基于RFID的便攜式倉庫管理終端設計

摘要：RFID技術逐漸進入商業化應用，在物流管理中也有著日益重要的作用．該文簡要介紹了基于RFID的倉庫管理系統，重點介紹了便攜式倉庫管理終端的硬件和軟件設計．本設計以RFID技術為重點，以倉庫管理為應用背景，結合無線局域網技術可以實現倉庫的智能化管理．

倉庫管理是物流當中的一個重要環節，也在企業的整個管理流程中起著非常重要的作用，如果不能保證及時準確的進貨、庫存控制和發貨，將會給企業帶來巨大損失，這不僅表現為企業各項管理費用的增加，而且會導致客戶服務質量難以得到保證，最終影響企業的市場競爭力．隨著企業規模的不斷擴大，倉庫管理的物資種類、數量在不斷增加，出入庫頻率劇增，倉庫管理作業也已十分復雜和多樣化，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．射頻識別技術的應用可以改善目前倉庫管理的現狀．射頻識別(RFID)技術是利用無線射頻通信實現的非接觸式自動識別技術，與目前廣泛使用的條形碼技術相比擁有很大優勢[1]．在倉庫管理中，它具有信息獲取和信息錄入功能，通過自動獲取項目標識信息并且不使用鍵盤即可將數據實時輸入計算機、程序邏輯控制器或其他微處理器控制設備．

1系統簡介

文中介紹的便攜式倉庫管理終端是基于RFID的倉庫管理系統的一部分．基于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、庫存盤點等各個作業環節的數據進行自動化的數據采集，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．通過科學的編碼，還可方便地對物品的批次、保質期等進行管理．利用系統的庫位管理功能，更可以及時掌握所有庫存物資當前所在位置，有利于提高倉庫管理的工作效率．該系統的硬件組成包括：管理服務器、打印機、便攜式終端、無線設備和射頻標簽，該系統組成如圖1所示．




管理服務器運行倉庫管理軟件，負責倉庫信息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，對庫存貨物進行查詢、盤庫，打印生成各種管理報表．本管理軟件是在WindowsXP系統中采用VB6．0開發的．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，可以通過基于IEEE802．1lb協議的無線局域網與管理服務器進行數據的實時傳輸．例如，持便攜式終端的工作人員接受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2者的對應信息實時傳輸到管理服務器．

本系統采用IEEE802．1lb無線局域網，利用無線接入點、無線路由器等設備覆蓋整個倉庫作業區，實現作業數據實時傳輸．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結點．一在物品入庫時，給每個庫存管理物品貼裝射頻標簽，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裝射頻標簽，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[2]．

2硬件設計

2．1總體設計

便攜式終端的硬件設計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芯片來實現，外部存儲器有5l2Kx16的SRAM和1Mx16的FLASH，使用USB主機接口接入無線網卡實現無線通信功能，同時還集成了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，用來讀取射頻標簽的信息．系統的硬件總體設計如圖2所示．




2．2主控制部分設計

主控制部分以STR710FZ2T6芯片為核心，外圍包括存儲器、USB接口、RS232接口、鍵盤和LCD等.STR710FZ2T6芯片基于ARM7TDMI核心，擁有豐富的外設和增強的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應用．該芯片擁有可以尋址4個存儲器段的外部存儲器接口(EMI)，支持SRAM、FLASH和ROM等多種存儲器類型，同時支持多種啟動方式．


系統及I／O接口采用3．3V電源供電，內核采用內嵌的1．8V電源穩壓器供電．它使用0～16MHz的外部主晶振和32kHz的外部備用晶振，在內部FLASH中運行代碼時可以達到50MHz時鐘頻率，具有4種低功耗模式：SLOW、WFI、STOP和STANDBY．系統軟件要實現無線通信、射頻識別等功能需要較大存儲空間，STR710FZ2T6芯片內的64KRAM滿足不了要求，需要擴展一片SRAM，同時可以支持txCLinux操作系統的運行．SRAM采用ISSI公司512K×16的IS61LV51216，它通過STR710FZ2T6的nCSI信號選通．為了存儲固化的為了便攜式終端能夠接人無線局域網和主機通信，設計中使用了現在技術比較成熟的USB接口無線網卡．STR7IOFZ2T6芯片上帶有USB設備接口，但是為了實現控制無線網卡需要USB主機接口，這就要用外接芯片SL811HS來實現．SLS11HS是CY—PRESS公司生產的、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．SLS11HS所提供的接口遵從USBI．1標準，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．內部有一個256字節的RAM，可用做控制寄存器或數據緩沖器．SLS11HS的復位引腳是對芯片的狀態進行復位，包括了對芯片內部寄存器值的復位，實現該操作不需要讀寫接口芯片內部寄存器，只需向接口芯片的復位引腳輸人一個有效的復位脈沖即可．SLS11HS可以使用12MHz和48MHz2種晶振，為了提高電路的穩定性，這里使用了48MHz晶振．電路連接如圖4所示．





程序和數據，需要擴展一片FLASH，可以通過JTAG接口從主機向里面下載程序．FLASH采用SST公司的SST39VF1601，大小為1M×16，通過STR7IOFZ2T6的nCSO信號選通．RS232接口使用了MAX3232芯片來實現電平裝換，它用來調試時和主機串口通信，也作為無線通信之外和管理服務器通信的備用；鍵盤用來操作出庫、人庫和移庫等各種任務的選擇；LCD用來顯示讀取到的射頻標簽上的信息，采用1602字符型LCD，因為STR710FZ2T6芯片沒有LCD驅動功能。電路設計中加人了SN74F04N和74LVC245來實現對LCD的驅動．

2．3射頻部分設計

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，利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13．56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，支持ISO14443A標準的所有層．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，可達到100mm．MFRC500支持不同的微控制器接口，一個智能的自動檢測邏輯可以自動適應系統總線的8位并行接口，使用信號NCS進行片選．要使用獨立的地址和數據總線與微控制器相連，必須將ALE引腳置高．要使用復用的地址和數據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．這里使用了復用的地址和數據總線．STR710FZ2T6芯片的低8位數據總線連接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引腳接高電平時復位內部電路，晶振停止工作，內部輸入管腳和外部電路隔離，在下降沿時觸發內部復位程序[3.4]．

整個天線系統包括3部分：射頻芯片上的接收電路、濾波和電阻轉換電路、天線線圈及其匹配電．MFRC500的天線接口使用了4個管腳：TX。、TX、RX和VMID．為了驅動天線MFRC500通過TX．和TX，提供13．56MHz的能量載波．根據寄存器的設定對發送數據進行調制得到發送的信號．射頻標簽采用RF場的負載調制進行響應．天線接收的信號經過天線匹配電路送到RX管腳．MFRC500的內部接收器對信號進行檢測和解調，可以按需要設置寄存器進行相應的處理．然后處理過的數據通過8位并行接口發送到微控制器，由它來負責進一步處理．

VMID用來提供參考電壓．濾波和電阻轉換電路用來8位并行接口發送到微控制器，由它來負責進一步處理．VMID用來提供參考電壓．濾波和電阻轉換電路用來抑制高次諧波并優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．主要用于耦合卡負載調制信號，∞為分壓器，VMID管腳的電壓可為管腳提供一個參考電位．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．天線本身是一個低電阻的器件，將天線線圈連接到MFRC500需要一個匹配電路．通過估算天線的等效電路和計算品質因子可以得出匹配電路的電容推薦值．為了提高天線性能，減小系統體積則單獨設計一塊PCB天線．



3軟件設計

軟件的總體結構如圖6所示．采用U—Boot軟件來開發系統的Bootloader，進行硬件初始化和引導操作系統．STR710FZ2T6運行的所有軟件模塊都是基于p~CLinux操作系統的．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設備驅動和射頻芯片驅動，分別完成控制無線網卡與管理服務器通信和射頻數據傳輸．

在整個軟件結構中最主要的部分就是射頻數據的傳輸，在實際應用中防碰撞算法應重點考慮．射頻數據傳輸的軟件框圖如圖7所示．在與服務器的無線通信時，為了保證數據傳輸速度與數據的正確性，可以將數據分塊傳輸．在數據傳輸時，可以在分塊的數據中添加塊校驗，這樣可以及時發現錯誤．便攜式終端接收到分塊的數據并進行校驗后，將數據存放在存儲器中，并判斷數據是否接收完畢．



4結束語

隨著集成電路、信息安全和網絡通信技術的發展，RFID逐漸進入商業化應用階段．文中介紹的便攜式倉庫管理終端采用基于ARM7TDMI核心的STR710FZ2T6芯片所設計，可以應用于倉庫管理系統，實現倉庫的智能化管理，提高庫存管理的效率．