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基于超高頻 RFID 的便攜式倉儲管理終端系統
作者：劉峰，王高，李仰軍，王偉
來源：RFID世界網
日期：2009-12-18 09:53:46
摘要：倉儲管理是物流當中的一個重要環節。提出了一種基于超高頻射頻識別(RFID)技術的便攜式倉儲管理系統，介紹了相關硬件設備電子標簽和讀寫器的組成、工作原理。該系統采用ARM7作為閱讀器微控制器，采用無線局域網與管理服務器進行數據的實時傳輸。實驗表明，這種系統能準確地讀取標簽，有效地對庫存貨物進行查詢、盤庫，具有廣泛的應用前景。
1 概述
倉儲管理在企業的整個管理流程中起著非常重要的作用，如果不能及時準確地進貨、庫存控制和發貨，將會給企業帶來巨大的損失。傳統的人工倉庫作業模式和數據采集方式已難以滿足倉庫管理的快速、準確要求，嚴重影響了企業的運行工作效率，成為制約企業發展的一大障礙。
基于ARM7和915 MHz超高頻段RFID的倉庫管理系統是在現有倉庫管理中引入RFID技術，對倉庫到貨檢驗、入庫、出庫、調撥、移庫移位、庫存盤點等各個作業環節的數據進行自動化的數據采集，以保證倉庫管理各個環節數據輸入的速度和準確性，確保企業及時準確地掌握庫存的真實數據，合理保持和控制企業庫存。在倉庫和各經銷管道設置固定式或便攜式RFID閱讀器，以辨識、偵測物品及其流通。
2 系統設計
2．1 總體設計
在物品入庫時，給每個庫存管理物品貼電子標簽，該標簽為貨物標簽。貼放標簽的物品應該是整托盤、整箱或便于安裝標簽的大件物品。在進行庫房作業時，讀取標簽的編號，確定作業物品是否正確。為了節省運行成本，貨物標簽設計成可重復使用，在貨物出庫時取下，送到入庫處再重新使用。還需要給每一庫位貼電子標簽，該標簽稱為庫位標簽。在進行庫房管理作業時，讀取該標簽編號，就可判定當前作業的位置是否正確。
便攜式終端具有接受作業指令、確認作業位置與作業貨物是否準確、返回作業實況等功能，可以通過無線網絡與管理服務器進行數據的實時傳輸。例如持便攜式終端接收到管理服務器的入庫指令，可對要入庫的貨物進行掃描讀取標簽上的貨物信息，然后掃描貨物所在的庫位標簽，將兩者的對應信息實時傳輸到管理服務器。架設無線網絡，本系統中采用了IEEE802．1lb無線局域網，實現所有作業數據實時傳輸。每個便攜式終端相當于網絡中的一個節點，管理服務器作為中心節點。管理服務器運行倉庫管理系統軟件，負責倉庫管理數據庫的集中管理與維護，以及進貨計劃、出庫計劃的制定和指令下達，并對庫存貨物進行查詢、盤庫，打印生成各種管理報表。
基于RFID技術的倉儲管理系統具有以下基本功能：① 自動地、精確地更新各種信息；② 實時查詢和追蹤貨物信息；③ 實時貨位查詢，動態分配貨位，實現隨機存儲，從而最大限度地利用倉儲空間；④ 實時監控工作情況，實現人力、物力資源的動態綜合分配；⑤ 倉庫系統綜合盤點功能；⑥倉庫內部隨機抽查盤點；⑦ 關聯客戶內部數據查詢；⑧實時統計報表，匯總各類信息。
本文設計的便攜式倉儲管理終端系統見圖1。
2．2 硬件設計
便攜式倉儲管理終端的硬件框圖見圖2。可以將硬件分為ARM 核心及外圍部分和RFID部分。
2．2．1 ARM 核心及外圍部分
該部分包括ARM 微控制器、存儲器(SRAM 和FLASH)、輸入輸出設備(鍵盤、LCD)和接口設備(USB、R$232、JTAG)。ARM 微控制器采用ST公司的sTR71OFz2T6芯片，片上存儲量大、接口資源豐富。存儲器包括SRAM 芯片和FLASH芯片，作為ARM 片上存儲的補充，可以支持／μCI inux系統的運行。SRAM 采用ISSI公司的IS6lI V51216， 為512 kB；FLASH采用SST公司的SST39VF1601，為1 MB。LCD采用1602字符型顯示模塊，ARM 芯片上沒有I CD 驅動， 電路設計中通過SN74FO4N 和741 VC245來實現對LCD的驅動。
為了將便攜式終端接入無線局域網，本設計中使用了現在比較成熟的USB無線網卡，故在電路中加入了USB接口。為了控制無線網卡，采用了芯片sI 811HS。SI 811HS是可支持全速數據傳輸的USB控制芯片，內含USB主／從控制器，支持全速和低速數據傳輸，并能自動識別低速或全速設備。
該部分包括射頻芯片和天線，芯片使用CC1100，能對頻率為915 MHz的超高頻標簽進行讀寫，符合EPC CLASS-1／Gen一2標準。內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近距離操作的天線，控制可達到10 m，完全可以滿足倉儲管理的需要。
2．3 軟件設計
系統軟件框圖見圖3。本系統采用U-Boot軟件開發系統的BootLoader，操作系統采用了μCLinux。RFID數據讀取及網絡通信應用程序的流程見圖4。
3 關鍵技術
3．1 RFID技術
RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識別，是一種非接觸式自動識別技術，它是通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。它能對相距幾厘米到幾十米范圍內的物體進行識別，而且可以批量讀取，RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。
最基本的RFID系統由3大部分組成：電子標簽、閱讀器和天線。電子標簽一般由耦合元件(天線)及專用芯片組成。電子標簽是射頻識別系統真正的數據載體，每個標簽具有唯一電子編碼(ID號)，而且標簽一般保存有約定格式的電子數據。閱讀器是讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。天線是一種以電磁波形式把無線電收發機的射頻信號接收或輻射出去的裝置，用于在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。
閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入天線輻射場時，產生感應電流從而獲得能量， 并發送出自身編碼等信息，被閱讀器讀取并解碼后發 送至電腦主機進行有關處理。
射頻識別可以用來跟蹤和管理幾乎所有物理對象，因此可廣泛應用于各行各業，其典型應用包括：供應鏈與物流管理，生產制造與裝配，行李、郵件和包裹處理，身份識別、防偽、門禁和防盜系統，文檔追蹤，圖書館管理，交通管理與城市規劃 ，空間定位與跟蹤。
無線局域網(WLAN)在不采用傳統纜線的同時，
提供以太網或者令牌網絡的功能。通常計算機組網的傳輸媒介主要是銅纜或光纜，構成有線局域網，但有線網絡在某些場合要受到布線的限制。與有線網絡相比，無線局域網具有安裝便捷、使用靈活、經濟節約、易于擴展等優點。
WLAN也存在著以下幾個技術方面的問題：標準不統一，產品不兼容，安全性、可靠性有待加強。盡管WLAN有以上技術方面的不足，但其優點是無可否認的。隨著通信技術日新月異的發展，相信這些技術問題最終會得到很好的解決，WLAN必將有廣闊的發展前景。
4 總結
本文簡要介紹了所設計的倉儲管理系統，重點介紹了便攜式倉儲管理終端的軟、硬件設計及相應的關鍵技術。射頻識別技術在物流管理中的應用日益廣泛，本系統以射頻識別技術為重點，以倉儲管理為應用背景，結合無線局域網技術可以實現倉儲的智能化管理。能快速、實時、準確地對標簽讀取和處理，為倉儲監管提供靈活、高效、可靠的系統通信架構。
(文/中北大學動態測試技術重點實驗室，劉峰，王高，李仰軍，王偉)
倉儲管理在企業的整個管理流程中起著非常重要的作用，如果不能及時準確地進貨、庫存控制和發貨，將會給企業帶來巨大的損失。傳統的人工倉庫作業模式和數據采集方式已難以滿足倉庫管理的快速、準確要求，嚴重影響了企業的運行工作效率，成為制約企業發展的一大障礙。
基于ARM7和915 MHz超高頻段RFID的倉庫管理系統是在現有倉庫管理中引入RFID技術，對倉庫到貨檢驗、入庫、出庫、調撥、移庫移位、庫存盤點等各個作業環節的數據進行自動化的數據采集，以保證倉庫管理各個環節數據輸入的速度和準確性，確保企業及時準確地掌握庫存的真實數據，合理保持和控制企業庫存。在倉庫和各經銷管道設置固定式或便攜式RFID閱讀器，以辨識、偵測物品及其流通。
2 系統設計
2．1 總體設計
在物品入庫時，給每個庫存管理物品貼電子標簽，該標簽為貨物標簽。貼放標簽的物品應該是整托盤、整箱或便于安裝標簽的大件物品。在進行庫房作業時，讀取標簽的編號，確定作業物品是否正確。為了節省運行成本，貨物標簽設計成可重復使用，在貨物出庫時取下，送到入庫處再重新使用。還需要給每一庫位貼電子標簽，該標簽稱為庫位標簽。在進行庫房管理作業時，讀取該標簽編號，就可判定當前作業的位置是否正確。
便攜式終端具有接受作業指令、確認作業位置與作業貨物是否準確、返回作業實況等功能，可以通過無線網絡與管理服務器進行數據的實時傳輸。例如持便攜式終端接收到管理服務器的入庫指令，可對要入庫的貨物進行掃描讀取標簽上的貨物信息，然后掃描貨物所在的庫位標簽，將兩者的對應信息實時傳輸到管理服務器。架設無線網絡，本系統中采用了IEEE802．1lb無線局域網，實現所有作業數據實時傳輸。每個便攜式終端相當于網絡中的一個節點，管理服務器作為中心節點。管理服務器運行倉庫管理系統軟件，負責倉庫管理數據庫的集中管理與維護，以及進貨計劃、出庫計劃的制定和指令下達，并對庫存貨物進行查詢、盤庫，打印生成各種管理報表。
基于RFID技術的倉儲管理系統具有以下基本功能：① 自動地、精確地更新各種信息；② 實時查詢和追蹤貨物信息；③ 實時貨位查詢，動態分配貨位，實現隨機存儲，從而最大限度地利用倉儲空間；④ 實時監控工作情況，實現人力、物力資源的動態綜合分配；⑤ 倉庫系統綜合盤點功能；⑥倉庫內部隨機抽查盤點；⑦ 關聯客戶內部數據查詢；⑧實時統計報表，匯總各類信息。
本文設計的便攜式倉儲管理終端系統見圖1。
2．2 硬件設計
便攜式倉儲管理終端的硬件框圖見圖2。可以將硬件分為ARM 核心及外圍部分和RFID部分。
2．2．1 ARM 核心及外圍部分
該部分包括ARM 微控制器、存儲器(SRAM 和FLASH)、輸入輸出設備(鍵盤、LCD)和接口設備(USB、R$232、JTAG)。ARM 微控制器采用ST公司的sTR71OFz2T6芯片，片上存儲量大、接口資源豐富。存儲器包括SRAM 芯片和FLASH芯片，作為ARM 片上存儲的補充，可以支持／μCI inux系統的運行。SRAM 采用ISSI公司的IS6lI V51216， 為512 kB；FLASH采用SST公司的SST39VF1601，為1 MB。LCD采用1602字符型顯示模塊，ARM 芯片上沒有I CD 驅動， 電路設計中通過SN74FO4N 和741 VC245來實現對LCD的驅動。
為了將便攜式終端接入無線局域網，本設計中使用了現在比較成熟的USB無線網卡，故在電路中加入了USB接口。為了控制無線網卡，采用了芯片sI 811HS。SI 811HS是可支持全速數據傳輸的USB控制芯片，內含USB主／從控制器，支持全速和低速數據傳輸，并能自動識別低速或全速設備。
該部分包括射頻芯片和天線，芯片使用CC1100，能對頻率為915 MHz的超高頻標簽進行讀寫，符合EPC CLASS-1／Gen一2標準。內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近距離操作的天線，控制可達到10 m，完全可以滿足倉儲管理的需要。
2．3 軟件設計
系統軟件框圖見圖3。本系統采用U-Boot軟件開發系統的BootLoader，操作系統采用了μCLinux。RFID數據讀取及網絡通信應用程序的流程見圖4。
3 關鍵技術
3．1 RFID技術
RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識別，是一種非接觸式自動識別技術，它是通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。它能對相距幾厘米到幾十米范圍內的物體進行識別，而且可以批量讀取，RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。
最基本的RFID系統由3大部分組成：電子標簽、閱讀器和天線。電子標簽一般由耦合元件(天線)及專用芯片組成。電子標簽是射頻識別系統真正的數據載體，每個標簽具有唯一電子編碼(ID號)，而且標簽一般保存有約定格式的電子數據。閱讀器是讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。天線是一種以電磁波形式把無線電收發機的射頻信號接收或輻射出去的裝置，用于在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。
閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入天線輻射場時，產生感應電流從而獲得能量， 并發送出自身編碼等信息，被閱讀器讀取并解碼后發 送至電腦主機進行有關處理。
射頻識別可以用來跟蹤和管理幾乎所有物理對象，因此可廣泛應用于各行各業，其典型應用包括：供應鏈與物流管理，生產制造與裝配，行李、郵件和包裹處理，身份識別、防偽、門禁和防盜系統，文檔追蹤，圖書館管理，交通管理與城市規劃 ，空間定位與跟蹤。
無線局域網(WLAN)在不采用傳統纜線的同時，
提供以太網或者令牌網絡的功能。通常計算機組網的傳輸媒介主要是銅纜或光纜，構成有線局域網，但有線網絡在某些場合要受到布線的限制。與有線網絡相比，無線局域網具有安裝便捷、使用靈活、經濟節約、易于擴展等優點。
WLAN也存在著以下幾個技術方面的問題：標準不統一，產品不兼容，安全性、可靠性有待加強。盡管WLAN有以上技術方面的不足，但其優點是無可否認的。隨著通信技術日新月異的發展，相信這些技術問題最終會得到很好的解決，WLAN必將有廣闊的發展前景。
4 總結
本文簡要介紹了所設計的倉儲管理系統，重點介紹了便攜式倉儲管理終端的軟、硬件設計及相應的關鍵技術。射頻識別技術在物流管理中的應用日益廣泛，本系統以射頻識別技術為重點，以倉儲管理為應用背景，結合無線局域網技術可以實現倉儲的智能化管理。能快速、實時、準確地對標簽讀取和處理，為倉儲監管提供靈活、高效、可靠的系統通信架構。
(文/中北大學動態測試技術重點實驗室，劉峰，王高，李仰軍，王偉)
