面向物流仓储应用的移动式RFID读写终端设计*

2015-02-28王红梅

电子器件 2015年6期

王红梅

（南京信息职业技术学院，南京 210013）

物流企业的仓储管理就是对仓储及仓储内的物资所进行的管理，是物流机构为了充分利用其具有的仓储资源，提供高效的仓储服务所进行的计划、组织、控制和协调过程。它是现代物流最为重要、必不可少的基本环节之一［1-3］。

传统物流企业的仓储管理模式普遍存在人力成本偏高，业务流程多，货品跟踪困难，资金和货品周转效率较低，物流管理的信息和手段落后等缺点，已不能保证正确的进货库存控制及发货，并且传统的物流仓储管理系统只能实现货品信息的静态化管理而无法实现对物流全过程的实时跟踪和监控。因此会导致管理费用的增加，服务质量难以得到保证，从而影响企业的竞争力［4-5］。

射频识别RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性实现对被识别物体的自动识别。RFID技术具有无接触式、大容量、快速、高容错、抗干扰和耐腐蚀、安全可靠的信息识别等特点，其在物流仓储管理中得到了较好的应用。但现有的RFID读写系统一般是建立在有线传输的基础之上，存在读写器的位置固定、灵活性差、数据传输距离短以及设备成本高等缺点。

本文针对主要针对上述缺点，结合ZigBee和RFID技术，设计和实现了一种移动RFID读写系统。经实验验证，本系统识别距离长、成本低、灵活性高、扩展性好，具有良好的人机交互界面，拓展了RFID在物流企业仓储管理系统中的应用范围。

1 现代物流仓储管理系统框架

现代物流仓储管理系统是基于信息技术、控制技术和通信技术等发展起来的综合应用系统，负责整个智能立体仓储的管理、调度工作，是整个仓储系统的控制中枢。现代物流仓储管理系统由三个层次的软、硬件组成：采集、汇聚和管理。它们分别负担着信息的获取、传输、管理和消费的功能，如图1所示。

图1 物流仓储管理系统结构框架

采集层主要是通过射频识别设备以及其他自动识别设备采集数据，包括库位标签、货物标签、手持读写器、无线接入终端；汇聚层通过无线通信技术，把采集来的数据传递到中央数据库，包括无线接入设备和相关的网络设备；管理层对采集的数据进行处理、管理和消费，其包含数据库服务器、网络服务器等设备和仓储管理系统软件，根据需求可分为货位数据库和货品数据库的初始化、入库管理、出库管理、统计查询、库存管理、货位调整、账目管理等若干模块。

在物流仓储管理3层构架中，采集层是基础。现有的RFID读写系统一般是建立在有线传输的基础之上［6-8］，读写器通过RS232或者以太网等接口与上位机进行通信，从而对电子标签的信息进行处理。本文采用ZigBee无线通信技术来实现读写器与应用系统之间的数据传输。与有线传输系统相比较，采用RFID无线传输技术可实现数据信息的无线双向传输，使读写系统应用更加灵活。无线采集系统的基本结构如图2所示。

图2 无线采集系统结构

整个无线采集系统有以下4部分组成：

（1）电子标签：记录了标签卡号以及物品的数据信息。

（2）移动RFID读写终端：由ZigBee终端节点和射频芯片组成。射频芯片用来识别电子标签的数据信息，然后将标签信息通过ZigBee终端节点传输给ZigBee协调器。同时终端节点根据ZigBee协调器传输过来的操作指令来控制射频芯片，使其对电子标签进行相应的操作。

（3）ZigBee协调器：将ZigBee终端节点传输的标签信息通过串口的方式发送给上位机应用系统，同时将上位机应用系统传输过来的控制信息发送给ZigBee终端节点。

（4）汇聚子节点：用于汇聚处理ZigBee协调器传输过来的数据信息，同时向ZigBee协调器发送控制信息。

2 移动式RFID读写终端硬件设计

移动RFID读写系统的硬件设计主要包括射频通信模块部分的电路设计，天线及匹配电路设计，ZigBee终端节点的电路设计。

2.1 射频通信模块设计

单元采用PHILIPS公司生产的MFRC500芯片。MFRC500是与射频卡实现无线通信的核心部件。芯片需要13.56 MHz时钟源，所以芯片的OSCIN和OSCOUT脚外接13.56 MHz晶振电路。芯片的D0～D7接ZigBee的P0口以完成数据的互传。RX和VMID脚接外围接收电路，实现数据的接收。TX1和TX2脚接外围天线匹配电路的滤波部分，以实现信号的发送工作。NWR、NRD读写脚接单片机实现数据的读写控制。ALE、NCS使能脚和片选脚接到单片机，实现单片机对其控制。电路如图3所示。

图3 射频通信模块电路

2.2 天线及其匹配电路设计

为了获取稳定、可靠的射频信号，天线部分的电路设计非常关键。

MF RC500内部接收部分使用了一个新的接收概念。它使用副载波负载调制所产生的两个边频带，能够在芯片的内部对接受到的副载波进行解调，不再需要外部滤波电路。因此可以使用内部产生的VMID电势作为RX脚的输入电势。为了减少干扰，提供一个稳定的参考电压，即，其在VMID脚接一个0.1 μF对地电容C9，同时在Rx和VMID引脚之间连接一个电阻R10作为分压器。电路由C9、C10、R9、R10组成。电路参见图4。

图4 接收及基准源电路

由于天线本身的阻抗并不高，需要一个匹配电路连接射频部分。天线匹配电路设计的是否合理直接影响到天线是否能够正常工作。天线的电气特性受元器件参数和环境影响很大，并且在13.56 MHz的频率下电阻的集肤效应（Skin Effect）损耗严重，不可直接采用DC阻抗，因此采用了如图5所示的天线匹配电路，在天线线圈中我们特设一个接地中心抽头，用于改善天线线圈的EMC特性。

图5 天线匹配电路

2.3 ZigBee终端节点设计

ZigBee终端节点是非接触式RFID读写器硬件系统的控制核心，主要控制射频模块与电子标签进行数据交换以及与ZigBee协调器之间数据的传输。系统采用TI生产的cc2530低功耗射频芯片它整合IEEE802.15.4/zigBee RF收发器以及工业标准的增强型8051MCU内核，其核心控制电路如图6所示。

系统采用32 MHz晶振作为核心控制器的时钟信号，CC2530的P0口与射频模块MFRC500之间采用并行方式进行通信。

图6 ZigBee终端节点设计

3 移动式RFID读写终端软件设计

在整个系统中ZigBee终端节点控制MFRC500射频卡采集的数据，然后通过ZigBee协议传输到其他无线或有线的网络之中。在无线RFID读写系统中射频芯片MFRC500与电子标签之间的通信协议遵循ISOIEC14443A，主控芯片首先通过并口接口控制MFRC500与进入天线范围内类型相符合的卡，进行通信读取卡中信息，将信息进行相应处理变成符合ZigBee协议的数据包，并把数据包传送给ZigBee网络中的协调器通信协议为IEEE802.15.4。而协调器与上位机通过UART接口相连最终把数据传给汇聚子节点进行处理。同样也可以通过上位机发送控制指令来完成对电子标签信息的修改等操作。移动式RFID读写流程分别如图7和图8所示。

图7 移动RFID读信息流程图

图8 移动RFID读信息流程图

4 实验结果

为了验证系统的稳定性和准确性，实验分别在室内和室外进行测试。室内测试主要是检测读写器穿透墙壁的传输距离，室外检测为空旷地带，用来检测读写器无障碍物传输的距离。在环境温度26°，ZigBee节点发射功率为5.0 dBm条件下，利用移动RFID读写终端系统对电子标签进行读写测试测试结果如表1所示。从测试结果可以看出，读写系统室外数据传输距离为100 m～110 m，穿透墙壁可传输50 m～60 m。当室内距离超过70 m，室外距离超过120 m，丢包率非常明显，读写可靠性严重下降。

表1 实验结果

5 结束语

RFID技术在制造企业执行层系统的应用价值在于提升作业效率和信息的自动化精确获取。当物流仓储管理系统引入了RFID技术，在企库存管理各环节，可以获得更多的自动化数据采集，功能控制。操作工人可以不必在工作的同时执行数据采集的动作，可以全身心的投入生产作业中，从而作业效率也得到提高。这一点对进行大批量作业的制造企业显得尤其重要。本文提出的移动RFID读写终端系统，经实验验证统识别距离长、成本低、灵活性高、扩展性好，拓展了RFID在物流企业仓储管理系统中的应用范围，具有较好的应用及推广价值。

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