标签可重用的仓储管理系统UHF RFID阅读器设计*

曾炼成,傅卓军

(湖南农业大学信息科学技术学院,长沙 410128)

曾炼成(讲师),主要研究方向为嵌入式系统、RFID、无线传感器网络。

引 言

无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是新一代的射频识别技术,与传统识别形式采用的商品纸质条码相比,RFID标签无需光学可视,无须直接接触,抗污染能力强,可在移动过程中批量读取[1-2]。在RFID技术中,超高频(Ultra High Frequency,UHF)RFID的频率为860～960 MHz,相对于低频,高频 RFID标签感应距离远,读写速度快,抗干扰能力强,可识别快速运动物体,在防碰撞机制下可同时识别多个标签、广泛地用于物品追溯[3-4]、不停车收费系统(Electronic Toll Collection,ETC)、人员跟踪和供应链[5-6]等。

UHF RFID技术应用于仓储管理系统,以无源 UHF RFID标签标识单品货物,实现物品的快速入库和出库,提高库存盘点效率,在零售、物流等行业的仓储管理系统中日益得到重视[7-8]。UHF RFID标签可重用仓储管理系统是典型的RFID闭环应用,通过 UHF RFID标签重复使用,可以降低仓储管理系统中的RFID标签使用成本。

UHF RFID阅读器是标签可重用仓储管理系统的关键设备,它在仓储管理过程中采集 RFID标签信息、暂存和同步管理数据库等。本文研究了UHF RFID阅读器的硬件和软件的定制设计,降低了 UHF RFID阅读器复杂度并实现了仓储系统的RFID标签可重用。

1 RFID标签可重用仓储管理系统

仓储的物品管理过程起始于入库,终了于出库,UHF RFID标签可重用仓储管理系统在整个仓储过程以UHF RFID标签标识单一物品。物品入库时登记RFID标签,出库时注销标签并更新管理数据,注销后的RFID标签可以投入下一周期的仓储管理,能够回收重复使用。

图1为UHF RFID标签可重用仓储管理系统,它由仓储管理数据库和RFID系统组成,包含采集标签物品信息和同步数据库两个过程。RFID阅读器和标签组成RFID系统,阅读器和标签都带有天线,阅读器可以搜索一定范围内的RFID标签并获取标签数据。在采集标签物品信息过程中,RFID阅读器采集入库、出库和盘点物品标签信息,暂存于RFID阅读器上。同步数据库过程时,RFID阅读器将暂存信息提交到管理端。

图1 UHFRFID标签可重用仓储管理系统

物品入库时,RFID标签固定在物品外包装上,UHF RFID阅读器读取RFID标签的EPC存储区数据,在阅读器上登记RFID标签和物品信息。物品出库时,回收物品外包装上的RFID标签,UHF RFID阅读器读取RFID标签的EPC存储区数据,记录出库信息后同步数据库更新库存,并注销已出库物品的 RFID标签。注销后的 RFID标签可以在仓储管理系统中重复使用。

仓储管理数据库作为仓储管理的服务器,通过 USB连接线连接UHF RFID阅读器,将UHF RFID阅读器在物品入库/出库时采集的信息及时更新至管理数据库。当一件物品出库后,UHF RFID阅读器同步其出库信息后,在UHF RFID阅读器上注销该物品对应的标签,即阅读器上只保留仓储库存物品的标签登记信息。

2 UHF RFID阅读器硬件设计

入库登记RFID标签、库存盘点和出库注销标签等仓储管理操作都是通过UHF RFID阅读器采集标签信息完成的,UHF RFID阅读器是物品仓储信息采集终端UHF RFID标签可重用仓储管理系统的关键设备。

当前,市售通用的UHF RFID阅读器通常是基于嵌入式操作系统Windows CE或 Linux,对具体应用进行的二次开发有着良好的支持。但是,嵌入式操作系统对硬件设备有着较高的要求,对计算和存储资源需求量大,其硬件通常采用ARM9、ARM10以至Cortex-A系列等高性能嵌入式处理器,同时配置大容量的Flash、SDRAM 存储,硬件成本相对较高。针对仓储管理特定应用来定制硬件架构和存储资源而不带操作系统,可以有效地降低对UHF RFID阅读器的成本。

图2为UHF RFID阅读器硬件系统结构。UHF RFID阅读器以LPC1768微处理器为核心,UHF RFID模块、SPI Flash存储和电源等外部组件所组成。

图2 UHFRFID阅读器硬件系统结构

LPC1768是NXP公司基于高性能ARM Cortex-M3内核的微处理器,工作频率可达100 MHz,内置高速存储器包括512 KB Flash、64 KB SRAM以及8 KB Boot ROM(引导存储),具有丰富的外设,如 USB接口、8通道DMA 、UART 、CAN 、SSP 、SPI、I2C、I2S、8通道 12位 ADC和10位DAC、Timer、RTC以及超过70个的GPIO等。

TFT LCD采用目前国产手机广泛使用的带电阻触摸屏、320×240像素点、2.8英寸彩色液晶屏。其内部含有驱动芯片LGPD4531,以16位数据总线连接。

键盘采用类似于手机的键盘,包括基本的数字键盘(在拼音输入时可输入字母)、导航方向键和出入库等操作读取标签的快捷键,每个按键连接一个内部配置为弱上拉的GPIO引脚。

SPI Flash作为系统扩展外部存储以满足数据存储需求,其容量较大(一般可达32～64 Mb),引脚少、封装紧凑。LPC1768内置SSP(Synchronous Serial Port,同步串行端口)通过SPI总线快速读写SPI Flash。在UHF RFID阅读器中,SPI Flash存储多个汉字库以及仓储数据。

RFID模块是UHF RFID阅读器的信息收发器,它通过平板天线持续发送超高频无线电波给无源UHF RFID标签供电,然后发送信息至标签,获得能量的标签芯片内部处理信息后将响应消息并以反射方式发送出去。

3 UHF RFID阅读器软件设计

UHF RFID阅读器针对基于RFID标签的仓储管理系统特定应用定制的硬件和软件。由于Cortex-M3微处理器的存储空间有限,因此UHF RFID阅读器的软件设计不能借助嵌入式操作系统。在界面设计方面基于开源的μC/GUI图形设计组件,软件设计采用层次化和模块化设计方式实现。

3.1 μC/GUI图形设计组件

μC/GUI是Micrium公司的图形用户界面软件组件,界面设计与处理器和LCD控制器无关,完全是以ANSI C编写的,可以工作于单任务和多任务环境下,具有很好的可移植性和可裁减性。图3为μC/GUI分层模块结构图,自底往上依次是LCD驱动层、基本图形层和窗口管理层。

图3 μC/GUI分层模块结构图

LCD驱动层是μC/GUI软硬件接口层,与硬件平台密切相关,它定义了操作LCD硬件需要的所有宏定义和函数。该层包含了硬件设置、颜色转化、抗锯齿模块以及驱动接口。基本图形层提供了供了文本显示、数值显示、2D图形显示的支持,是构成μC/GUI的基本核心层。μC/GUI支持 8位ASCII码和16位Unicode码的字符以及用户加入任意个数的字体,如指定字体字号的汉字字库、支持等宽和比例字体。窗口管理层为高级用户提供窗口显示和管理,该层需要更多的内存空间。

3.2 基于μC/GUI的软件设计

3.2.1 μC/GUI的移植

μC/GUI与硬件密切相关的是LCD驱动程序,同时,触摸屏和键盘输入也是人机界面交互的主要方式。因此,μC/GUI的移植主要涉及LCD显示和触屏驱动以及汉字库在扩展SPI Flash存储的存取,即包括LCD图形显示驱动、电阻触摸屏驱动和SPI Flash驱动以及汉字拼音键盘输入。

LPC1768等Cortex-M3核微处理器没有内置的LCD控制器,其对图形显示的控制是通过16位的数据总线控制TFT LCD的驱动芯片LGDP4531对像素点的操作实现的。具体方法是先进行LGDP4531的初始化设置,然后设计像素点显示、线条以及矩形区域显示图像的接口函数。

电阻触摸屏驱动的实质是周期性测量屏幕中按压接触点位置,通过交替在X和Y向施加电压,同时相应检测在触点输出的分压来计算X和 Y向的位置比例,从而估算出触点的二维坐标值。

汉字的数量多,且汉字库随着字体字号不同而不同,汉字库的存储需求相对较大,LPC1768的512 KB内置Flash不足以存储多个不同字体、字号的汉字库。因此,采用小封装大容量的SPI Flash存储汉字字库。SPI Flash芯片型号为W25Q32,容量为32 Mb。

3.2.2 系统功能设计

图4为UHF RFID阅读器功能设计框图。系统功能分层次式设计,依次为开机/待机画面、功能表画面和功能模块层。开机/待机画面是UHF RFID阅读器开机启动或完成操作进入待机画面,若一段时间内无触屏点击或按键键入则阅读器进入待机低功耗模式,并关闭LCD背光。当点击触屏或按键事件微处理机激活并进入功能表画面。功能表画面是将UHF RFID阅读器的功能以九宫格的形式列置各个功能模块的按钮,若一段时间内无触屏点击或按键键入则阅读器返回待机画面,若有点击按钮或按下快捷按键则进入相应的功能模块。

功能模块层由一系列的具体功能模块组成,包括入库读卡、出库读卡、盘存读卡、查询读卡、同步数据库和系统设置。由于UHF RFID阅读器内存资源有限,功能模块层内部模块之间不能任意切换,但可以通过退出当前功能模块返回上一级功能表画面进入另一功能模块来实现,即不能有多个模块同时工作。功能模块完成任务后可以直接进入开机/待机画面。

3.2.3 UHF RFID阅读器仓储数据库设计

在仓储管理过程中,UHF RFID阅读器均采取读取标签数据进行仓储物品的登记、盘存和注销等操作。UHF RFID标签可重用仓储管理系统中的标签是可重用的,单一物品的仓储管理过程历经标签从登记至注销为一个周期,在仓储管理周期中以标签作为数据库的主键,可以准确地反映仓储物品的状态。同时,在 UHF RFID阅读器的功能模块中,相关的读卡操作均以记录仓储数据库中的标签数据作为目标。

表1为UHF RFID阅读器的仓储数据库记录。基于RFID仓储管理系统是一个闭环系统,标签ID以16位UII(Unique Item Identifier,唯一标识代码)顺序编程写入其标签存储区。每个标签在一个仓储管理周期中的相关信息包括入库时间、出库时间、货位号、供货方和提货方。这些信息在上位机的仓储管理数据库以静态字典方法预先编码,并将静态字典存储在UHF RFID阅读器中,在阅读器上显示相关信息时对照静态字典翻译成对应的文本信息。

表1 UHFRFID阅读器的仓储数据库记录

结 语

UHF RFID标签可重用仓储管理系统利用UHF RFID标签非光学可视阅读、感应距离远和读取速度快的特点,显著提高了仓储管理的效率。中小型存储管理系统是典型的闭环应用,使得RFID标签可重用和UHF RFID阅读器高度定制。UHF RFID标签可重用仓储管理系统采取RFID标签循环使用,UHF RFID阅读器采集标签 信息,并通过UHF RFID阅读器仓储数据同步更新管理数据库;UHF RFID阅读器采用低成本Cortex-M3核微处理器定制外扩SPI Flash存储,在保持仓储管理的效率和质量的基础上,有效地降低了仓储管理系统的运行成本。

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