面向物流倉儲應(yīng)用的移動式RFID讀寫終端設(shè)計(jì)*

王紅梅

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210013）

物流企業(yè)的倉儲管理就是對倉儲及倉儲內(nèi)的物資所進(jìn)行的管理，是物流機(jī)構(gòu)為了充分利用其具有的倉儲資源，提供高效的倉儲服務(wù)所進(jìn)行的計(jì)劃、組織、控制和協(xié)調(diào)過程。它是現(xiàn)代物流最為重要、必不可少的基本環(huán)節(jié)之一［1-3］。

傳統(tǒng)物流企業(yè)的倉儲管理模式普遍存在人力成本偏高，業(yè)務(wù)流程多，貨品跟蹤困難，資金和貨品周轉(zhuǎn)效率較低，物流管理的信息和手段落后等缺點(diǎn)，已不能保證正確的進(jìn)貨庫存控制及發(fā)貨，并且傳統(tǒng)的物流倉儲管理系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)貨品信息的靜態(tài)化管理而無法實(shí)現(xiàn)對物流全過程的實(shí)時跟蹤和監(jiān)控。因此會導(dǎo)致管理費(fèi)用的增加，服務(wù)質(zhì)量難以得到保證，從而影響企業(yè)的競爭力［4-5］。

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID技術(shù)具有無接觸式、大容量、快速、高容錯、抗干擾和耐腐蝕、安全可靠的信息識別等特點(diǎn)，其在物流倉儲管理中得到了較好的應(yīng)用。但現(xiàn)有的RFID讀寫系統(tǒng)一般是建立在有線傳輸?shù)幕A(chǔ)之上，存在讀寫器的位置固定、靈活性差、數(shù)據(jù)傳輸距離短以及設(shè)備成本高等缺點(diǎn)。

本文針對主要針對上述缺點(diǎn)，結(jié)合ZigBee和RFID技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種移動RFID讀寫系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)識別距離長、成本低、靈活性高、擴(kuò)展性好，具有良好的人機(jī)交互界面，拓展了RFID在物流企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。

1 現(xiàn)代物流倉儲管理系統(tǒng)框架

現(xiàn)代物流倉儲管理系統(tǒng)是基于信息技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)等發(fā)展起來的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個智能立體倉儲的管理、調(diào)度工作，是整個倉儲系統(tǒng)的控制中樞?，F(xiàn)代物流倉儲管理系統(tǒng)由三個層次的軟、硬件組成：采集、匯聚和管理。它們分別負(fù)擔(dān)著信息的獲取、傳輸、管理和消費(fèi)的功能，如圖1所示。

圖1 物流倉儲管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

采集層主要是通過射頻識別設(shè)備以及其他自動識別設(shè)備采集數(shù)據(jù)，包括庫位標(biāo)簽、貨物標(biāo)簽、手持讀寫器、無線接入終端；匯聚層通過無線通信技術(shù)，把采集來的數(shù)據(jù)傳遞到中央數(shù)據(jù)庫，包括無線接入設(shè)備和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；管理層對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、管理和消費(fèi)，其包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等設(shè)備和倉儲管理系統(tǒng)軟件，根據(jù)需求可分為貨位數(shù)據(jù)庫和貨品數(shù)據(jù)庫的初始化、入庫管理、出庫管理、統(tǒng)計(jì)查詢、庫存管理、貨位調(diào)整、賬目管理等若干模塊。

在物流倉儲管理3層構(gòu)架中，采集層是基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的RFID讀寫系統(tǒng)一般是建立在有線傳輸?shù)幕A(chǔ)之上［6-8］，讀寫器通過RS232或者以太網(wǎng)等接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而對電子標(biāo)簽的信息進(jìn)行處理。本文采用ZigBee無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)讀寫器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。與有線傳輸系統(tǒng)相比較，采用RFID無線傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線雙向傳輸，使讀寫系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活。無線采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個無線采集系統(tǒng)有以下4部分組成：

（1）電子標(biāo)簽：記錄了標(biāo)簽卡號以及物品的數(shù)據(jù)信息。

（2）移動RFID讀寫終端：由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和射頻芯片組成。射頻芯片用來識別電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，然后將標(biāo)簽信息通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器。同時終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸過來的操作指令來控制射頻芯片，使其對電子標(biāo)簽進(jìn)行相應(yīng)的操作。

（3）ZigBee協(xié)調(diào)器：將ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臉?biāo)簽信息通過串口的方式發(fā)送給上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，同時將上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)傳輸過來的控制信息發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

（4）匯聚子節(jié)點(diǎn)：用于匯聚處理ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，同時向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制信息。

2 移動式RFID讀寫終端硬件設(shè)計(jì)

移動RFID讀寫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括射頻通信模塊部分的電路設(shè)計(jì)，天線及匹配電路設(shè)計(jì)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)。

2.1 射頻通信模塊設(shè)計(jì)

單元采用PHILIPS公司生產(chǎn)的MFRC500芯片。MFRC500是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心部件。芯片需要13.56 MHz時鐘源，所以芯片的OSCIN和OSCOUT腳外接13.56 MHz晶振電路。芯片的D0～D7接ZigBee的P0口以完成數(shù)據(jù)的互傳。RX和VMID腳接外圍接收電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。TX1和TX2腳接外圍天線匹配電路的濾波部分，以實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)送工作。NWR、NRD讀寫腳接單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫控制。ALE、NCS使能腳和片選腳接到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對其控制。電路如圖3所示。

圖3 射頻通信模塊電路

2.2 天線及其匹配電路設(shè)計(jì)

為了獲取穩(wěn)定、可靠的射頻信號，天線部分的電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

MF RC500內(nèi)部接收部分使用了一個新的接收概念。它使用副載波負(fù)載調(diào)制所產(chǎn)生的兩個邊頻帶，能夠在芯片的內(nèi)部對接受到的副載波進(jìn)行解調(diào)，不再需要外部濾波電路。因此可以使用內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電勢作為RX腳的輸入電勢。為了減少干擾，提供一個穩(wěn)定的參考電壓，即，其在VMID腳接一個0.1 μF對地電容C9，同時在Rx和VMID引腳之間連接一個電阻R10作為分壓器。電路由C9、C10、R9、R10組成。電路參見圖4。

圖4 接收及基準(zhǔn)源電路

由于天線本身的阻抗并不高，需要一個匹配電路連接射頻部分。天線匹配電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響到天線是否能夠正常工作。天線的電氣特性受元器件參數(shù)和環(huán)境影響很大，并且在13.56 MHz的頻率下電阻的集膚效應(yīng)（Skin Effect）損耗嚴(yán)重，不可直接采用DC阻抗，因此采用了如圖5所示的天線匹配電路，在天線線圈中我們特設(shè)一個接地中心抽頭，用于改善天線線圈的EMC特性。

圖5 天線匹配電路

2.3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是非接觸式RFID讀寫器硬件系統(tǒng)的控制核心，主要控制射頻模塊與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及與ZigBee協(xié)調(diào)器之間數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)采用TI生產(chǎn)的cc2530低功耗射頻芯片它整合IEEE802.15.4/zigBee RF收發(fā)器以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核，其核心控制電路如圖6所示。

系統(tǒng)采用32 MHz晶振作為核心控制器的時鐘信號，CC2530的P0口與射頻模塊MFRC500之間采用并行方式進(jìn)行通信。

圖6 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3 移動式RFID讀寫終端軟件設(shè)計(jì)

在整個系統(tǒng)中ZigBee終端節(jié)點(diǎn)控制MFRC500射頻卡采集的數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee協(xié)議傳輸?shù)狡渌麩o線或有線的網(wǎng)絡(luò)之中。在無線RFID讀寫系統(tǒng)中射頻芯片MFRC500與電子標(biāo)簽之間的通信協(xié)議遵循ISOIEC14443A，主控芯片首先通過并口接口控制MFRC500與進(jìn)入天線范圍內(nèi)類型相符合的卡，進(jìn)行通信讀取卡中信息，將信息進(jìn)行相應(yīng)處理變成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包，并把數(shù)據(jù)包傳送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器通信協(xié)議為IEEE802.15.4。而協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過UART接口相連最終把數(shù)據(jù)傳給匯聚子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。同樣也可以通過上位機(jī)發(fā)送控制指令來完成對電子標(biāo)簽信息的修改等操作。移動式RFID讀寫流程分別如圖7和圖8所示。

圖7 移動RFID讀信息流程圖

圖8 移動RFID讀信息流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)分別在室內(nèi)和室外進(jìn)行測試。室內(nèi)測試主要是檢測讀寫器穿透墻壁的傳輸距離，室外檢測為空曠地帶，用來檢測讀寫器無障礙物傳輸?shù)木嚯x。在環(huán)境溫度26°，ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為5.0 dBm條件下，利用移動RFID讀寫終端系統(tǒng)對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫測試測試結(jié)果如表1所示。從測試結(jié)果可以看出，讀寫系統(tǒng)室外數(shù)據(jù)傳輸距離為100 m～110 m，穿透墻壁可傳輸50 m～60 m。當(dāng)室內(nèi)距離超過70 m，室外距離超過120 m，丟包率非常明顯，讀寫可靠性嚴(yán)重下降。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

RFID技術(shù)在制造企業(yè)執(zhí)行層系統(tǒng)的應(yīng)用價值在于提升作業(yè)效率和信息的自動化精確獲取。當(dāng)物流倉儲管理系統(tǒng)引入了RFID技術(shù)，在企庫存管理各環(huán)節(jié)，可以獲得更多的自動化數(shù)據(jù)采集，功能控制。操作工人可以不必在工作的同時執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的動作，可以全身心的投入生產(chǎn)作業(yè)中，從而作業(yè)效率也得到提高。這一點(diǎn)對進(jìn)行大批量作業(yè)的制造企業(yè)顯得尤其重要。本文提出的移動RFID讀寫終端系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證統(tǒng)識別距離長、成本低、靈活性高、擴(kuò)展性好，拓展了RFID在物流企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍，具有較好的應(yīng)用及推廣價值。

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王紅梅（1968-），女，江蘇太倉人，副教授，電子商務(wù)學(xué)院主任，研究方向?yàn)殡娮由虅?wù)。