基于RFID技術的叉車安全距離檢測設計

馮曉榮

【摘 要】為了保障工廠叉車安全運行，本文利用RFID技術，以STM32微控制器為核心，以CC2530芯片進行RFID射頻通信及室內定位，設計了叉車安全距離的檢測方案，詳細介紹了整體結構和相關的軟硬件組成。

【關鍵詞】RFID；CC2530；射頻驅動；報警

隨著互聯網技術的發展和人民生活質量的提高，物流倉儲行業正迅猛發展，叉車是倉儲運行環節中的一個重要角色。叉車的運行安全是物流管理者們關心的一個重點，同時將叉車納入到數字物流網絡中，也是一個勢在必行的趨勢。

1 整體結構及功能

設計總體由射頻身份識別及定位系統，安全距離檢測報警系統，物聯網接入三部分組成。具體包括以STM32微控制器為核心的控制模塊，以CC2530為射頻驅動的射頻讀寫器及標簽模塊，由控制核心驅動的液晶顯示模塊，用于互聯網接入的GSM/LTE模塊，以及揚聲器和閃光燈組成聲光報警模塊。

射頻部分由叉車車載射頻讀寫器和有源標簽組成。車載讀寫器安置于叉車頂部隨車運行，有源標簽分為三類：由現場工作人員隨身佩戴的標簽，安裝倉儲中被運送的貨物上的標簽，安裝于倉庫的固定位置的標簽。 由車載讀寫器對周圍的每個標簽進行識別及定位，以獲取倉庫中的貨物及人員信息，經由主控制器將讀取到的貨物及人員信息及時上傳至物聯網數據中心，以實現倉儲物流的動態更新。

安全距離檢測報警模塊由聲音警報部件和閃光警報部件構成。經由射頻定位系統獲取的人員位置分布信息，交由主控制器內部建模，得到叉車位置-人員位置分布圖，通過智能算法，計算工作人員與叉車的距離，當距離過近時，聲光報警可以對叉車司機及工作人員起到提醒作用，提醒大家避讓，保證安全。

同時，配合物聯網系統將物流信息下載至終端，通過液晶屏將相關信息顯示給叉車駕駛員，提示需要運送貨物的相關信息并指引駕駛員貨物所在區域，利用RFID讀取當前所搬運的相關信息進行核對，貨物搬運至指定地點或者裝載到指定運載車輛后，將相應回執信息上傳至物聯網中心服務器。使駕駛員做到心中有數，防止取錯貨物，放錯地方。

通過該終端，可以有效輔助叉車駕駛員安全駕駛，提示與核對貨物運送信息，并將相關信息與物聯網同步，同時可實現叉車車輛使用管理，員工上下班自動簽到等功能。提高叉車運行系統的安全性，可靠性和有效性。

2 硬件組成

2.1 主控制器

綜合考慮系統的功耗及定位時浮點運算的需求，系統采用了以ARM Cortex？誖M4的 STM32F4系列單片機 （MCU）為核心，通過核心芯片的SDIO接口連接GSM/LTE模塊，從而實現互聯網的接入，使得該系統成為名副其實的物聯網終端。經同步通信SPI接口連接RFID讀寫器，與RFID建立通信，得到各個標簽的狀態信息及數據信息之后，運用Cortex？誖-M4內核的浮點運算單元（FPU），將標簽的狀態信息通過相應的算法解算得到對應的定位數據。與FSMC接口相連接的液晶屏可以實時顯示相關數據。

2.2 射頻通信系統

射頻通信系統選用2.4GHz的高性能射頻收發器CC2530，實現極低功耗的RF應用。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，該款方案可達到幾米甚至幾十米的檢測距離，通過將多個節點進行相互連接，來實現更大范圍的覆蓋。符合在室內環境（倉儲區）識別的使用要求，能夠對該區域所有標簽實現“進入既識別”，“識別即定位”的目標，不再需要掃碼或刷卡之類的操作。

圖2

在RFID主模塊中，其SDI為數據輸入線，連接到主控STM32F407的SPI 1-PB5管腳，SDO為數據輸出線，連接到主控STM32F407的SPI 1-PB4管腳，SCLK為SPI同步時鐘，由STM32F407的SPI 1-PB3管腳輸出，最高時鐘頻率500Khz.主控驅動RFID讀寫器，對RFID標簽進行連接和數據通信。[1]

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

當需要找尋某件貨物時，主控驅動RFID讀寫器向空間發送該貨物的RFID標簽ID，則只有對應貨物的標簽被喚醒，標簽向RFID讀寫器發送響應信號，同時送出標簽內部數據。而未被呼叫的標簽則一直處于休眠狀態，以達到降低功耗和減少頻帶占用的目的。

3 軟件及算法設計

3.1 定位方法

3.1.1 RFID定位技術

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

第一種方法是測量讀寫器天線接收到信號的強度，標簽以固定功率向空間發射信號，讀寫器距離標簽越遠，讀寫器天線接收到的信號強度就越弱。讀寫器與標簽的距離越近，讀寫器的天線接收到的信號強度就越強。

第二種方法是用讀寫器發送信號與讀取到標簽信息之間的延遲時間來表示標簽與讀寫器的距離。延遲時間越短，標簽距離讀寫器越近；延遲時間越長，標簽距離讀寫器越遠。[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強度的方法。根據電磁波傳播理論，電磁波在自由空間中傳播時，其能量的衰減與傳播距離的二次方成反比，當發射機機以一定功率向空間發射信號時，接收到的信號強度的為：

其中，Pr為接收機天線收到的信號強度，可通過SPI數據總線從RFID讀寫器CC2530內部寄存器中讀取得到，Pt為RFID射頻標簽的發送功率，發送時設定發射功率為恒定值，Gt、Gr分別為發射機和接收機天線增益，均為恒定值，λ為載波波長，對應2.4G信號λ=0.125m，D即為發射機到接收機的距離。[4]

實際使用時接收天線的信號強度可從CC2530的內部寄存器當中讀取得到，由CC2530數據手冊中查閱知，在RFID標簽響應讀寫器向讀寫器發送標簽內信息的同時，CC2530在接收的狀態下， 通過主控與CC2530之間的數據總線訪問CC2530地址為0X6189的寄存器，將得到的有效二進制數值轉換為十進制的數，即是接收到的信號強度，單位為dB。[5]

3.1.3 位置確定

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

通過將d1，d2帶入上式，即可解得，從而確定現在人員相對于叉車的位置。

3.2 系統流程

系統采用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部。而對CC2530的開發則使用SmartRF軟件作為開發環境。針對人員定位部分的系統工作流程圖如下：

系統啟動初始化之后，會首先掃描未注冊的新標簽，發現有未注冊的標簽，立即與之通信，讀取相關信息后寫入現在人員信息表中。

其后，系統會逐一與已注冊的標簽通信，以此來確認相應的人員還在制定區域內，同時對其進行定位，將所有人員的定位結果以雷達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，提醒叉車駕駛員注意周邊人員，小心駕駛。

4 性能指標

4.1 識別容量及定位精度。

在使用環境中，通過對信道進行分配，未被呼叫的標簽處于休眠狀態，一呼叫一應答等辦法，有效提高頻帶利用率，使得信道容量得到最大提升，同時消除標簽與標簽，讀寫器與讀寫器之間的干擾，使得在同一環境當中，識別數量得到最大提升。受主控制芯片在定位建模時的運算能力限制，一臺讀寫器可以同時定位500枚標簽且定位精度達到30cm級別。

4.2 響應時間

在對環境中的人員標簽進行識別定位時，使用的是逐一識別定位的辦法，識別完上一目標后，才會繼續呼叫下一目標。經實測，平均每處理一個目標，所需時間約為2ms，所以環境中目標越少，掃面周期越短，數據更新速度越快。當環境中滿載進入500個目標時，全面掃面一次需要的時間約為1s，目標數減少時周期相應變短，相應的，當一個新的標簽進入識別范圍時，最慢在1s后即被系統識別到。

4.3 識別準確率

設計中射頻部分采用CC2530方案，RF內核控制模擬無線電模塊。因其具有載波監聽，自動檢錯，糾錯重發等先進技術，在環境中標簽數量小于500枚的情況下，識別準確率達到100%。當標簽多于500枚后，多出的部分將會無法識別到，但仍然能保持至少500枚標簽準確的識別定位保障。

5 結論

基于RFID技術的叉車安全距離檢測設計為叉車的運行安全管理提供安全保障，為物流管理提供了數字物流網絡管理平臺，也是一個勢在必行的趨勢。

【參考文獻】

[1]http：//datasheet.eeworld.com.cn.

[2]于濤.RFID定位技術與應用研究[D].南京郵電大學，2015.

[3]周俊儒.基于RFID的室內定位技術研究[J].浙江大學，2014.

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

[5]http：//datasheet.eeworld.com.cn.

[責任編輯：田吉捷]