原来的g值，则将该当前节点继续放入openlist中，选择f值次小的节点继续。

（6）如果openlist中剩余节点均未出现（3）中所述的情况，则选择深度最大者作为当前节点继续。

多货位盘点算法步骤如下：

（1）假设有a0，a1，…，an个节点需要盘点，且节点坐标为（xn，yn），则每个节点与起点的曼哈顿距离为h＝xn＋yn，节点之间的曼哈顿距离为h（am，an）＝｜xm－xn｜＋｜ym－yn｜。

（2）将所有节点放入openlist中（起始节点的f值和g值均为0）。

（3）在openlist中计算节点f值，选择f值最小的节点作为当前节点。

（4）依次判断当前节点的每一个相邻节点，若该相邻节点位于closelist中，则继续检验下一节点；若该相邻节点位于openlist中，则判断经由当前节点到达该相邻节点的g值是否不大于原来的g值，若是，则将该相邻节点的父节点设为当前节点，并重新设置该相邻节点的g值和f值，且深度加1，转到步骤（3）。

（5）若经由当前节点的所有相邻节点的g值均不小于原来的g值，则将该节点继续放入openlist中，但不参与下一次的f值比较；否则，将该当前节点放入closelist中，并且深度加1。

（6）若openlist中剩余节点均不能使经由它的相邻节点的g值更小，则选择深度最大的节点作为当前节点。

（7）当openlist中只剩下a0′时，循环结束。

（8）从a0′开始沿父节点遍历，并保存整个遍历到的节点坐标，遍历所得节点即最后的路径。

在给定节点的情况下，算法执行时间与节点数量的关系如图4所示。

由图4可以看出，算法运行时间随着节点数量的增加而增加，在节点数量为120时，算法运行时间约为1s。由于导轨精度和安装误差的限制，节点的运动速度一般小于50cm／s，则盘点一个货架上所有物品的时间需几分钟，所以算法的执行时间满足使用要求。事实上，当仓库规模较小，节点数量较大时，节点分布成一定规律，往往可以采用单排盘点来完成部分货位盘点，再对剩下的少数货位实行多货位盘点。

图4 算法执行时间

3 节点工作流程

节点原理图如图5所示。

图5 节点原理图

由图5可知，二维移动节点包括3个组成部分：PC无线节点、单片机无线节点和阅读器无线节点。PC节点负责发送控制指令给单片机节点和阅读器节点；单片机控制通过发送指令给电机，从而控制阅读器的运动；阅读器读取电子标签信息。节点工作基本流程如下（以单个盘点为例）：PC节点接收单个盘点指令，通过无线模块发送相应的运动控制指令给单片机，并设置等待时间wtime，若在等待时间内没有接收到应答信号，则表示通信失败，重新发送指令；如果单片机接收到指令，则会发送一个“接收成功”应答信号，表示已接收到指令，并对伺服电机发送相应的控制指令，控制节点移动；节点移动完成后，单片机发送“操作成功”指令给PC节点，表示阅读器已经运动到指定位置，可以开始读卡操作；PC节点通过无线模块发送信息读取指令给阅读器节点，如果在等待时间内未接收到应答信号，则重新发送指令；如果阅读器接收到指令，则发送“接收成功”应答信号，开始进行信息读取，读卡完成后，将读取结果发送给PC节点，PC节点对返回结果进行相应操作［10－11］。节点工作流程（主控模块）如图6所示。