引言:工具安全是倉庫等場所的首要任務, 所以越來越多的倉庫開始使用管理系統對倉庫工具進行管理。該管理系統可以管理工具數量為4000, 對倉庫工具的庫存、出入庫等進行自動識別, 能準確、智能地對進出庫房的工具進行信息自動識別、采集、記錄、上傳, 以及對工具的維護信息進行快速的查詢、統計。對工具的非法存取進行報警。

一、整體系統方案設計

系統由三部分組成:

(一) 上位機:進行一些數據的存儲和統計, 以及信息查詢命令的下達。

(二) 讀頭:通過喚醒模塊喚醒卡片, 并收集卡片ID信息。接收上位機命令, 將信息上傳給上位機。

(三) 卡片:處于WOR狀態, 進入讀頭輻射到的區域, 被讀頭喚醒后發送自身ID。

二、具體方案對比分析

方案1:硬件選用msp430單片機和CC2500芯片, 卡片和讀頭資源如下:

(一) 卡片:Ram存儲變量512B, Flash可以存儲程序8k, SPI接口1個, 定時器1個, AES模塊, WOR模塊。

(二) 讀頭:

1、發送喚醒幀的無線部分:因發送內容很少, 所以基本沒有要求。

2、接收卡片ID的無線部分:ram存儲變量1024B, Flash存儲程序32k。Eeprom保存工具的ID號, 若保存5字節的工具信息, 加上7字節 (年月日時分秒星期) 的時間, 則4000工具需要48k字節的容量, 因此選用64k eeprom。SPI接口1個Uart接口2個, 蜂鳴器1個 (如果通過網關報警, 此處蜂鳴器省略) 。LED指示燈2個, 實時時鐘1個, 定時器1個, AES模塊1個。

系統功能描述:該系統負責管理4000支工具?？ㄆ捎肳OR來降低功耗。讀頭的一個無線模塊連續發送喚醒幀, 另一個無線模塊接收卡片ID。當附有卡片的工具進入讀頭輻射到的區域后, 被讀頭喚醒, 隨后發送自身ID給讀頭。讀頭在eeprom內記錄這些入庫的工具ID號, 讀頭如果5s內未得到某卡片發送的ID號則報警, 并將此ID信息通過串口發送給上位機。

發卡:通過發卡系統寫一張卡片, 寫入信息為5個字節的ID信息, 存入卡片mcu芯片的flash。發卡完成后卡片處于WOR模式。

入庫時:當卡片進入讀頭輻射到的區域后, 被讀頭喚醒, 隨后發送自身ID給讀頭。讀頭在eeprom內記錄這些ID號?？ㄆ^續進入WOR模式。管理期間:讀頭的一個無線模塊連續發送喚醒幀, 另一個無線模塊接收卡片ID。如果5s內未成功接收到已經入庫的某個卡片的ID信息則報警。

出庫時:上位機發送要出庫的工具信息, 網關發送允許出庫命令和允許出庫的ID號, 此時將工具拿走屬于正常出庫。否則報警。

5s內響應的論證:無線波特率為500kbps。讀頭發送喚醒幀時間:12字節 (包括4字節前導碼+4字節同步字+1長度字節+1幀頭+1命令字+1校驗和+2字節校驗) *8位=96位;96/500000=192us

卡片被喚醒后發送自身ID號的時間:19字節 (包括4字節前導碼+4字節同步字+1長度字節+1幀頭+1命令字+5字節ID+1校驗和+2字節校驗) *8位=152位152/500000=304us。理想情況下, 假設在卡片的兩個WOR周期內被可靠喚醒, 喚醒時間最多為2s。4000工具的ID接收完成時間為304us*4000=1.2s。另外加上因碰撞而產生重發的時間, 其他工具的出庫、入庫時間, 初步判斷5s內, 可以完成4000工具的ID采集?？ㄆl射數據設為19字節 (4前導碼+4同步字+1長度字節+1幀頭+1命令字+5ID號+1校驗和+2校驗) , 無線波特率為500kbps, 則計算發射電流為:21.6m A*19*8/500k=6.6u A?？ㄆ挠嬎?占空比選0.2%, 2000m A H的電池, 假設放電量為1500m A H。計算電池使用壽命的理論值為:1500m A H/ ( (15.6m A*0.2%) +6.6u A) =約為4.5年。

以上計算表明這個方案理論可行, 如果實際測試時發現5s內不能完成全部工具ID的收集, 可以安裝若干個讀頭分別定向讀取部分卡片來實現, 讀頭數量由要管理的工具數量 (4000) 和響應時間決定 (5s) 。

方案2:在屋頂安置讀頭, 讀頭有兩個無線模塊, 一個負責喚醒, 一個負責接收ID號?？ㄆ幱赪OR模式。如果上位機想查詢工具的存在情況 (數量等信息) , 可以通過串口查詢讀頭的eeprom, 因為無論進出庫, 相關記錄都保存在讀頭的eeprom中。

卡片WOR周期選擇:假設樓層高2.5m, 在屋頂安置讀頭, 定向天線角度為120度, 則可覆蓋的地面直徑距離為6m。假設人的步速為3m/s, 則人經過天線覆蓋的區域為2s。為保證人在天線區域內卡片被可靠喚醒, 則設置卡片WOR周期為1s。設置波特率為500Kb/s。讀頭發送喚醒幀的時間為:16*8/500000=256us.為了通訊可靠, CC2500每次從IDLE到TX需要自動校準一次, 要花去809us, 硬件SPI將16字節數據寫入到FIFO中, 需要50us左右的時間, 那么總的發送時間為1.12ms左右。則卡片的wor喚醒時間需要設置為為2ms?？ㄆ粏拘押蟀l送自身ID號的時間:19字節 (包括4字節前導碼+4字節同步字+1長度字節+1幀頭+1命令字+5字節ID+1校驗和+2字節校驗) *8位=152位;152/500000=304us。占空比選擇:2000m AH的電池, 假設放電量為1500m AH。按照客戶要求使用5年, 則1500m AH/5*365*24/16.5m A=0.002所以占空比選擇0.2%

總的收集ID的時間=喚醒時間+ID接收時間。假設在卡片的兩個WOR周期內被可靠喚醒, 喚醒時間最多為2s。假設4000個卡片同時進出:讀頭接收ID的總的時間=304us*4000=1.2s。304us為卡片發送自身ID的發射時間。另外加上因碰撞而產生重發的時間等, 理論判斷可以達到5s內響應的要求。但是碰撞的處理是個難點。

結論:經過測驗, 方案一更滿足實用性和簡易安全等性能要求, 該系統具有如下性能參數:

(一) 工作頻段:2.4G; (二) 卡片電壓為3.3V; (三) 串口通信速率115200bps; (四) 無線波特率500kbps; (五) 響應時間<5s; (六) 電池容量2000m AH時使用壽命約5年