CN204965148U - 基于nfc技术的分布式传感器网络系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于NFC技术的分布式传感器网络系统。它采用NFC、MCU、SPI总线、I²C总线、局域网络控制器、主控机和互联网络设备组建NFC分布式传感器网络系统，系统采用MCU和若干NFC终端设备通过SPI总线并联组成的传感器单元，综合感知元件的姿态位置信息；多个传感器单元在I²C总线上并联并由局域网络控制器进行控制，在仓库内部组成NFC传感器局域网络；运用互联网设备将NFC传感器局域网络互联组成NFC分布式传感器网络系统，由主控机进行统一控制管理。本专利的优点在于：采用NFC进行近距离的元件定位探测，抗干扰能力强，定位较准确；采用SPI、I²C总线，控制方便、通信速率较高；采用互联网可以跨区域组建大规模网络。

Description

基于NFC技术的分布式传感器网络系统

技术领域

本专利涉及一种分布式传感器网络系统，具体涉及一种基于NFC技术的分布式传感器网络系统，它应用于仓储管理中能够实时获取元件在仓库中的位置信息。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对于仓储系统的要求越来越来高。传统的仓储系统依赖于人工模式和手工操作，不仅操作失误多并且效率低下，已经远远不能满足要求。现代化的仓储系统与传统仓储系统有着显著的区别，它以数字化的计算机管理模式替代人工模式进行管理，建立数字化仓库，即运用现代信息技术来实现仓库管理并保障仓库的合理高效运行。

目前，在国内外的数字化仓库管理信息系统中广泛采用了条码技术和RFID(射频识别技术)技术，并且便携终端、数据库和计算机网络技术的发展都为仓库信息系统的发展奠定了基础。RFID是一项非接触性自动识别技术，它的核心工作原理是通过无线射频信号来自动识别目标并获取目标对象的相关数据。RFID技术的优点在于可识别移动运动物体并且可同时识别多个标签，操作快捷方便。通过将RFID标签对元件进行唯一标识，从而进行仓库信息管理。我国的RFID系统主要用于物流系统、货物和危险品的追踪、医疗系统、电子门票、证件防伪等领域。

然而，基于RFID技术的仓库信息管理系统，由于RFID的探测范围在几米到几十米的空间上，在该范围内若有多个元件存在时可以同时响应，不能区分各自的位置关系，因而不能进行元件定位；并且，在探测过程中存在信息冗余、串扰和竞争的情况。为了解决这些问题，本专利基于NFC技术(也是RFID的一种)，不仅继承了RFID的数字化仓库管理的便捷、高效的特点，还可以对元件位置甚至放置姿态信息进行管理。

目前，基于RFID技术的仓库信息管理系统，通常采用的结构是由设置在仓库出入口的读卡器设备进行仓库内部元件信息管理。元件进入仓库时，由读卡器设备自动识别元件的RFID标签进行入库登记，元件取出仓库时，则同样由读卡器设备进行出库登记操作，并没有组成实时监控和管理的网络系统。本专利则采用分布式NFC传感单元，组建局域传感网络，在仓库内部进行元件位置的实时监控和管理。可以快速、准确的读取元件信息，并且还可以为在仓库中查找元件提供位置信息。

发明内容

本专利的目的是提供一种基于NFC技术的分布式传感器网络系统，解决现有技术中存在的信息冗余、串扰和竞争的问题。

本专利中NFC分布式传感网络系统包括NFC传感单元、I²C总线、局域网络控制器、互联网络设备和主控机(如图1)。

所述的NFC传感单元包括一个MCU和若干NFC终端、SPI总线。其中：MCU是具备I²C、SPI总线接口的处理芯片(如DSP、ARM、FPGA等)。NFC终端(如图3)是具备SPI总线接口的、具有读卡器工作模式的NFC标签识别电路的电路板，它运行在13.56MHz的通信频率，能够识别ISO14443A/B、ISO15693、ISO18000的通信协议标签，如：ST公司的PLUG-CR95HF-B、EVAL-ST96HF等电路板。

所述的局域网络控制器，是一个包含了处理芯片(比如DSP、FPGA、ARM等)、I²C总线接口和互连网络接口以及电源等外围电路的电路板卡。互连网络接口采用是符合TCP/IP网络协议的以太网口，或者是无线网络(如802.11协议系列、WLAN、Wifi等)的网络接口。

所述的互连网络设备，是搭建互联网络平台的设备，它采用基于TCP/IP协议簇的有线网络Internet路由器或者网关，或者无线网络WLAN的路由器和AP设备。

所述的主控机采用安装人机交互设备以及仓储信息管理软件的、带有网络接口的通用计算机或者服务器。所述的人机交互设备，采用通用输入输出设备，如显示器、鼠标、键盘、触摸屏等。

系统中若干个NFC传感单元分布在仓库元件摆放位置上，每个NFC传感单元是由MCU和若干个NFC终端并联在SPI总线上，其中MCU作为SPI总线主设备管理SPI总线的片选信号线CS；若干个NFC传感单元通过MCU并联到I²C总线上，并且与局域网络控制器的I²C总线接口相连接，局域网络控制器是I²C总线的主设备，通常一个仓库布置一个NFC传感器局域网络；若干个局域网络控制器与主控机通过互联网络设备相连接，组成逻辑统一的NFC分布式传感器网络系统。

本专利NFC分布式传感网络系统的系统工作机理是：NFC传感单元分布在仓库中规定摆放元件的位置点，通过NFC终端探测到的元件NFC标签信息，从而获取元件摆放位置和姿态信息；并且MCU通过SPI主控制模块作为SPI总线的主设备，将NFC终端获取的元件信息进行信息缓冲，由控制模块将该NFC传感单元的信息进行整合，并在I²C总线上发送给局域网络控制器(如图4)。局域网络控制器通过I²C总线主控制模块将局域网中多个NFC传感单元的信息存储到数据库模块，由信息综合管理模块维护数据库的内容，再通过网络协议控制模块在网络设备上向主控机进行网络通信和数据传输(如图5)。主控机接收各个局域网络控制器发送的元件位置信息，对NFC分布式传感器网络系统信息进行综合；管理和维护元件位置信息的数据库，向用户提供查询服务和控制操作服务；监控和记录NFC分布式传感器网络上各个硬件的运行状态。

本专利的显著特点如下:

(1)采用NFC技术进行元件标签定位，该技术的探测距离很短，因此保密性好、抗干扰能力强，适用于设备密集的场合；

(2)每个传感器单元由一个MCU通过SPI总线，收集一个或若干NFC终端获取的元件姿态和位置信息；

(3)传感器局域网络通过I²C总线技术组网，局域网络控制器归集各个传感器单元的探测信息；

(4)传感器局域网络之间通过互联网技术进行互连，(按照TCP/IP协议可以在数据链路层(DLP)或者网络层(IP)连接)，从而组成一个统一的分布式传感网络；在该网络中拥有一个主控机作为网络的总控制者，进行分布式传感网络管理；该网络中的可用的网络空间很大，可扩展性好，可以用于超大规模的仓储管理系统。

附图说明

图1NFC分布式传感器网络系统结构图。

图2NFC标签示意图。

图3NFC终端示意图。

图4MCU功能示意图。

图5局域网络控制器功能示意图。

具体实施方式

下面以三个元件仓库的NFC分布式传感器网络系统为例对本专利的具体实施方式作详细说明。

为了使用NFC技术探测元件的位置信息，元件贴附NFC电子标签(遵循ISO14443A/B、ISO15693、ISO18000-3的标签通信协议)，NFC终端采用读卡器工作模式。专利采用ST公司的M24LR64或者M24SR64芯片作为NFC存储芯片、与NFC接收天线组成NFC电子标签(如图2)，元件信息存储在M24LR64或者M24SR64芯片内部的64kbitEEPROM里；采用PLUG-CR95HF-B板作为NFC终端，其中CR95HF芯片作为NFC控制芯片、与NFC主动天线组成NFC终端(如图3所示)。NFC终端作为从设备连接到SPI总线上，CR95HF芯片的SPI_SS、SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCK信号线分别与SPI总线上的CS、SDI、SDO、SCK相连。为了感知元件的首尾摆放姿态，在元件首端和尾端分别贴NFC电子标签，标签上分别记录元件编号和首尾标识；在仓库中规定摆放元件的位置首尾端分别放置NFC终端，然后跟MCU通过I²C总线相连，组成一个传感器单元，从而可以感知规定位置上是否有元件及元件首尾摆放姿态信息。MCU可以选用具有I²C总线和SPI总线控制能力的单片机或者FPGA(比如：Xilinx公司Zynq-2000系列FPGA)。Zynq-2000FPGA内部结构由处理器系统(ProcessSystem,PS)与可编程逻辑(ProgrammableLogic,PL)两部分组成。处理器核心为ARMCortexA9双核处理器，最高的运行频率为800MHz，拥有DDR控制器、DMA通道控制器和定时器，支持Quad-SPI、SPI、I²C、USB、UART、CAN、SD等多种外设接口。它拥有2个SPIMIO/EMIO接口，每个SPI接口拥有3个片选信号，因此最多能够控制16个从设备。MCU内部完成的功能(如图4所示)，它通过SPI主控制模块作为SPI总线的主设备，将NFC终端CR95HF芯片读取得到的电子标签进行信息缓冲，通过控制模块将该NFC传感单元信息进行整合，并在I²C总线上发送。

一般情况下，一个仓库单元组成一个传感器局域网络，假设仓库中拥有100个NFC传感单元，这些传感单元连接到I²C总线上，由局域网络控制器进行集中管理。专利中局域网络控制器选用XilinxSpartan-6SP605EmbeddedKit，硬件资源包括XC6SLX45T-3FGG484型号FPGA、2GB存储CompactFlashcard、网络EthernetCable、2个min-USB接口、PCIe、DVI以及辅助电路。所选用的XilinxXC6SLX45T-3FGG484是一种低功耗高效能的FPGA芯片，采用45nm工艺制作，拥有43661个逻辑单元、2088KbitBlockRAM和一个DSP48A的信号处理单元，拥有4个速率高达3.2Gb/s的GTP高速数据传输模块、支持PCIExpress和PCI总线，集成DDR/DDR2/DDR3内存管理模块和丰富的时钟资源。在SP605板上，所选用的MarvellAlaskaPHY88E1111芯片是三速网络控制芯片，可以工作在10、100、1000Mb/s的以太网中，与Halo的HFJ11-1G01ERJ-45网络接口件相连接。SP605的FPGA的U1模块拥有三个I²C接口，选用U1BANK1的IIC_SDA_MAIN、IIC_SCL_MAIN通过J45接口件与外部I²C总线相连，SP605作为I²C主设备对总线进行控制。局域网络控制器执行的功能(如图5所示)是通过I²C总线主控制模块将局域网中多个NFC传感单元的信息存储到数据库模块，由信息综合管理模块维护数据库的内容，并通过TCP/TP协议控制模块在Internet上进行网络间的通信和数据传输。

在该实例中三个仓库可以在不同的地方，每个仓库是一个传感器局域网络，它们之间通过Internet互连，组成逻辑上统一的NFC分布式传感器网络，由主控机对它们进行管理。专利中的主控机可以是带有网络接口的计算机或者服务器。局域网络通过Ethernet网络接口连接到以太网络的路由器或者网关上，经过Internet网络设备所组成的互联网络，形成统一的NFC分布式传感器网络系统。主控机作为这个网络系统的管理者，使用仓储信息管理软件对NFC分布式传感器网络系统信息进行综合，维护元件位置信息的数据库，向用户提供查询服务和控制操作服务，以及监控和记录NFC分布式传感器网络系统上各个节点的状态信息。

Claims (1)

1.一种基于NFC技术的分布式传感器网络系统，包括NFC传感单元、I²C总线、局域网络控制器、互联网络设备和主控机，其特征在于：

所述的NFC传感单元包括一个MCU和若干NFC终端、SPI总线，其中：MCU是具备I²C、SPI总线接口的处理芯片的DSP、ARM或FPGA；NFC终端是具备SPI总线接口的、具有读卡器工作模式的NFC标签识别电路的电路板，它运行在13.56MHz的通信频率，能够识别ISO14443A/B、ISO15693、ISO18000的通信协议标签；

所述的局域网络控制器，是一个包含有DSP、FPGA或ARM处理芯片、具有I²C总线接口和互连网络接口的电路板卡；互连网络接口采用是符合TCP/IP网络协议的以太网口，或者是无线网络的网络接口；

所述的互连网络设备，是搭建互联网络平台的设备，它采用基于TCP/IP协议簇的有线网络Internet路由器或者网关，或者无线网络WLAN的路由器和AP设备；

所述的主控机采用安装人机交互设备以及仓储信息管理软件的、带有网络接口的通用计算机或者服务器；所述的人机交互设备采用通用输入输出设备；

系统中若干个NFC传感单元分布在仓库元件摆放位置上，每个NFC传感单元是由MCU和若干个NFC终端并联在SPI总线上，其中MCU作为SPI总线主设备管理SPI总线的片选信号线CS；若干个NFC传感单元通过MCU并联到I²C总线上，并且与局域网络控制器的I²C总线接口相连接，局域网络控制器是I²C总线的主设备，通常一个仓库布置一个NFC传感器局域网络；若干个局域网络控制器与主控机通过互联网络设备相连接，组成逻辑统一的NFC分布式传感器网络系统。