基于RFID和ZigBee的快递管理系统①

2019-11-15钟亚，刘瑛

计算机系统应用 2019年11期

钟亚，刘瑛

(成都理工大学信息科学技术学院，成都 610059)

网上购物热潮兴起，高校快递日益成为各物流企业的主要市场.但随着校园快递业务量的迅速增长，人工取件效率未得到相应的提升，导致取件排队时间长，取件拥挤等现象层出不穷.

传统快递取件模式通常使用纸质单据、条形码等方式，工作人员须在有效的距离内将红外线对准条形码才能扫描成功，条形码必须保持整洁，且不能批量读取[1]，货物出入库效率低.同时，依靠人工录入信息，工作量大且效率低，增加物流环节的人工成本.在取件时，还需核对身份证、电话号码、取货码等个人信息，取件流程繁琐导致排队等候时间长，用户体验感差.并且驿站工作人员需每天对货物出入库信息进行统计，对货物位置信息重新归类移动，依靠现有的快递管理系统工作量巨大.条形码在使用中，受环境影响大，易破损导致无法识别，而RFID 标签抗损坏能力强.另一方面，条形码存储少量信息量，只能标识一类物品，不能携带物品的差异信息.电子标签可以携带物品名称、姓名、地址等具体属性信息[2，3].

目前，RFID 技术主要应用于物流管理、数据采集、物体定位等场景[4，5]，因此，本文提出了一种基于RFID 的快递管理系统，利用RFID 技术来实现自动化管理快递，将 RFID 标签贴在每个货物的包装，在标签中写入货物的地址、姓名、电话等信息，在驿站货架上设置固定式读写器，获取货物位置等信息，生成相应的二维码，自动发送到用户手机，用户可在出口闸机通道扫描快递上的 RFID 标签及手机上的二维码，进行匹配，完成自主取货，提高快递出入库效率.

作为嵌入式签收设备和上位机软件的连接方式，通信工具的选择会影响到通信的高效性和稳定性.在本系统中，需在快递驿站的各个货架上放置RFID 读写器，对通信方式的灵活性和可扩展性有一定的要求.有线通信一般是利用金属电缆、光纤等有形媒介进行信息传递[6]，其灵活性受到一定的限制，因此选择无线通信作为主要的信号传输方式.WiFi 是现在使用最为广泛的无线通信技术，成本较低，缺点是易受其他信号的干扰，造成信号传输质量的不稳定，因此会影响数据的准确性.蓝牙，是一种短距离的低功耗的无线传输技术，但信号易受干扰、传输距离较近等，适用于个人网络，不适合各读写模块之间的通信.Z-wave 是一种基于射频的高可靠、低成本、用于短距离的通信技术，但它的标准是并不完全开放[7，8].ZigBee 技术是一种新的无线传感网络技术，效率高、时延短、安全性高[9]，通过多个节点之间相互连接、相互协调来实现通信.与其他通信方式相比，ZigBee 有一个显著的特点，它具有强大的组网能力，可以通过拓扑结构中的主节点来管理子节点，从而延伸单个节点的传输范围.

1 快递管理系统组成

快递管理主要分为：入库管理、库存管理、出库管理3 个部分[10]，系统结构图如图1所示.在货架上安装固定式阅读器，对各个区域的货物进行检测，当货物到达驿站后，RFID 标签进入读写器的扫描范围，货物的信息都会被自动记录，通过局域网将信息发送给数据库管理系统进行数据比对，可以节省大量的时间，并且记录的信息完整准确.数据库管理系统的架构主要由SQL Server 2016 和My SQL 组成，本部分主要负责处理快递信息，核对用户，实时更新快递信息.

快递取件系统示意图如图2所示，本系统利用RFID 标签代替条形码识别，在RFID 标签中写入货物的收件人姓名、快递单号、联系方式、地址等信息，将RFID 标签贴在每个货物的包装上.当RFID 标签进入读写器的扫描范围，读写器进行自动编码形成货物唯一的识别号.数据库管理系统将标签信息生成二维码，发送到用户手机.用户可根据位置信息和驿站内部结构示意图，方便快捷地找到自己的快递.货物出库时，在驿站出口处的平台式读写器上扫描快递，读写器读取标签信息，发送至平台后端，在显示屏上扫描二维码进行信息匹配，平台后端将匹配信息发送至数据库存储.同时，带有标签的快递可实现防盗报警，减少快递丢失现象的发生.

图1 系统结构图

图2 快递取件系统示意图

2 系统硬件设计

快递管理系统主要实现快递信息的采集、处理和传输功能，系统总体硬件设计框图如图3所示，主要由上位机系统、射频识别系统、闸机通道系统、ZigBee 无线传输模块构成.

上位机系统主要由PC 端和数据库管理系统组成，对快递信息进行保存和更新.射频识别系统包括RFID 读写模块、MCU 控制模块、电源模块，RFID 读写模块负责数据的采集和传输.MCU 控制模块作为系统的控制终端，控制射频识别系统的数据采集，电源模块为射频识别系统提供稳定的工作电压，保证设备持续稳定地工作.闸机通道系统主要由平台式RFID 读写模块、MCU 控制模块、电源模块、防盗模块、LCD显示模块组成，平台式RFID 读写模块对快递上的RFID 标签进行标志位的清除，以MCU 控制模块的继电器模拟闸机通道的打开，防盗模块可对未清除标志位的标签发出警报，LCD 显示模块用于显示平台式RFID 读写模块接收的快递信息，便于用户进行确认.ZigBee 系统包括协调器和终端节点，终端节点将阅读器采集的信息经过ZigBee 无线网络传输到协调器，经过协调器处理后上传到上位机系统.

图3 硬件设计框图

2.1 射频识别系统

射频识别系统包括RFID 读写模块、MCU 控制模块、电源模块，其框图如图4所示.

图4 射频识别系统框图

2.1.1 MCU 控制模块

MCU 控制模块芯片采用基于Cortex-M4 内核的STM32F407ZGT6 处理器，与Cortex-M3 相比，其内部集成了优化的单指令多数据指令、饱和算法指令、可选择的浮点运算单元和双循环乘法累计单元等[11，12].该模块主要负责处理接收RFID 读写模块的数据，并通过串口送至ZigBee 终端节点.

MCU 外围电路主要包括复位电路、通信接口电路、JTAG 调试接口电路.

2.1.2 RFID 读写模块

基于快递的运输特性及快递数量的庞大，在选取RFID 标签时需要考虑标签读写距离、耐受工作环境、标签频段、标签类型等性能指标.

本系统的RFID 读写模块选择了奥地利的专用UHF 射频识别读写器集成芯片AS3992，覆盖大部分UHF 频段，其接收灵敏度高达-86 dbm，支持多通信协议[13，14].读写器的主控制电路主要负责控制发送和接收数据，处理MCU 发送的数字信息，通过射频信号利用天线发送给电子标签，并将电子标签反射回来的射频信号经天线接收后进行混频、放大、滤波、数字化等处理后传输给MCU[15]，RFID 读写模块主要通过GPIO 口与MCU 进行通信.

AS3992 芯片可分为两部分：射频模块和MCU 接口模块.AS3992 可通过8 位并行线或4 线串行和MCU连接通信，接收来自MCU 的指令并反馈对应信息.

2.2 电源模块

电源模块主要实现稳压即电压转换功能，MCU 控制模块所用芯片STM32F407ZGT6 的典型工作电压是3.3 V，电路中的一部分元器件也需要3.3 V 的工作电压，通过低压差线性调整器AMS1117-3.3 设计出BUCK降压电路，电路图如图5所示.

图5 电源电路

2.3 闸机通道系统

闸机通道系统主要由平台式RFID 读写模块、MCU 控制模块、电源模块、防盗模块、LCD 显示模块组成，框图如图6所示.用继电器模拟闸机通道，用蜂鸣器模拟防盗模块.取件成功，继电器开，表示闸机通道打开.取件不成功，蜂鸣器响，表示防盗模块启动.

图6 闸机通道系统框图

2.3.1 MCU 控制模块

此处所用的MCU 控制芯片与射频识别系统一致，外围电路主要由报警器电路、继电器电路构成，报警电路如图7所示.

图7 报警电路

2.3.2 液晶显示模块

LCD 显示屏选择电容式触摸屏ATK-4.3’ TFTLCD[16]，其分辨率为800×600，采用NT555IO 驱动.LCD 采用使用16 位并口与外部进行连接，触摸屏采用IIC 接口，供电电源为3.3 V.用户在闸机通道处扫描快递，液晶显示屏能够显示快递数量、姓名等信息，便于用户确认信息.

2.4 ZigBee 无线传输模块

本部分主要实现读写器设备和上位机系统之间的通信.ZigBee 传输模块是整个系统的核心模块，采用CC2530 芯片作为ZigBee 的核心控制器[17，18]，使用CH340 电平装换芯片连接上位机软件，再通过串口直接和射频识别系统连接.RFID 读写模块采集的信息通过ZigBee 终端节点传到协调器[19，20]，按照ZigBee 规范组建网络，实现RFID 数据传输.CC2530 核心的电路图及其外围电路如图8所示.

3 系统软件设计

3.1 RFID 读写模块软件设计

阅读器上电复位后，模块初始化，不断被发送到外界，阅读器会一直检测是否有RFID 标签在其读写范围内，直到有RFID 标签进入读写范围，进入接收模式.读取RFID 标签发来的数据信息并检测碰撞情况，若发生碰撞，则调用防碰撞算法对其中一个标签进行读写.信息读完后，阅读器会发送确认接收信号标志位，存储读到的标签信息，并通过与 ZigBee 终端节点的通信上传到上位机.程序流程图如图9所示.

图9 RFID 读写模块流程图

3.2 闸机通道系统软件设计

在平台式读写器上放置带有RFID 标签的货物，用户扫描二维码，只有当二维码中的信息与标签中的信息匹配，读写器将RFID 标签中的标志位清除，同时闸机通道打开，用户取件成功；否则，若未清除标志位的货物经过闸机通道，防盗模块将启动报警信号，程序流程图如图10所示.

4 实验结果分析

4.1 成功率测试

对安装在每一层货架上的读写器读写电子标签的能力分别进行测试，共测试了60 次，测试结果如表1、表2所示.

测试结果表明，射频识别系统读取和写入标签的能力存在差异，读取标签的成功率更高，平均写入速度为33 张/s，平均读取速度为41 张/s.随着距离的增大，读取和写入数据的能力逐渐降低，影响快递信息传递的准确性，最佳距离在3.5 米左右.

图10 闸机通道系统流程图

表1 写入标签能力测试

表2 读取标签能力测试

4.2 并发测试

上位机系统能支持多个终端设备，当读写器的作用范围内存在多个标签，并有两个或者以上的标签同时响应，读写器将会产生冲突.针对这种问题，目前主要采用的解决方式为基于TMDA (Time Division Multiple Access)的树分叉算法，该方法应用简单，识别速度快，平均识别一个标签约为8 ms，可以实现大量标签的读取，从而实现读写器可以与多个标签通信，进行数据传输，再经过ZigBee 网络的多个节点，传输到上位机系统.系统分别对设备内不同数量的快递进行测试，得到的测试结果如表3所示.