基私有协议的铁路物流电子识别系统研究

李卫东，郭鹏，初宪武，徐金钰，牛娃

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028; 2.中央财经大学 信息学院，北京 100081)

基私有协议的铁路物流电子识别系统研究

李卫东1，郭鹏1，初宪武1，徐金钰1，牛娃2

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028; 2.中央财经大学 信息学院，北京 100081)

为提高铁路货运效率和完善对物流信息的采集、存储和更新，提出一种基于私有协议的铁路物流电子识别系统.该系统采用433.2 MHz频段进行广播巡检，对货物上的电子标签轮寻点名，从根本上改变现有射频卡的被动搜索技术，有效避免了信息碰撞现象的发生.采用433.2 MHz私有协议进行通信，也有效避免了货物信息在传输过程中因信道被占用而导致的信号干扰、信息传输错误等问题的发生.

433.2 MHz私有协议；电子标签；物流；信息采集

0 引言

铁路运输以其运量大、运费低、安全可靠等特点，在货运领域具有较大的竞争优势，尤其是随着快递行业的蓬勃崛起[1]，铁路运输再一次迎来了发展机遇，如今已在我国的物流行业中占有相当大的比重.然而，快速发展的背后依然存在许多不足，比如：铁路货运硬件设施比较落后、货物信息采集和捕捉能力较差等，这就难以避免会造成货物在运输过程中不能及时更新物流信息，甚至丢失等严重后果.因此，为提高对货物信息采集、处理和传输的效率和准确度等问题，以及进一步实现铁路物流乃至整个物流行业的信息化、智能化，铁路物流电子识别系统应运而生.本文分析了现有的基于RFID的铁路物流电子识别系统存在的被动识别等不足[2]，并提出了一种基于433.2 MHz私有协议的铁路物流电子识别系统，通过实验测试，验证了该系统的优越性.

1 铁路物流电子识别系统

所谓铁路物流电子识别系统，指的是将自动识别系统与计算机技术相结合，应用于铁路物流行业，再利用无线通信技术和计算机网络技术，搭建一个完善的货物追踪系统平台，从而实现对货物信息的自动采集、传输和共享[3].相比于传统的手动扫码和人工录入信息，电子识别系统极大地提高了工作效率，节省了工作时间和人工成本，实现了物流信息管理的数字化、智能化和去人工化，减少了因货物包装过小等原因造成的漏检及丢失现象的发生，同时实现了对货物的系统化管理和全程追踪[4- 5].如图1所示，为铁路物流电子识别系统布置图.

图1 铁路物流电子识别系统布置图

2 基于私有协议的铁路物流电子识别系统

2.1 基本组成

本文研究智能识别技术在铁路物流系统中的应用，解决信息碰撞及漏读等问题，在此基础上设计功能模块，综合无线传输技术、嵌入式软件、电子电路、CAN总线体系在工业检测和信息传输中的应用，以及物流管理软件的相关技术，设计一种基于私有协议的铁路物流电子识别系统.

该系统主要由货物电子标签(A型、B型)、站场识别器、车厢识别器、中继器、传输接口、手持式识别器、货物电子标签擦写器[6-7]、通信电缆、以太网设备、电源组和相应的上位机物流管理系统软件组成.

2.2 工作原理及流程

电子标签发出具有代表货物身份唯一性特征的货物信息；车厢识别器接收来自电子标签的信息并进行存储，同时对货物进行上(下)车状态的识别判断，通过WiFi通信协议把货物信息、上(下)车时间、上(下)车状态等数据传输给站场识别器；站场识别器接收并储存来自车厢识别器的数据，同时对该车厢识别器的进站和离站时间进行识别判断，最后通过CAN总线或以太网的方式把货物信息、车厢识别器的进站和离站时间等数据传输给中继器或传输接口；车站中心计算机(主机)从传输接口接收站场识别器发送的信息，并对信息进行分析处理，打包形成文件，共享至整个物流网络平台，便于工作人员管理及客户查询，系统工作流程如图2所示.

图2 系统工作流程图

为保证信息的准确可靠，本系统设有手持式识别器，主要用于货物装卸、货物运载车厢及货运仓库等处，对货物编码进行二次识别.除此之外，为降低系统运营成本，设有专门的货物电子标签擦写器，实现货物电子标签的重复使用.

2.3 技术特点分析

目前应用比较广泛的是基于RFID铁路物流电子识别系统.射频识别技术(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性[8]，实现对被识别物体的自动识别并进行通信和交换数据[9].在实际应用中，货物电子标签充当传感器节点，识别器则可视为汇聚节点，而整个系统则可以看做是一个无线传感器网络，系统处于工作状态时，汇聚节点负责收集各传感器节点发送的数据信息.然而，由于众多传感器节点同时向汇聚节点发送数据[10- 12]，导致传输过程实际呈现出一种“多对一”的工作状态，这就导致系统在工作时在所难免会出现信息碰撞现象.这种“多对一”的情况体现得越明显，信息碰撞发生的概率越大.

本设计最突出的特点是车厢识别器采用433.2 MHz频段不断广播巡检模式，对货物电子标签进行轮寻点名，只有被点名的标签才会响应该并发送数据，其他标签不会发送信息，从而有效避免信息碰撞现象的发生.这就类似于老师课前的点名过程，只有被喊到名字的同学才会进行回应.电子标签在大多数时候处于休眠和监听模式，对空间无线载波信号进行监听，当监听到点名信息后自动转入工作模式：此时，若空间没有其他电子标签发送数据，则被点名的标签向车厢识别器发送信息.待电子标签收到车厢识别器的反馈信息，确定所发数据已被准确收到之后，再次转入休眠状态，等待下一次被点名.这种应答方式的优点是能够有效减少流量和功耗，并且避免同一电子标签频繁发送数据，车厢识别器的反馈信息则是为了确保标签信息确实被识别器收到，防止信息漏读误读.但是，如果收到点名信息的同时检测到空间有其他电子标签对点名发出响应并发送载波信号时，则暂时停止响应并转入监听模式，等待空间没有其他电子标签发送数据时再启动响应.为了保证采集信息的准确性，整个通讯过程中的信息都加有校验位，系统会将由于干扰或碰撞导致的通讯错误数据进行丢弃.本设计中的铁路物流电子识别系统，其通讯距离可达70 m(工作范围100 m)，在合适的工作距离可确保上述工作过程实现多个周期的重复运行，从而大大减少因各种原因造成的货物信息丢失、漏读和误读.

3 系统测试

3.1 试验设备

本次系统测试选取50个货物电子标签，车厢识别器、站场识别器、中继器各1个，2个电源可同时为车厢识别器、站场识别器和中继器供电的电源.其中，货物电子标签与车厢识别器之间、车厢识别器与站场识别器之间分别通过433.2 MHz私有协议和WIFI技术进行通信、站场识别器与中继器之间及中继器与通信接口之间分别通过2 km CAN总线电缆连接、通信接口与信息采集端通过RS232串行接口进行通信.如图3所示为电子识别系统实物连接图.

图3 电子识别系统连接实物图

3.2 测试方法及数据

将设备通电，进行货物信息采集测试.该过程中，车厢识别器收集货物电子标签信息并打包，将货物信息发送给站场识别器，经过反复测试，信息采集端能够快速准确地将货物信息进行采集，采集结果如图4所示.其中地址2代表站名、状态0表示货物当前处于车厢中，由于货物没有离开车厢 ，因此上车时间与下车时间相同.

图4 货物上车状态测试

再将货物电子标签电源断开，此时车厢识别器将不再收到货物信息，说明货物已经下车，那么当再次经过站场识别器时，车厢识别器会将最新的货物状态信息打包发送给站场识别器，最后站场识别器经CAN总线、中继器以及通信接口将获取的信息传送到信息收集终端，及时更新货物状态.经测试，货物下车信息可在2～3 min左右完成更新.测试结果如图5所示.从图中可以看出，货物状态显示1，表示货物已经下车，此时下车时间也进行了更新，不再与上车时间相同.由于本次测试是在实验室进行，而地址信息代表的是站场识别器所在的车站位置，因此下车测试时地址信息并没有发生变化，在实际应用中，地址信息将与最近一次更新物流信息时的站场识别器所在车站保持一致.

图5 货物下车状态测试

3.3 测试结论

(1)通过以上测试可知，本系统能够达到预期效果，实现铁路物流运输过程中对货物信息采集和及时更新的要求，并且本系统中的车厢识别器、站场识别器和中继器均采用有源方式，能够使系统更加稳定地工作，确保了货物信息采集过程的顺利完成;

(2)随机分布电子标签位置，并每隔10 min对系统进行一次测试，进行20次测试后的统计结果表明，共出现上(下)车状态采集错误1次、漏读1次.可见该系统工作稳定，信息采集准确率高，符合预期目标.

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[12]范延彬,王超.基于WSN的小麦仓储环境监测系统研究[J].无线互联科技,2015(5):56- 57.

A Railway Logistics Electronic Identification System based on Private Protocol

LI Weidong1,GUO Peng1,CHU Xianwu1,XU Jinyu1,NIU Wa2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Information,Central University of Finance and Economics,Beifing 100081,China)

In order to improve the efficiency of rail freight and logistics information collection,storage and update，a railway logistics electronic identification system is proposed based on private protocol.The system adopts 433.2 MHz spectrum for broadcasting and patrolling,and to roll call the electronic tags on the goods,which leads to fundamental changes to the passive searching technology of existing radio frequency card,avoiding information collisions effectively.Communication with 433.2 MHz private protocol can also effectively avoid problems shch as signal interference and information transmission errors which is caused by occupied channel.

433.2 MHz private protocol；electronic tags；logistics；information collection

1673- 9590(2017)04- 0160- 04

2016- 09- 06

国家自然科学基金资助项目(61471080)；辽宁省自然科学基金资助项目(201602110)

李卫东(1963-)，男，教授，博士，主要从事铁路信息与通信智能化技术、复杂系统分析与控制等方面的研究E-mail:li@djtu.edu.cn.

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