基于RFID的便攜式倉庫管理終端設(shè)計(jì)

摘要：RFID技術(shù)逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，在物流管理中也有著日益重要的作用．該文簡(jiǎn)要介紹了基于RFID的倉庫管理系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了便攜式倉庫管理終端的硬件和軟件設(shè)計(jì)．本設(shè)計(jì)以RFID技術(shù)為重點(diǎn)，以倉庫管理為應(yīng)用背景，結(jié)合無線局域網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)倉庫的智能化管理．

倉庫管理是物流當(dāng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也在企業(yè)的整個(gè)管理流程中起著非常重要的作用，如果不能保證及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)貨、庫存控制和發(fā)貨，將會(huì)給企業(yè)帶來巨大損失，這不僅表現(xiàn)為企業(yè)各項(xiàng)管理費(fèi)用的增加，而且會(huì)導(dǎo)致客戶服務(wù)質(zhì)量難以得到保證，最終影響企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力．隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，倉庫管理的物資種類、數(shù)量在不斷增加，出入庫頻率劇增，倉庫管理作業(yè)也已十分復(fù)雜和多樣化，傳統(tǒng)的人工倉庫作業(yè)模式和數(shù)據(jù)采集方式已難以滿足倉庫管理的快速、準(zhǔn)確要求，嚴(yán)重影響了企業(yè)的運(yùn)行工作效率，成為制約企業(yè)發(fā)展的一大障礙．射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用可以改善目前倉庫管理的現(xiàn)狀．射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是利用無線射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，與目前廣泛使用的條形碼技術(shù)相比擁有很大優(yōu)勢(shì)[1]．在倉庫管理中，它具有信息獲取和信息錄入功能，通過自動(dòng)獲取項(xiàng)目標(biāo)識(shí)信息并且不使用鍵盤即可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入計(jì)算機(jī)、程序邏輯控制器或其他微處理器控制設(shè)備．

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

文中介紹的便攜式倉庫管理終端是基于RFID的倉庫管理系統(tǒng)的一部分．基于RFID的倉庫管理系統(tǒng)是在現(xiàn)有倉庫管理中引入RFID技術(shù)，對(duì)倉庫到貨檢驗(yàn)、入庫、出庫、調(diào)撥、移庫、庫存盤點(diǎn)等各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集，保證倉庫管理各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速度和準(zhǔn)確性，確保企業(yè)及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握庫存的真實(shí)數(shù)據(jù)，合理保持和控制企業(yè)庫存．通過科學(xué)的編碼，還可方便地對(duì)物品的批次、保質(zhì)期等進(jìn)行管理．利用系統(tǒng)的庫位管理功能，更可以及時(shí)掌握所有庫存物資當(dāng)前所在位置，有利于提高倉庫管理的工作效率．該系統(tǒng)的硬件組成包括：管理服務(wù)器、打印機(jī)、便攜式終端、無線設(shè)備和射頻標(biāo)簽，該系統(tǒng)組成如圖1所示．




管理服務(wù)器運(yùn)行倉庫管理軟件，負(fù)責(zé)倉庫信息數(shù)據(jù)庫的集中管理與維護(hù)，以及進(jìn)貨計(jì)劃、出庫計(jì)劃的制定和指令下達(dá)，對(duì)庫存貨物進(jìn)行查詢、盤庫，打印生成各種管理報(bào)表．本管理軟件是在WindowsXP系統(tǒng)中采用VB6．0開發(fā)的．便攜式終端具有接受作業(yè)指令、確認(rèn)作業(yè)位置與作業(yè)貨物是否準(zhǔn)確、返回作業(yè)實(shí)況等功能，可以通過基于IEEE802．1lb協(xié)議的無線局域網(wǎng)與管理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸．例如，持便攜式終端的工作人員接受到管理服務(wù)器的入庫指令，可對(duì)要入庫的貨物進(jìn)行掃描，讀取標(biāo)簽上的貨物信息，然后掃描貨物所在的庫位標(biāo)簽，將2者的對(duì)應(yīng)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦芾矸?wù)器．

本系統(tǒng)采用IEEE802．1lb無線局域網(wǎng)，利用無線接入點(diǎn)、無線路由器等設(shè)備覆蓋整個(gè)倉庫作業(yè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸．每個(gè)便攜式終端相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，管理服務(wù)器作為中心結(jié)點(diǎn)．一在物品入庫時(shí)，給每個(gè)庫存管理物品貼裝射頻標(biāo)簽，該標(biāo)簽為貨物標(biāo)簽．貼放標(biāo)簽的物品應(yīng)該是整托盤、整箱或便于安裝標(biāo)簽的大件物品．在進(jìn)行庫房作業(yè)時(shí)，讀取標(biāo)簽的編號(hào)，確定作業(yè)物品是否正確．為了節(jié)省運(yùn)行成本，貨物標(biāo)簽設(shè)計(jì)成可重復(fù)使用．在貨物出庫時(shí)取下，送到入庫處再重新使用．還需要給每一庫位貼裝射頻標(biāo)簽，該標(biāo)簽稱為庫位標(biāo)簽．在進(jìn)行庫房管理作業(yè)時(shí)，讀取該標(biāo)簽編號(hào)就可判定當(dāng)前作業(yè)的位置是否正確[2]．

2硬件設(shè)計(jì)

2．1總體設(shè)計(jì)

便攜式終端的硬件設(shè)計(jì)包括主控制部分和射頻部分．主控制部分采用ARM微控制器作為核心，用sT公司的STR710FZ2T6芯片來實(shí)現(xiàn)，外部存儲(chǔ)器有5l2Kx16的SRAM和1Mx16的FLASH，使用USB主機(jī)接口接入無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無線通信功能，同時(shí)還集成了RS232接口、鍵盤和LCD等功能．射頻部分使用NXP公司的MFRC500芯片，連接天線模塊，用來讀取射頻標(biāo)簽的信息．系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示．




2．2主控制部分設(shè)計(jì)

主控制部分以STR710FZ2T6芯片為核心，外圍包括存儲(chǔ)器、USB接口、RS232接口、鍵盤和LCD等.STR710FZ2T6芯片基于ARM7TDMI核心，擁有豐富的外設(shè)和增強(qiáng)的I／O功能，片上集成有256 l6K的FLASH和64K的RAM，滿足低功耗、高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用．該芯片擁有可以尋址4個(gè)存儲(chǔ)器段的外部存儲(chǔ)器接口(EMI)，支持SRAM、FLASH和ROM等多種存儲(chǔ)器類型，同時(shí)支持多種啟動(dòng)方式．


系統(tǒng)及I／O接口采用3．3V電源供電，內(nèi)核采用內(nèi)嵌的1．8V電源穩(wěn)壓器供電．它使用0～16MHz的外部主晶振和32kHz的外部備用晶振，在內(nèi)部FLASH中運(yùn)行代碼時(shí)可以達(dá)到50MHz時(shí)鐘頻率，具有4種低功耗模式：SLOW、WFI、STOP和STANDBY．系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)無線通信、射頻識(shí)別等功能需要較大存儲(chǔ)空間，STR710FZ2T6芯片內(nèi)的64KRAM滿足不了要求，需要擴(kuò)展一片SRAM，同時(shí)可以支持txCLinux操作系統(tǒng)的運(yùn)行．SRAM采用ISSI公司512K×16的IS61LV51216，它通過STR710FZ2T6的nCSI信號(hào)選通．為了存儲(chǔ)固化的為了便攜式終端能夠接人無線局域網(wǎng)和主機(jī)通信，設(shè)計(jì)中使用了現(xiàn)在技術(shù)比較成熟的USB接口無線網(wǎng)卡．STR7IOFZ2T6芯片上帶有USB設(shè)備接口，但是為了實(shí)現(xiàn)控制無線網(wǎng)卡需要USB主機(jī)接口，這就要用外接芯片SL811HS來實(shí)現(xiàn)．SLS11HS是CY—PRESS公司生產(chǎn)的、可支持全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB控制芯片，內(nèi)含USB主／從控制器，支持全速和低速數(shù)據(jù)傳輸，并能自動(dòng)識(shí)別低速或全速設(shè)備．SLS11HS所提供的接口遵從USBI．1標(biāo)準(zhǔn)，可與微處理器、微控制器、DSP相連，也可直接與ISA、PCMCIA及其他總線相連．內(nèi)部有一個(gè)256字節(jié)的RAM，可用做控制寄存器或數(shù)據(jù)緩沖器．SLS11HS的復(fù)位引腳是對(duì)芯片的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位，包括了對(duì)芯片內(nèi)部寄存器值的復(fù)位，實(shí)現(xiàn)該操作不需要讀寫接口芯片內(nèi)部寄存器，只需向接口芯片的復(fù)位引腳輸人一個(gè)有效的復(fù)位脈沖即可．SLS11HS可以使用12MHz和48MHz2種晶振，為了提高電路的穩(wěn)定性，這里使用了48MHz晶振．電路連接如圖4所示．





程序和數(shù)據(jù)，需要擴(kuò)展一片F(xiàn)LASH，可以通過JTAG接口從主機(jī)向里面下載程序．FLASH采用SST公司的SST39VF1601，大小為1M×16，通過STR7IOFZ2T6的nCSO信號(hào)選通．RS232接口使用了MAX3232芯片來實(shí)現(xiàn)電平裝換，它用來調(diào)試時(shí)和主機(jī)串口通信，也作為無線通信之外和管理服務(wù)器通信的備用；鍵盤用來操作出庫、人庫和移庫等各種任務(wù)的選擇；LCD用來顯示讀取到的射頻標(biāo)簽上的信息，采用1602字符型LCD，因?yàn)镾TR710FZ2T6芯片沒有LCD驅(qū)動(dòng)功能。電路設(shè)計(jì)中加人了SN74F04N和74LVC245來實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的驅(qū)動(dòng)．

2．3射頻部分設(shè)計(jì)

該部分包括射頻芯片和天線模塊，射頻芯片使用NXP公司的MFRC500，該芯片工作于13．56MHz，利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13．56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的所有層．內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近距離操作的天線，可達(dá)到100mm．MFRC500支持不同的微控制器接口，一個(gè)智能的自動(dòng)檢測(cè)邏輯可以自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)總線的8位并行接口，使用信號(hào)NCS進(jìn)行片選．要使用獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線與微控制器相連，必須將ALE引腳置高．要使用復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線與微控制器相連，必須將ALE引腳連接到微控制器的ALE引腳．這里使用了復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線．STR710FZ2T6芯片的低8位數(shù)據(jù)總線連接MFRC500的8位并行接口，P2．12管腳連接MFRC500的NCS用來片選，CKOUT管腳連接MFRC500的ALE管腳用來完成地址鎖存功能．

MFRC500的RSTPD引腳接高電平時(shí)復(fù)位內(nèi)部電路，晶振停止工作，內(nèi)部輸入管腳和外部電路隔離，在下降沿時(shí)觸發(fā)內(nèi)部復(fù)位程序[3.4]．

整個(gè)天線系統(tǒng)包括3部分：射頻芯片上的接收電路、濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路、天線線圈及其匹配電．MFRC500的天線接口使用了4個(gè)管腳：TX。、TX、RX和VMID．為了驅(qū)動(dòng)天線MFRC500通過TX．和TX，提供13．56MHz的能量載波．根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)．射頻標(biāo)簽采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)．天線接收的信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到RX管腳．MFRC500的內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)，可以按需要設(shè)置寄存器進(jìn)行相應(yīng)的處理．然后處理過的數(shù)據(jù)通過8位并行接口發(fā)送到微控制器，由它來負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理．

VMID用來提供參考電壓．濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路用來8位并行接口發(fā)送到微控制器，由它來負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理．VMID用來提供參考電壓．濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路用來抑制高次諧波并優(yōu)化到讀卡器電路的功率傳輸．電路連接參見圖5所示．為低通濾波器，用于濾除13．56MHz的3次和5次諧波分量．則組成匹配電路．主要用于耦合卡負(fù)載調(diào)制信號(hào)，∞為分壓器，VMID管腳的電壓可為管腳提供一個(gè)參考電位．射頻芯片的工作距離主要由天線的大小及匹配電路的修正值所決定．天線本身是一個(gè)低電阻的器件，將天線線圈連接到MFRC500需要一個(gè)匹配電路．通過估算天線的等效電路和計(jì)算品質(zhì)因子可以得出匹配電路的電容推薦值．為了提高天線性能，減小系統(tǒng)體積則單獨(dú)設(shè)計(jì)一塊PCB天線．



3軟件設(shè)計(jì)

軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示．采用U—Boot軟件來開發(fā)系統(tǒng)的Bootloader，進(jìn)行硬件初始化和引導(dǎo)操作系統(tǒng)．STR710FZ2T6運(yùn)行的所有軟件模塊都是基于p~CLinux操作系統(tǒng)的．用戶接口模塊包括2部分，分別完成LCD顯示和掃描鍵盤輸入的功能．編寫USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和射頻芯片驅(qū)動(dòng)，分別完成控制無線網(wǎng)卡與管理服務(wù)器通信和射頻數(shù)據(jù)傳輸．

在整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)中最主要的部分就是射頻數(shù)據(jù)的傳輸，在實(shí)際應(yīng)用中防碰撞算法應(yīng)重點(diǎn)考慮．射頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖驁D如圖7所示．在與服務(wù)器的無線通信時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸速度與數(shù)據(jù)的正確性，可以將數(shù)據(jù)分塊傳輸．在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以在分塊的數(shù)據(jù)中添加塊校驗(yàn)，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤．便攜式終端接收到分塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)后，將數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，并判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢．



4結(jié)束語

隨著集成電路、信息安全和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，RFID逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段．文中介紹的便攜式倉庫管理終端采用基于ARM7TDMI核心的STR710FZ2T6芯片所設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用于倉庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉庫的智能化管理，提高庫存管理的效率．