基于RFID技术的叉车安全距离检测设计

【摘 要】为了保障工厂叉车安全运行，本文利用RFID技术，以STM32微控制器为核心，以CC2530芯片进行RFID射频通信及室内定位，设计了叉车安全距离的检测方案，详细介绍了整体结构和相关的软硬件组成。

【关键词】RFID；CC2530；射频驱动；报警

随着互联网技术的发展和人民生活质量的提高，物流仓储行业正迅猛发展，叉车是仓储运行环节中的一个重要角色。叉车的运行安全是物流管理者们关心的一个重点，同时将叉车纳入到数字物流网络中，也是一个势在必行的趋势。

1 整体结构及功能

设计总体由射频身份识别及定位系统，安全距离检测报警系统，物联网接入三部分组成。具体包括以STM32微控制器为核心的控制模块，以CC2530为射频驱动的射频读写器及标签模块，由控制核心驱动的液晶显示模块，用于互联网接入的GSM/LTE模块，以及扬声器和闪光灯组成声光报警模块。

射频部分由叉车车载射频读写器和有源标签组成。车载读写器安置于叉车顶部随车运行，有源标签分为三类：由现场工作人员随身佩戴的标签，安装仓储中被运送的货物上的标签，安装于仓库的固定位置的标签。 由车载读写器对周围的每个标签进行识别及定位，以获取仓库中的货物及人员信息，经由主控制器将读取到的货物及人员信息及时上传至物联网数据中心，以实现仓储物流的动态更新。

安全距离检测报警模块由声音警报部件和闪光警报部件构成。经由射频定位系统获取的人员位置分布信息，交由主控制器内部建模，得到叉车位置-人员位置分布图，通过智能算法，计算工作人员与叉车的距离，当距离过近时，声光报警可以对叉车司机及工作人员起到提醒作用，提醒大家避让，保证安全。

同时，配合物联网系统将物流信息下载至终端，通过液晶屏将相关信息显示给叉车驾驶员，提示需要运送货物的相关信息并指引驾驶员货物所在区域，利用RFID读取当前所搬运的相关信息进行核对，货物搬运至指定地点或者装载到指定运载车辆后，将相应回执信息上传至物联网中心服务器。使驾驶员做到心中有数，防止取错货物，放错地方。

通过该终端，可以有效辅助叉车驾驶员安全驾驶，提示与核对货物运送信息，并将相关信息与物联网同步，同时可实现叉车车辆使用管理，员工上下班自动签到等功能。提高叉车运行系统的安全性，可靠性和有效性。

2 硬件组成

2.1 主控制器

综合考虑系统的功耗及定位时浮点运算的需求，系统采用了以ARM Cortex？RM4的 STM32F4系列单片机 （MCU）为核心，通过核心芯片的SDIO接口连接GSM/LTE模块，从而实现互联网的接入，使得该系统成为名副其实的物联网终端。经同步通信SPI接口连接RFID读写器，与RFID建立通信，得到各个标签的状态信息及数据信息之后，运用Cortex？R-M4内核的浮点运算单元（FPU），将标签的状态信息通过相应的算法解算得到对应的定位数据。与FSMC接口相连接的液晶屏可以实时显示相关数据。

2.2 射频通信系y

射频通信系统选用2.4GHz的高性能射频收发器CC2530，实现极低功耗的RF应用。由于该款芯片工作于2.4G频段（UHF频段），相较于低频（13.56MHZ）的射频方案，由于其频率更高，能量集中，方向性好，相比于较低频方案的0～50cm的检测距离，该款方案可达到几米甚至几十米的检测距离，通过将多个节点进行相互连接，来实现更大范围的覆盖。符合在室内环境（仓储区）识别的使用要求，能够对该区域所有标签实现“进入既识别”，“识别即定位”的目标，不再需要扫码或刷卡之类的操作。

图2

在RFID主模块中，其SDI为数据输入线，连接到主控STM32F407的SPI 1-PB5管脚，SDO为数据输出线，连接到主控STM32F407的SPI 1-PB4管脚，SCLK为SPI同步时钟，由STM32F407的SPI 1-PB3管脚输出，最高时钟频率500Khz.主控驱动RFID读写器，对RFID标签进行连接和数据通信。[1]

在RFID从模块中（有源RFID标签），仅含一小块电池和CC2530核心电路。通过编程将人员的相关信息写入标签，如现场工作人员所携带的标签，只需写入员工的工号，姓名等基本信息。而货物上安装的标签，则只需写入货物编号，运单号等基本信息。

当需要找寻某件货物时，主控驱动RFID读写器向空间发送该货物的RFID标签ID，则只有对应货物的标签被唤醒，标签向RFID读写器发送响应信号，同时送出标签内部数据。而未被呼叫的标签则一直处于休眠状态，以达到降低功耗和减少频带占用的目的。

3 软件及算法设计

3.1 定位方法

3.1.1 RFID定位技术

根据场所的具体情况，按需要布置辅助标签和读写器。通过采用两种方法来确定辅助标签距离读写器的远近。

第一种方法是测量读写器天线接收到信号的强度，标签以固定功率向空间发射信号，读写器距离标签越远，读写器天线接收到的信号强度就越弱。读写器与标签的距离越近，读写器的天线接收到的信号强度就越强。

第二种方法是用读写器发送信号与读取到标签信息之间的延迟时间来表示标签与读写器的距离。延迟时间越短，标签距离读写器越近；延迟时间越长，标签距离读写器越远。[2-3]

3.1.2 距离测量

RFID定位的两种方案中，选择的是测量读写器天线接收到信号强度的方法。根据电磁波传播理论，电磁波在自由空间中传播时，其能量的衰减与传播距离的二次方成反比，当发射机机以一定功率向空间发射信号时，接收到的信号强度的为：

其中，Pr为接收机天线收到的信号强度，可通过SPI数据总线从RFID读写器CC2530内部寄存器中读取得到，Pt为RFID射频标签的发送功率，发送时设定发射功率为恒定值，Gt、Gr分别为发射机和接收机天线增益，均为恒定值，λ为载波波长，对应2.4G信号λ=0.125m，D即为发射机到接收机的距离。[4]

实际使用时接收天线的信号强度可从CC2530的内部寄存器当中读取得到，由CC2530数据手册中查阅知，在RFID标签响应读写器向读写器发送标签内信息的同时，CC2530在接收的状态下， 通过主控与CC2530之间的数据总线访问CC2530地址为0X6189的寄存器，将得到的有效二进制数值转换为十进制的数，即是接收到的信号强度，单位为dB。[5]

3.1.3 位置确定

如图，A，B两点为安装在叉车顶部的两根读写器天线，距离d，C点为佩戴于现在地面工作人员身上的标签手环，通过上面的方法测得距离AC为d1，BC距离为d2。现以A点为原点建立平面坐标系。并通过计算得到C点（标签）的位置。

通过将d1，d2带入上式，即可解得，从而确定现在人员相对于叉车的位置。

3.2 系统流程

系统采用STM32作为主控， CC2530为射频方案。使用IAR公司的IAR Embedded Workbench编译器为主控芯片STM32编写代码并下载到芯片内部。而对CC2530的开发则使用SmartRF软件作为开发环境。针对人员定位部分的系统工作流程图如下：

系统启动初始化之后，会首先扫描未注册的新标签，发现有未注册的标签，立即与之通信，读取相关信息后写入现在人员信息表中。

其后，系统会逐一与已注册的标签通信，以此来确认相应的人员还在制定区域内，同时对其进行定位，将所有人员的定位结果以雷达显示器的方式显示与液晶屏中，并判断是否存在与叉车距离过近的人员，如存在，则通过声光系统，提醒叉车驾驶员注意周边人员，小心驾驶。

4 性能指标

4.1 识别容量及定位精度。

在使用环境中，通过对信道进行分配，未被呼叫的标签处于休眠状态，一呼叫一应答等办法，有效提高频带利用率，使得信道容量得到最大提升，同时消除饲氡昵，读写器与读写器之间的干扰，使得在同一环境当中，识别数量得到最大提升。受主控制芯片在定位建模时的运算能力限制，一台读写器可以同时定位500枚标签且定位精度达到30cm级别。

4.2 响应时间

在对环境中的人员标签进行识别定位时，使用的是逐一识别定位的办法，识别完上一目标后，才会继续呼叫下一目标。经实测，平均每处理一个目标，所需时间约为2ms，所以环境中目标越少，扫面周期越短，数据更新速度越快。当环境中满载进入500个目标时，全面扫面一次需要的时间约为1s，目标数减少时周期相应变短，相应的，当一个新的标签进入识别范围时，最慢在1s后即被系统识别到。

4.3 识别准确率

设计中射频部分采用CC2530方案，RF内核控制模拟无线电模块。因其具有载波监听，自动检错，纠错重发等先进技术，在环境中标签数量小于500枚的情况下，识别准确率达到100%。当标签多于500枚后，多出的部分将会无法识别到，但仍然能保持至少500枚标签准确的识别定位保障。

5 结论

基于RFID技术的叉车安全距离检测设计为叉车的运行安全管理提供安全保障，为物流管理提供了数字物流网络管理平台，也是一个势在必行的趋势。

【参考文献】

[1]http：//.cn.

[2]于涛.RFID定位技术与应用研究[D].南京邮电大学，2015.

[3]周俊儒.基于RFID的室内定位技术研究[J].浙江大学，2014.

[4]金锐.电波传输特性对高速铁路通信系统的影响[D].武汉理工大学，2012.

[5]http：//.cn.