我国自动化立体货仓( 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货仓项目已经启动[1] 。目前,古板农产品货仓治理模式无论是从质量上照旧效率上,都难以适应我国目今农产品加工蕴藏业的生长需要 。因此,寻找一种简便、高效的信息治理方法成为一定 。目今主要接纳人工与条形码治理相结合的方法,人工治理方法效率低、过失率高; 条形码技术自己保存一定的局限性,容易损毁及情况限制严格等[2] 。并且,古板农产品货仓治理模式更不适合建立农产品物流信息平台,不可满足农产品溯源的要求 。因此,要想提高农产品仓储治理水平,关于融合RFID等现代物流技术的农产品立体货仓信息治理的研究迫在眉睫 。
农产品立体货仓系统的出 /入库及库内治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,可通过无线射频方法自动识别目标并获取数据[3] 。在农产品立体货仓系统中,RFID读写器读取电子标签信息,并接入到网络平台及货仓中其他设备,实现人、设备、系统的智能互联[4] 。针对各部分特殊的治理功效,选用差别类型的读写器 。针对农产品的存储要求及立体货仓的特殊结构,很是有须要研究适用于农产品立体货仓库内信息收罗的读写器 。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效 。
自动化立体货仓 ( Automated Storage or Retrieval System) 是近年来国际上迅速生长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、盘算机控制和治理设施等部分组成[5] 。自动化立体货仓是现代物流仓储技术、自动化技术及盘算机控制技术高度集成化的产品,集存储、输送、分发、治理等功效于一体[6,7] 。在融合RFID技术的农产品立体货仓系统中,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治理,抵达高效、科学的治理目的[8] 。融合RFID技术的农产品立体货仓系统如图1所示 。
图 1 融合 RFID 技术的农产品立体货仓系统 Fig. 1 Agricultural products warehouse with RFID technology
1) 收货入库: 当农产品抵达立体货仓,通过c货仓大门时系统通过RFID读写器,自动收罗和识别货物信息,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) ,自动生成入库单和纪录货物入库时间,并把系统分派的贮存区域、垛位号及收支库时间等须要仓储信息写入托盘或周转箱标签,制止了库管员沉重的人工操作 。同时,其可与系统设定计划进行自动匹配核对,如有差别爆发自动报警,制止爆发过失,并可以指示用户快速而准确地运送货物到指定位置 。
2) 库内治理: 通过架设在货仓内的或者牢固在立体货架上的RFID读写器,实时进行农产品监管和库存快速盘点; 便当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,制止农产品遗失和逾期等损失 。
3) 提货出库: 当提货出库时,通过装置在货仓大门上的RFID读写器系统,可自动收罗和识别农产品信息,自动生成出库单和纪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,如有差别自动报警,制止爆发过失 。
农产品立体货仓中应用的读写器种类剖析: 货仓收支口读写器装置在收支口顶端或者两侧,货仓收支口处读写器不需要调理读写距离 。在普通物流仓储中,使用便携式读写器完成货物盘点事情十分便当;而立体货仓中由于是高层货架,不适合人工使用手持读写器进行数据收罗 。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包管库存量富足,制止货量太多而造成积压; 包管货物先进先出原则,并对存储时间的上限进行报警,制止农产品因存储时间长而糜烂,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、读写规模可控的超高频自动功率控制读写器,牢固装置在立体货架上,实时自动地完成信息收罗和传送 。选择这种读写器的原因: 由于立体货仓是一种高层货架结构,目前海内最高立体货架为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,若装置在货架中间,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理读写距离、控制读写规模,在一定水平上减小因货仓中装置多个读写器而引起滋扰几率 。选择自动功率控制读写器不但因其能够满足立体货仓的主要功效需求,并且这类读写器另有许多优势,以提高系统的多项性能 。
射频识别系统的读写距离是一个要害参数 。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、天线偏向、天线事情频率、读写器和射频标签的耦合度,以及射频标签自己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,调理读写器的发射率,就可以控制系统的读写距离,精确定位读写规模 。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 。
古板RFID系统一般接纳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 电源治理 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稳定的情况下减小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规模之内,并且同时回应读写器的询问请求时所爆发的碰撞[14,15,16] 。在农产品立体货仓中,上千个的库位标签及产品标签,必会爆发标签碰撞现象 。标签碰撞会导致读取速度降低、资源浪费和长时间的延迟 � ；诠β士刂萍际醯谋昵┓琅鲎布苹�,是把读写区间以读写器为中心划分为几个环形区域,位于差别区域的标签分时读取,这样爆发碰撞的几率将小于同时读取时的碰撞几率,典范划分如图2所示 。该计划凭据式( 1) 和式( 2) 提出,精确控制读写器的发射功率,进而调理读写规模,可减小标签碰撞的几率 。
图 2 读写区间典范划分图 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,十分容易爆发读写器之间的滋扰[17] 。在大型农产品立体货仓中,装置多个货架读写器,读写规模将会爆发重叠,不可制止地会爆发读写器碰撞现象,现有的跳频、动态频率分频和动态功率调理技术可以解决这种碰撞问题 。其中,动态功率调理的焦点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,爆发冲突的几率就会大大增加; 如果阅读器的发射功率过小,就会泛起漏读标签的现象[18] 。
动态规模是指能够正常检测时,接收机输入端的信号变革规模 。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差别,返回给读写器的信号强度规模高达几十分贝,回波信号太强时会造成接收机过载甚至损坏 。目前,提高其动态规模最常用的要领是加入自动增益控制� ？�[19],凭据接收信号的强弱自动调理可变增益放大器的增益,从而对大动态规模的信号进行调解,压缩到一个较小的规模 。
凭据距离远近自动调理功率的读写器,自己就可以有效地压缩动态规模 。因为该读写器凭据式( 1) 中的关系调理发射功率,则标签反射信号是一个牢固值,并且这个值比较小,此时,输入端信号变革规模仅由滋扰信号引起 。
在电磁散射型RFID系统中,载波的发射功率是滋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滋扰,并且载波的功率越大,滋扰就越严重 。关于可调功率读写器在使用低功率读写时,可在一定水平上减小载波信号的滋扰 。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滋扰 。
近年来,随着RFID技术的飞速生长和广泛应用,应用于差别场合的性能各异的读写器频频泛起 。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许多 。
Kim Joongheon和Lee Wonjun等人提出基于有效规模的反碰撞算法LLCR和w - LCR 。该算法由公式盘算聚类半径,通过调理读写器的发射功率,动态改变聚类半径,最小化读写器作用规模的重叠区域,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规模、读取速率等问题,Cha Kainan和Ramachand-ran Anil等人提出了一种漫衍式的自适应功率控制( DAPC) 和概率控制( PPC) 计划,以传输功率为系统的控制变量,每个读写器测得的滋扰水平作为局部反响参数去动态调解其发射功率[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计划,通过理论剖析和仿真证明了该计划的可行性[29] 。
刘建华和项湜伍凭据读写距离与射频增益的关系,推导出功率自调理的盘算要领,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单片机为焦点组成的自调理式远距离读写器[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理战略,在前后两次读取标签数差值的基础上,接纳相应模糊控制算法动态改变读写器的输出功率[31]; 之后,谢皓对这个计划进行了革新,提出了一种动态、智能的读写器功率控制要领,不但把读取标签数的变革率输入模糊推理机,并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丈量,凭据推理机的输出调解发射功率[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,该算法在发明信道忙的时候,按一定的参数自动调理功率,从而控制读 写器的通 信规模,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保存随机退避机制的不确定性、难以设置算法相关参数等缺乏,提出了一种革新的读写器漫衍式功率控制( EDPC) 算法,该算法通过合理设置读写器的事情时序和改善读写器对事情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理RFID读写器设计,是在RFID读写器消息中间件中集乐成率自适应调理� ？�,以实现对读写器功率的自动调理 。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效的硬件和应用系统,可以将中间件及其战略安排在读写器端 � ；赗FID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丈量距离的超声波传感器 。并且对标签数目、读写距离及发射功率进行模糊划分和界说 ,建立模糊推理规则 。凭据标签数目、读写距离的变革,利用模糊推理规则则进行推理盘算,模糊控制� ？榘研鹿β手荡刂破髂 ？�,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,在古板读写器的基础上,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,通过调理衰减器转过的角度实现调理读写器发射功率的目的 。自调理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界说 ,建立模糊推理规则 。然后,用户凭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爆发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,电机发动衰减器转动,实现调理读写功率的目的 。
图 4 自调理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,使系统变的相比照较庞大,中间件更适合于比较大的RFID网络系统,卖力数据收罗设备的硬件治理和数据过滤、分组、计数、存储等处理事情,可是目今许多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,读写器是通过调理衰减器来控制功率的巨细,不得不特别增加一些硬件( 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 。
在许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 。可是,手持式读写器一般接纳可充电电池供电,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事情时间长度,电池的更换频率直接关系着整个系统的维护本钱,同时对体积和质量也有许多限制 。现有自动功率控制读写器设计计划由于增加了一些特另外硬件,大大增加了系统的功耗、体积和质量,不切合便携式设计理念 。
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理控制,首先要凭据具体的应用场合,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界说,应用场合爆发变革,则变量的模糊划分和界说就要改变,这样使得所设计的系统缺乏灵活性和通用性 。
要想从基础上解决现有自动功率控制读写器设计中保存的问题,就要找到新的功率控制计划 。查阅相关资料,提出以下两种解决计划:
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,接纳无线电技术,通过射频信号进行通信 。因此,RFID读写器可以接纳类似的要领,嵌入相应的功率控制芯片 。
2) 古板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; 现在,有些射频收发芯片的输出功率是可调的,如CC1101芯片,可编程调理其输出功率,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,也获得了很好的应用,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,照旧软件层上的功率优化设计,都保存着一些问题和一定的局限性 。然而,近几年的已有研究标明,动态、智能的功率自适应调理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,将在探索新计划、提高调理精度及拓展应用规模等方面进行研究,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技术的应用空间越发辽阔,特别适合需要远距离识别且读写距离需要调理的领域 。
2) 在农产品立体货仓中应用自动功率控制读写器,因其不但具有远距离识别、读写距离可调及读写规模可控的功效,还要具有降低功耗、减小冲突率、压缩动态规模和减小滋扰的功效,必将提高农产品立体货仓系统的性能; 并且信息准确高效地收罗和传送,有利于提高其治理水平,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宁静溯源系统 。
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