射频识别与北斗卫星导航系统在物联网中的应用

秦 彤 乔旭东

(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230000)

射频识别与北斗卫星导航系统在物联网中的应用

秦 彤 乔旭东

(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230000)

物联网是上个世纪末提出的新概念，其发展历史比较短。本文是基于家电物联网项目的技术应用，以三洋荣事达企业的实际物流配送为原型，将无线射频识别（RFID）技术以标签的形式用于对物品进行唯一标识，并采用帧时隙算法解决RFID系统中应答碰撞的问题，保证在读取RFID标签发出的信号时做到既不丢失也不重复。将北斗卫星导航系统用在对在途车辆及货物的跟踪定位上，降低货物丢失的风险，降低产品成本，提高企业利润。

物联网；无线射频识别；北斗卫星导航；跟踪；定位

1 引言

在电子商务时代，有效的物流管理是企业总成本效率的基础，是确保企业具有竞争力的关键所在[1]。企业需要通过电子化信息沟通技术来提高物流效率，进而提高企业的竞争力。中国家电业通常被视为国内市场化最高的行业，纵观我国家电企业的物流现状，从资金雄厚的大型企业到新型的家电企业，为降低物流配送的风险，减少配送过程中产生的损失，控制产品的总成本，多数企业选择将物流配送以招标的形式承包给不同的第三方物流公司，由其负责。可是第三方物流公司的市场集中度低，相关的信息化管理工具满足不了现状。

将现代化信息技术融入到企业物流管理中，跟随潮流进入全新的电子商务管理时代，通过分析企业的各个要素和总成本的关系提高物流效率，增加企业利润[2]。在全球，诸如像IBM这样的跨国公司已经拥有如UPS、Fedex、Ryder公司等多家知名的物流企业客户；在中国IBM也已同国内众多的合作伙伴一道，同诸如铁道部、上海南方综合物流中心等大型的综合物流中心建立起广泛的合作关系[3]。作为国内家电企业的老大，海尔集团以先进的物流技术和设备实现物流的高效率。海尔先进的物流技术集中体现在它的两个物流中心——青岛海尔信息产业园和黄岛的海尔国际自动化物流中心。该物流中心包括原材料、成品两个自动化物流系统，采用了激光导引、条码识别、无线数字通信、红外通信、智能充电、工业控制、现场总线和计算机网络等国际先进技术，成功集成了具有国际先进水平的工业机器人、巷道堆垛机、环行穿梭车、激光导引车、摄像及语音监控等先进的自动化物流设备[5]。该系统对原材料和成品自动化仓储与收发的全过程实施完全的控制、调度、管理和监控，并与海尔集团的ERP系统实现了信息集成，以最少的人机接口实现了最大的物流自动化。

2 家电企业的配送流程介绍

合肥荣事达三洋电器股份有限公司是此次大型家电企业物流作业管理物联网关键技术及应用示范项目的主要试点，也是依据合肥荣事达三洋电器股份有限公司的主要业务流程设计并实现了整个物流配送系统。接下来将从生产、出厂、仓储、配送、到货五个方面详细描述。

2.1 生产

家电产品装箱时，将每一箱货物加上一个RFID标签，RFID标签内含产品的详细信息，如产品名称、产品分类、生产厂家、生产日期、产品说明等。由于RFID标签上的芯片提供对物理对象的唯一标识，可以实现对家电在整个供应链上的全程跟踪，通过对RFID信息流动情况的跟踪，使用产品自动识别系统就能够跟踪、查看家电的各项信息。

2.2 出厂

车辆调度中心根据生产计划，调配人员和车辆定时取货，存储地点由管理平台根据各仓库情况智能分析给出。当家电出厂时，RFID读取器发出射频波，启动RFID标签同时供给电源，标签被唤醒后，开始和读取设备之间进行通信，读取设备读取标签信息，存入产品数据库。

2.3 仓储

入库时，通过卸货区RFID阅读器，无需开包检查里面的货物，便可直接进行验收入库。并与相应的货单进行核对，核对正确后通过仓储管理系统，寻找合适的存货点，快速的将商品入库存放。出库与入库类似。

仓储还对库存进行控制管理，根据系统确定的库存控制策略生成库存决策方案。当产品库存量高于或低于限量时自动预警；结合各种产品近期平均用量，自动生成需要在一定时间内采购的产品品名和数量等。仓库管理员可适时地进行采购或取消订货，从而有效控制库存量。

管理平台根据本地仓储和子公司仓储情况，综合销售的时间性和区域性，生成动态调配方案，经人工确认后进行库间转移。

2.4 配送

收到客户订单请求后，从仓储管理系统直接调取需要配送的商品。在途状态以北斗卫星导航系统与中心实时通信。基于北斗卫星导航的车载北斗终端（AVL）接收北斗卫星信号，并根据北斗的定位原理完成对车辆的自动定位；AVL上的通信单元完成车辆状态信息的发送和调度信息的接收；同时AVL设备与车辆的各种设备互联，对车辆进行营运和安防监控。通过移动通信网，在监控中心的监视终端采用GIS技术把监控目标显示在可视化的电子地图上。

2.5 到货

到货时，使用RFID识别终端确认商品RFID信息，结合北斗卫星导航的定位信息，保证所送货物送达正确的客户手中。

3 无线射频识别（RFID）

3.1 RFID简介

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)，又称电子标签（E-Tag），是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。随着技术的发展，RFID的应用涉及到人们日常生活的各个方面，包括：物流、交通运输、农牧渔业、医疗行业等。在标签领域，RFID标签与条码相比，具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、工作环境适应性强和可重复使用等多种优势[3]。

当前主要的RFID相关规范有欧美的EPC规范、日本的UID规范和ISO8000系列标准，在本项目中我们使用的是EPC规范。EPC规范由Auto-ID中心及后来成立的EPC global负责制定。2003年10月26日成立的EPC global组织接替以前Auto-ID中心的工作，管理和发展EPC规范[7]。

当前RFID工作频率跨越多个频段。其中，低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限。相对工作在高频频段的RFID标签而言，低频的无线覆盖范围较小，且方向性不强，具有较强的绕开障碍物能力。高频频段能量相对较高，适用于长距离。低频功率损耗与传播距离的立方成正比，为高频功率损耗与传播距离的平方成正比。由于高频以波束的方式传播，故可用于智能标签定位。另外，高频频段数据传输率相对较高，且通讯质量较好。但其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区域覆盖[8]。

综合上述的RFID在低频与高频工作频段的优缺点，并结合家电企业在实际应用RFID标签和终端读写器的环境，本项目采用工作频率为915M的超高频RFID标签及相应读写器，作用距离达3米。相关性能的具体描述将在5.1节描述。

3.2 基于帧时隙（ALOHA）算法的RFID防碰撞技术

在RFID系统中，由于所有的应答器都用同一工作频率，故存在着在传输信息的过程中出现碰撞的问题。当有多于一个的标签在阅读器的作用范围内时，所有的标签将同时发送自己存储的信息，这将导致各阅读器之间的传输的相互干扰，进而导致信息的丢失。这就是我们需要解决的碰撞问题。每一个阅读器连续发送信息时都在两个连续的发送过程中间有个短暂的等待时间。碰撞问题的发生概率依赖于这个等待时间、传输信息的数据帧长和在阅读器的作用范围内标签的数量之间的关系。

帧时隙Aloha（FSA）算法是在时隙Aloha算法的基础上，将N个时隙组成一帧，且在标签识别过程中，帧的大小是固定不变，帧中的每个时隙长度要能够完成一个标签与阅读器之间的通信，该算法也称为固定帧时隙Aloha算法[9]。该算法的执行过程为：

(1)首先，当电子标签进入阅读器作用的范围内时，阅读器将帧长N广播给电子标签，标签接收到此指令后即产生[0, N-1]之间的一个随机数存入自身的时隙计数器中。

(2)只有时隙计数器为0的标签才能立即响应阅读器的查询，其余标签则将各自时隙计数器减“1”。

(3)将成功识别的标签“灭活”操作，不再响应后续的操作；当标签在数据帧中发生碰撞，则在下一帧循环中重新产生随机数参与通信，直至标签全部被识别完成[9]。

4 北斗卫星导航车载定位终端

图1 中国的北斗卫星（COMPASS）

北斗卫星导航系统(BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统[10]。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其它卫星导航系统兼容的终端。

近年来，将卫星导航技术、GIS技术以及无线通讯技术融入到车辆监控系统，实现对车辆进行大范围、全天候的实时监控，充分满足了业界对于车辆管理的需求[11]。在这个物联网项目中，我们将北斗卫星导航用于车辆配送中的运输车辆的在途跟踪以及车辆、货物、订单的实时定位，以此来保证在货物运输过程中的全程监控，避免了货物在运输过程中丢失，降低运输过程中货物损失的风险，进而降低产品成本提高利润。

北斗卫星导航系统发展至今，其优势特点已非常显著，具体表现如下：

(1)当前，我国的北斗卫星导航系统已经覆盖了我国全部国土及周边地区，东经55度～180度，在我国全境范围内具有良好的导航定位可用性。自2012年12月27日起，中国北斗导航系统正式提供亚太区域服务，预计到2020年将基本建成服务范围涵盖全球的新一代北斗卫星导航系统[12]。因此，完全可以满足三洋家电在物流配送方面定位跟踪的需求；

(2)北斗卫星导航系统的二维水平定位精度为10m（设立校站后可达到厘米级）、高程10m，测速精度0.2m/s，与GPS系统的民用精度基本相当。北斗系统具有单向和双向两种授时功能，可根据不同的精度要求定时传送最新授时信息给用户端，供用户完成于北斗卫星导航定位系统之间时间差的修正[12]。在系统定位和授时精度上完全能满足本项目的需求；

(3)北斗系统具有双向报文通信功能，可实现用户与用户、用户与地面控制中心的双向报文通信功能，一次最多可传送120个汉字，这样的信息量已经完全可以满足车辆跟踪定位时的信息需求。另外，北斗系统所具备的双向简短通信功能是目前国外卫星导航定位系统（如：GPS等）并不具备[12]。

(4)北斗系统是主动式有源双向测距二维导航系统，在地面控制中心进行用户位置坐标解算，从用户发出定位申请到收到定位结果，响应时间最快为1s，即用户终端机最快可在1s后完成定位[12]。1s的延时无法满足高速运动用户的实时定位要求，如：飞机、导弹等。但对于车辆、船舶等慢速运动的用户，其实时性是可以满足的。三洋的物流配送主要采用车辆运输，因此，北斗系统的定位响应时间是可以满足需求的。

北斗卫星导航系统虽然仍处在发展阶段，但是其现有功能已经可以满足当前项目的所有需求，从项目需求、成本及安全性等角度考虑，采用北斗卫星导航定位系统实现运输车辆的实时定位及在途跟踪完全可以且更符合当前的潮流，于此同时也可以促进北斗卫星导航系统的发展。

5 系统展示

5.1 RFID标签与手持终端

图2 RFID标签与手持终端

图2(a)所示为我们所使用的RFID标签的手持读写终端，该终端为合肥四创电子研发，其性能介绍如下：

(1)操作系统：Android 4.2；

(2)内存容量：4G ROM,1G RAM；

(3)无线通讯：GPRS（选配）、WCDMA（3G，选配）、WIFI（标配）符合IEEE 802.11b/g；

(4)显示屏：4.3寸IPS，分辨率为480*800，高清全视角，阳光下可见。

有关RFID标签涉及到公司的技术研发的相关专利，因此这里不再附图，只介绍相关的技术特性，如下：

(1)频率：超高频（915MHz）；

(2)作用距离：3m。

5.2 基于北斗导航的物流作业过程

图2（b）所示为基于北斗卫星导航的车载北斗终端的外形图，该设备为安徽四创电子研发。北斗车载终端是车辆监控系统的车载终端设备，采用一体式结构。车载终端产品采用北斗/GPS双系统定位技术，车载终端利用CDMA/GSM通讯网络，可方便实现对远程车辆目标定位跟踪服务，兼容PGIS系统。

北斗车载终端拥有汽车记录仪全套功能，计算更快，存储量更大，可接外围设备更丰富，拥有GPRS上传下载数据功能，拥有GPS定位功能。可实时监控车辆位置，上传车辆实时图像，上传实时事故信息，一切做到实时，能更有效规范司机的行为，更有效地防范劫车偷车等犯罪行为。由于事故信息可存储到后台服务器上，即使设备损坏，同样有据可查，真正做到数据不丢失，证据完善。

图3所示为本项目中在途跟踪子系统的界面截图。图中右侧为放大的地图，车辆标志所在位置为在途运输车辆实际位置在地图中的映射。鼠标右键单击车辆标志，则显示车辆当前的具体信息——当前状态、速度、车牌号、位置等，具体显示如图3所示。

图3 在途跟踪系统界面

6 总结

本篇论文是以家电物联网项目为基础，以当前家电企业的实际物流配送状况为导向，着力于解决实际问题提高物流配送效率。

应用RFID标签对每个货物进行唯一化标识，同时为解决RFID系统实际应用时的阅读器在读取信号时的碰撞问题，我们采用帧时隙算法将每个标签的信号单一化，避免了漏读或是重复读取信号。

另外，我们采用了当前国家大力推行的北斗卫星导航系统来实现对在途运输车辆的在途跟踪。为每一辆运输车安装车载北斗终端，通过北斗卫星与地面指挥中心联系，传送当前车辆的状态信息。以此来监控车辆的实时状况，监控运输途中货物的情况。同时也可以由指挥中心向终端发信息，实现了双向沟通。降低了运输过程中货物丢失、被无缘损坏的的风险，从而降低产品的总成本，提高了产品的利润。

本篇论文是基于国家物联网发展专项，以实地调研考察为基础，以当下家电企业的物流配送现状为原型，并实际运行测试。因此本篇论文贴合市场现状，具有实用价值。限于项目经费、时间等的限制，调研只集中在省内，无法更全面地得出调研结论，并对当前的物流配送现状做出更全面的改进，这将是下一步工作的重点。

[1]张文杰，田源，林自葵．电子商务下的物流管理[M]．北京:清华大学出版社，2003．

[2]刘帆．中小型物流软件系统研究与实现[D]．华中科技大学，2005．

[3]李振．物流学[M]．北京:中国铁道出版社，1996．

[4]褚方鸿，江宏．海尔物流·不断增强核心竞争力[J]．物流技术与应用，2005，(7)：58-64．

[5]井辉．海尔集团的管理变革：和谐管理视角的分析[J]．管理案例研究与评论，2009，(4):245-254．

[6]吕俊．射频识别技术（RFID）防碰撞算法研究[D]．华南理工大学，2005．

[7]田丹．基于嵌入式Linux的UHF智能RFID读写器的研究与实现{D}．电子科技大学，2006．

[8]蔡幼忠．日立电梯基于RFID的生产管理系统分析与设计[D]．海尔滨工业大学，2010．

[9]陶云聪．RFID系统多标签防碰撞算法研究[D]．重庆大学，2010．

[10]龙昌生．北斗/GPS双模导航终端关键模块的设计与实现[D]．重庆大学，2011．

[11]徐晓波．GPS/BD双模接收机捕获跟踪算法研究及实现[D]．西安科技大学，2013．

[12]苗龙．基于北斗卫星技术的特警运输指挥系统的研究与设计[D]．厦门大学，2012．

TheApplication of RFID and BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System in Internet of Things

Qin Tong Qiao Xudong
(Anhui Sun Create Electronic CO.,LTD,Heifei 230000,Anhui)

As a new concept supported at the end of last century,internet of things owns a short history.This thesis is based on the internet-of-things project and the logistics and distribution of Royalstar.In the process,the technology of Radio Frequency Identification(RFID)is applied to identify each product.In addition,in order to solve the collision of response in the RFID system,ALOHA is applied not to miss or repeat the signal from one RFID label.Moreover BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System is applied to locate the trucks and the products on the way timely.So that the risk of losing product is reduced while the expense of each product reduces and the profit of company increases.

Internet of things；Radio Frequency Identification(RFID)；BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System；tracking；location

P228.4

：A

：1008-66609(2015)04-0019-04

秦彤，女，安徽人，硕士，技术研发，研究方向：物联网，计算机视觉，图像处理。

2014年国家物联网发展专项（工信厅联科[2014]74号）——大型家电企业物流作业管理物联网关键技术及应用示范。