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基于超高频 RFID 的便携式仓储管理终端系统
作者：刘峰，王高，李仰军，王伟
来源：RFID世界网
日期：2009-12-18 09:53:46
摘要：仓储管理是物流当中的一个重要环节。提出了一种基于超高频射频识别(RFID)技术的便携式仓储管理系统，介绍了相关硬件设备电子标签和读写器的组成、工作原理。该系统采用ARM7作为阅读器微控制器，采用无线局域网与管理服务器进行数据的实时传输。实验表明，这种系统能准确地读取标签，有效地对库存货物进行查询、盘库，具有广泛的应用前景。
1 概述
仓储管理在企业的整个管理流程中起着非常重要的作用，如果不能及时准确地进货、库存控制和发货，将会给企业带来巨大的损失。传统的人工仓库作业模式和数据采集方式已难以满足仓库管理的快速、准确要求，严重影响了企业的运行工作效率，成为制约企业发展的一大障碍。
基于ARM7和915 MHz超高频段RFID的仓库管理系统是在现有仓库管理中引入RFID技术，对仓库到货检验、入库、出库、调拨、移库移位、库存盘点等各个作业环节的数据进行自动化的数据采集，以保证仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性，确保企业及时准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存。在仓库和各经销管道设置固定式或便携式RFID阅读器，以辨识、侦测物品及其流通。
2 系统设计
2．1 总体设计
在物品入库时，给每个库存管理物品贴电子标签，该标签为货物标签。贴放标签的物品应该是整托盘、整箱或便于安装标签的大件物品。在进行库房作业时，读取标签的编号，确定作业物品是否正确。为了节省运行成本，货物标签设计成可重复使用，在货物出库时取下，送到入库处再重新使用。还需要给每一库位贴电子标签，该标签称为库位标签。在进行库房管理作业时，读取该标签编号，就可判定当前作业的位置是否正确。
便携式终端具有接受作业指令、确认作业位置与作业货物是否准确、返回作业实况等功能，可以通过无线网络与管理服务器进行数据的实时传输。例如持便携式终端接收到管理服务器的入库指令，可对要入库的货物进行扫描读取标签上的货物信息，然后扫描货物所在的库位标签，将两者的对应信息实时传输到管理服务器。架设无线网络，本系统中采用了IEEE802．1lb无线局域网，实现所有作业数据实时传输。每个便携式终端相当于网络中的一个节点，管理服务器作为中心节点。管理服务器运行仓库管理系统软件，负责仓库管理数据库的集中管理与维护，以及进货计划、出库计划的制定和指令下达，并对库存货物进行查询、盘库，打印生成各种管理报表。
基于RFID技术的仓储管理系统具有以下基本功能：① 自动地、精确地更新各种信息；② 实时查询和追踪货物信息；③ 实时货位查询，动态分配货位，实现随机存储，从而最大限度地利用仓储空间；④ 实时监控工作情况，实现人力、物力资源的动态综合分配；⑤ 仓库系统综合盘点功能；⑥仓库内部随机抽查盘点；⑦ 关联客户内部数据查询；⑧实时统计报表，汇总各类信息。
本文设计的便携式仓储管理终端系统见图1。
2．2 硬件设计
便携式仓储管理终端的硬件框图见图2。可以将硬件分为ARM 核心及外围部分和RFID部分。
2．2．1 ARM 核心及外围部分
该部分包括ARM 微控制器、存储器(SRAM 和FLASH)、输入输出设备(键盘、LCD)和接口设备(USB、R$232、JTAG)。ARM 微控制器采用ST公司的sTR71OFz2T6芯片，片上存储量大、接口资源丰富。存储器包括SRAM 芯片和FLASH芯片，作为ARM 片上存储的补充，可以支持／μCI inux系统的运行。SRAM 采用ISSI公司的IS6lI V51216， 为512 kB；FLASH采用SST公司的SST39VF1601，为1 MB。LCD采用1602字符型显示模块，ARM 芯片上没有I CD 驱动， 电路设计中通过SN74FO4N 和741 VC245来实现对LCD的驱动。
为了将便携式终端接入无线局域网，本设计中使用了现在比较成熟的USB无线网卡，故在电路中加入了USB接口。为了控制无线网卡，采用了芯片sI 811HS。SI 811HS是可支持全速数据传输的USB控制芯片，内含USB主／从控制器，支持全速和低速数据传输，并能自动识别低速或全速设备。
该部分包括射频芯片和天线，芯片使用CC1100，能对频率为915 MHz的超高频标签进行读写，符合EPC CLASS-1／Gen一2标准。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离操作的天线，控制可达到10 m，完全可以满足仓储管理的需要。
2．3 软件设计
系统软件框图见图3。本系统采用U-Boot软件开发系统的BootLoader，操作系统采用了μCLinux。RFID数据读取及网络通信应用程序的流程见图4。
3 关键技术
3．1 RFID技术
RFID(Radio Frequency Identification)即射频识别，是一种非接触式自动识别技术，它是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它能对相距几厘米到几十米范围内的物体进行识别，而且可以批量读取，RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
最基本的RFID系统由3大部分组成：电子标签、阅读器和天线。电子标签一般由耦合元件(天线)及专用芯片组成。电子标签是射频识别系统真正的数据载体，每个标签具有唯一电子编码(ID号)，而且标签一般保存有约定格式的电子数据。阅读器是读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号接收或辐射出去的装置，用于在标签和读取器间传递射频信号。
阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入天线辐射场时，产生感应电流从而获得能量， 并发送出自身编码等信息，被阅读器读取并解码后发 送至电脑主机进行有关处理。
射频识别可以用来跟踪和管理几乎所有物理对象，因此可广泛应用于各行各业，其典型应用包括：供应链与物流管理，生产制造与装配，行李、邮件和包裹处理，身份识别、防伪、门禁和防盗系统，文档追踪，图书馆管理，交通管理与城市规划 ，空间定位与跟踪。
无线局域网(WLAN)在不采用传统缆线的同时，
提供以太网或者令牌网络的功能。通常计算机组网的传输媒介主要是铜缆或光缆，构成有线局域网，但有线网络在某些场合要受到布线的限制。与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。
WLAN也存在着以下几个技术方面的问题：标准不统一，产品不兼容，安全性、可靠性有待加强。尽管WLAN有以上技术方面的不足，但其优点是无可否认的。随着通信技术日新月异的发展，相信这些技术问题最终会得到很好的解决，WLAN必将有广阔的发展前景。
4 总结
本文简要介绍了所设计的仓储管理系统，重点介绍了便携式仓储管理终端的软、硬件设计及相应的关键技术。射频识别技术在物流管理中的应用日益广泛，本系统以射频识别技术为重点，以仓储管理为应用背景，结合无线局域网技术可以实现仓储的智能化管理。能快速、实时、准确地对标签读取和处理，为仓储监管提供灵活、高效、可靠的系统通信架构。
(文/中北大学动态测试技术重点实验室，刘峰，王高，李仰军，王伟)
仓储管理在企业的整个管理流程中起着非常重要的作用，如果不能及时准确地进货、库存控制和发货，将会给企业带来巨大的损失。传统的人工仓库作业模式和数据采集方式已难以满足仓库管理的快速、准确要求，严重影响了企业的运行工作效率，成为制约企业发展的一大障碍。
基于ARM7和915 MHz超高频段RFID的仓库管理系统是在现有仓库管理中引入RFID技术，对仓库到货检验、入库、出库、调拨、移库移位、库存盘点等各个作业环节的数据进行自动化的数据采集，以保证仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性，确保企业及时准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存。在仓库和各经销管道设置固定式或便携式RFID阅读器，以辨识、侦测物品及其流通。
2 系统设计
2．1 总体设计
在物品入库时，给每个库存管理物品贴电子标签，该标签为货物标签。贴放标签的物品应该是整托盘、整箱或便于安装标签的大件物品。在进行库房作业时，读取标签的编号，确定作业物品是否正确。为了节省运行成本，货物标签设计成可重复使用，在货物出库时取下，送到入库处再重新使用。还需要给每一库位贴电子标签，该标签称为库位标签。在进行库房管理作业时，读取该标签编号，就可判定当前作业的位置是否正确。
便携式终端具有接受作业指令、确认作业位置与作业货物是否准确、返回作业实况等功能，可以通过无线网络与管理服务器进行数据的实时传输。例如持便携式终端接收到管理服务器的入库指令，可对要入库的货物进行扫描读取标签上的货物信息，然后扫描货物所在的库位标签，将两者的对应信息实时传输到管理服务器。架设无线网络，本系统中采用了IEEE802．1lb无线局域网，实现所有作业数据实时传输。每个便携式终端相当于网络中的一个节点，管理服务器作为中心节点。管理服务器运行仓库管理系统软件，负责仓库管理数据库的集中管理与维护，以及进货计划、出库计划的制定和指令下达，并对库存货物进行查询、盘库，打印生成各种管理报表。
基于RFID技术的仓储管理系统具有以下基本功能：① 自动地、精确地更新各种信息；② 实时查询和追踪货物信息；③ 实时货位查询，动态分配货位，实现随机存储，从而最大限度地利用仓储空间；④ 实时监控工作情况，实现人力、物力资源的动态综合分配；⑤ 仓库系统综合盘点功能；⑥仓库内部随机抽查盘点；⑦ 关联客户内部数据查询；⑧实时统计报表，汇总各类信息。
本文设计的便携式仓储管理终端系统见图1。
2．2 硬件设计
便携式仓储管理终端的硬件框图见图2。可以将硬件分为ARM 核心及外围部分和RFID部分。
2．2．1 ARM 核心及外围部分
该部分包括ARM 微控制器、存储器(SRAM 和FLASH)、输入输出设备(键盘、LCD)和接口设备(USB、R$232、JTAG)。ARM 微控制器采用ST公司的sTR71OFz2T6芯片，片上存储量大、接口资源丰富。存储器包括SRAM 芯片和FLASH芯片，作为ARM 片上存储的补充，可以支持／μCI inux系统的运行。SRAM 采用ISSI公司的IS6lI V51216， 为512 kB；FLASH采用SST公司的SST39VF1601，为1 MB。LCD采用1602字符型显示模块，ARM 芯片上没有I CD 驱动， 电路设计中通过SN74FO4N 和741 VC245来实现对LCD的驱动。
为了将便携式终端接入无线局域网，本设计中使用了现在比较成熟的USB无线网卡，故在电路中加入了USB接口。为了控制无线网卡，采用了芯片sI 811HS。SI 811HS是可支持全速数据传输的USB控制芯片，内含USB主／从控制器，支持全速和低速数据传输，并能自动识别低速或全速设备。
该部分包括射频芯片和天线，芯片使用CC1100，能对频率为915 MHz的超高频标签进行读写，符合EPC CLASS-1／Gen一2标准。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离操作的天线，控制可达到10 m，完全可以满足仓储管理的需要。
2．3 软件设计
系统软件框图见图3。本系统采用U-Boot软件开发系统的BootLoader，操作系统采用了μCLinux。RFID数据读取及网络通信应用程序的流程见图4。
3 关键技术
3．1 RFID技术
RFID(Radio Frequency Identification)即射频识别，是一种非接触式自动识别技术，它是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它能对相距几厘米到几十米范围内的物体进行识别，而且可以批量读取，RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
最基本的RFID系统由3大部分组成：电子标签、阅读器和天线。电子标签一般由耦合元件(天线)及专用芯片组成。电子标签是射频识别系统真正的数据载体，每个标签具有唯一电子编码(ID号)，而且标签一般保存有约定格式的电子数据。阅读器是读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号接收或辐射出去的装置，用于在标签和读取器间传递射频信号。
阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入天线辐射场时，产生感应电流从而获得能量， 并发送出自身编码等信息，被阅读器读取并解码后发 送至电脑主机进行有关处理。
射频识别可以用来跟踪和管理几乎所有物理对象，因此可广泛应用于各行各业，其典型应用包括：供应链与物流管理，生产制造与装配，行李、邮件和包裹处理，身份识别、防伪、门禁和防盗系统，文档追踪，图书馆管理，交通管理与城市规划 ，空间定位与跟踪。
无线局域网(WLAN)在不采用传统缆线的同时，
提供以太网或者令牌网络的功能。通常计算机组网的传输媒介主要是铜缆或光缆，构成有线局域网，但有线网络在某些场合要受到布线的限制。与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。
WLAN也存在着以下几个技术方面的问题：标准不统一，产品不兼容，安全性、可靠性有待加强。尽管WLAN有以上技术方面的不足，但其优点是无可否认的。随着通信技术日新月异的发展，相信这些技术问题最终会得到很好的解决，WLAN必将有广阔的发展前景。
4 总结
本文简要介绍了所设计的仓储管理系统，重点介绍了便携式仓储管理终端的软、硬件设计及相应的关键技术。射频识别技术在物流管理中的应用日益广泛，本系统以射频识别技术为重点，以仓储管理为应用背景，结合无线局域网技术可以实现仓储的智能化管理。能快速、实时、准确地对标签读取和处理，为仓储监管提供灵活、高效、可靠的系统通信架构。
(文/中北大学动态测试技术重点实验室，刘峰，王高，李仰军，王伟)
