標簽可重用的倉儲管理系統UHF RFID閱讀器設計*

曾煉成,傅卓軍

(湖南農業大學信息科學技術學院,長沙 410128)

曾煉成(講師),主要研究方向為嵌入式系統、RFID、無線傳感器網絡。

引 言

無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是新一代的射頻識別技術,與傳統識別形式采用的商品紙質條碼相比,RFID標簽無需光學可視,無須直接接觸,抗污染能力強,可在移動過程中批量讀取[1-2]。在RFID技術中,超高頻(Ultra High Frequency,UHF)RFID的頻率為860～960 MHz,相對于低頻,高頻 RFID標簽感應距離遠,讀寫速度快,抗干擾能力強,可識別快速運動物體,在防碰撞機制下可同時識別多個標簽、廣泛地用于物品追溯[3-4]、不停車收費系統(Electronic Toll Collection,ETC)、人員跟蹤和供應鏈[5-6]等。

UHF RFID技術應用于倉儲管理系統,以無源 UHF RFID標簽標識單品貨物,實現物品的快速入庫和出庫,提高庫存盤點效率,在零售、物流等行業的倉儲管理系統中日益得到重視[7-8]。UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統是典型的RFID閉環應用,通過 UHF RFID標簽重復使用,可以降低倉儲管理系統中的RFID標簽使用成本。

UHF RFID閱讀器是標簽可重用倉儲管理系統的關鍵設備,它在倉儲管理過程中采集 RFID標簽信息、暫存和同步管理數據庫等。本文研究了UHF RFID閱讀器的硬件和軟件的定制設計,降低了 UHF RFID閱讀器復雜度并實現了倉儲系統的RFID標簽可重用。

1 RFID標簽可重用倉儲管理系統

倉儲的物品管理過程起始于入庫,終了于出庫,UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統在整個倉儲過程以UHF RFID標簽標識單一物品。物品入庫時登記RFID標簽,出庫時注銷標簽并更新管理數據,注銷后的RFID標簽可以投入下一周期的倉儲管理,能夠回收重復使用。

圖1為UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統,它由倉儲管理數據庫和RFID系統組成,包含采集標簽物品信息和同步數據庫兩個過程。RFID閱讀器和標簽組成RFID系統,閱讀器和標簽都帶有天線,閱讀器可以搜索一定范圍內的RFID標簽并獲取標簽數據。在采集標簽物品信息過程中,RFID閱讀器采集入庫、出庫和盤點物品標簽信息,暫存于RFID閱讀器上。同步數據庫過程時,RFID閱讀器將暫存信息提交到管理端。

圖1 UHFRFID標簽可重用倉儲管理系統

物品入庫時,RFID標簽固定在物品外包裝上,UHF RFID閱讀器讀取RFID標簽的EPC存儲區數據,在閱讀器上登記RFID標簽和物品信息。物品出庫時,回收物品外包裝上的RFID標簽,UHF RFID閱讀器讀取RFID標簽的EPC存儲區數據,記錄出庫信息后同步數據庫更新庫存,并注銷已出庫物品的 RFID標簽。注銷后的 RFID標簽可以在倉儲管理系統中重復使用。

倉儲管理數據庫作為倉儲管理的服務器,通過 USB連接線連接UHF RFID閱讀器,將UHF RFID閱讀器在物品入庫/出庫時采集的信息及時更新至管理數據庫。當一件物品出庫后,UHF RFID閱讀器同步其出庫信息后,在UHF RFID閱讀器上注銷該物品對應的標簽,即閱讀器上只保留倉儲庫存物品的標簽登記信息。

2 UHF RFID閱讀器硬件設計

入庫登記RFID標簽、庫存盤點和出庫注銷標簽等倉儲管理操作都是通過UHF RFID閱讀器采集標簽信息完成的,UHF RFID閱讀器是物品倉儲信息采集終端UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統的關鍵設備。

當前,市售通用的UHF RFID閱讀器通常是基于嵌入式操作系統Windows CE或 Linux,對具體應用進行的二次開發有著良好的支持。但是,嵌入式操作系統對硬件設備有著較高的要求,對計算和存儲資源需求量大,其硬件通常采用ARM9、ARM10以至Cortex-A系列等高性能嵌入式處理器,同時配置大容量的Flash、SDRAM 存儲,硬件成本相對較高。針對倉儲管理特定應用來定制硬件架構和存儲資源而不帶操作系統,可以有效地降低對UHF RFID閱讀器的成本。

圖2為UHF RFID閱讀器硬件系統結構。UHF RFID閱讀器以LPC1768微處理器為核心,UHF RFID模塊、SPI Flash存儲和電源等外部組件所組成。

圖2 UHFRFID閱讀器硬件系統結構

LPC1768是NXP公司基于高性能ARM Cortex-M3內核的微處理器,工作頻率可達100 MHz,內置高速存儲器包括512 KB Flash、64 KB SRAM以及8 KB Boot ROM(引導存儲),具有豐富的外設,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以及超過70個的GPIO等。

TFT LCD采用目前國產手機廣泛使用的帶電阻觸摸屏、320×240像素點、2.8英寸彩色液晶屏。其內部含有驅動芯片LGPD4531,以16位數據總線連接。

鍵盤采用類似于手機的鍵盤,包括基本的數字鍵盤(在拼音輸入時可輸入字母)、導航方向鍵和出入庫等操作讀取標簽的快捷鍵,每個按鍵連接一個內部配置為弱上拉的GPIO引腳。

SPI Flash作為系統擴展外部存儲以滿足數據存儲需求,其容量較大(一般可達32～64 Mb),引腳少、封裝緊湊。LPC1768內置SSP(Synchronous Serial Port,同步串行端口)通過SPI總線快速讀寫SPI Flash。在UHF RFID閱讀器中,SPI Flash存儲多個漢字庫以及倉儲數據。

RFID模塊是UHF RFID閱讀器的信息收發器,它通過平板天線持續發送超高頻無線電波給無源UHF RFID標簽供電,然后發送信息至標簽,獲得能量的標簽芯片內部處理信息后將響應消息并以反射方式發送出去。

3 UHF RFID閱讀器軟件設計

UHF RFID閱讀器針對基于RFID標簽的倉儲管理系統特定應用定制的硬件和軟件。由于Cortex-M3微處理器的存儲空間有限,因此UHF RFID閱讀器的軟件設計不能借助嵌入式操作系統。在界面設計方面基于開源的μC/GUI圖形設計組件,軟件設計采用層次化和模塊化設計方式實現。

3.1 μC/GUI圖形設計組件

μC/GUI是Micrium公司的圖形用戶界面軟件組件,界面設計與處理器和LCD控制器無關,完全是以ANSI C編寫的,可以工作于單任務和多任務環境下,具有很好的可移植性和可裁減性。圖3為μC/GUI分層模塊結構圖,自底往上依次是LCD驅動層、基本圖形層和窗口管理層。

圖3 μC/GUI分層模塊結構圖

LCD驅動層是μC/GUI軟硬件接口層,與硬件平臺密切相關,它定義了操作LCD硬件需要的所有宏定義和函數。該層包含了硬件設置、顏色轉化、抗鋸齒模塊以及驅動接口。基本圖形層提供了供了文本顯示、數值顯示、2D圖形顯示的支持,是構成μC/GUI的基本核心層。μC/GUI支持 8位ASCII碼和16位Unicode碼的字符以及用戶加入任意個數的字體,如指定字體字號的漢字字庫、支持等寬和比例字體。窗口管理層為高級用戶提供窗口顯示和管理,該層需要更多的內存空間。

3.2 基于μC/GUI的軟件設計

3.2.1 μC/GUI的移植

μC/GUI與硬件密切相關的是LCD驅動程序,同時,觸摸屏和鍵盤輸入也是人機界面交互的主要方式。因此,μC/GUI的移植主要涉及LCD顯示和觸屏驅動以及漢字庫在擴展SPI Flash存儲的存取,即包括LCD圖形顯示驅動、電阻觸摸屏驅動和SPI Flash驅動以及漢字拼音鍵盤輸入。

LPC1768等Cortex-M3核微處理器沒有內置的LCD控制器,其對圖形顯示的控制是通過16位的數據總線控制TFT LCD的驅動芯片LGDP4531對像素點的操作實現的。具體方法是先進行LGDP4531的初始化設置,然后設計像素點顯示、線條以及矩形區域顯示圖像的接口函數。

電阻觸摸屏驅動的實質是周期性測量屏幕中按壓接觸點位置,通過交替在X和Y向施加電壓,同時相應檢測在觸點輸出的分壓來計算X和 Y向的位置比例,從而估算出觸點的二維坐標值。

漢字的數量多,且漢字庫隨著字體字號不同而不同,漢字庫的存儲需求相對較大,LPC1768的512 KB內置Flash不足以存儲多個不同字體、字號的漢字庫。因此,采用小封裝大容量的SPI Flash存儲漢字字庫。SPI Flash芯片型號為W25Q32,容量為32 Mb。

3.2.2 系統功能設計

圖4為UHF RFID閱讀器功能設計框圖。系統功能分層次式設計,依次為開機/待機畫面、功能表畫面和功能模塊層。開機/待機畫面是UHF RFID閱讀器開機啟動或完成操作進入待機畫面,若一段時間內無觸屏點擊或按鍵鍵入則閱讀器進入待機低功耗模式,并關閉LCD背光。當點擊觸屏或按鍵事件微處理機激活并進入功能表畫面。功能表畫面是將UHF RFID閱讀器的功能以九宮格的形式列置各個功能模塊的按鈕,若一段時間內無觸屏點擊或按鍵鍵入則閱讀器返回待機畫面,若有點擊按鈕或按下快捷按鍵則進入相應的功能模塊。

功能模塊層由一系列的具體功能模塊組成,包括入庫讀卡、出庫讀卡、盤存讀卡、查詢讀卡、同步數據庫和系統設置。由于UHF RFID閱讀器內存資源有限,功能模塊層內部模塊之間不能任意切換,但可以通過退出當前功能模塊返回上一級功能表畫面進入另一功能模塊來實現,即不能有多個模塊同時工作。功能模塊完成任務后可以直接進入開機/待機畫面。

3.2.3 UHF RFID閱讀器倉儲數據庫設計

在倉儲管理過程中,UHF RFID閱讀器均采取讀取標簽數據進行倉儲物品的登記、盤存和注銷等操作。UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統中的標簽是可重用的,單一物品的倉儲管理過程歷經標簽從登記至注銷為一個周期,在倉儲管理周期中以標簽作為數據庫的主鍵,可以準確地反映倉儲物品的狀態。同時,在 UHF RFID閱讀器的功能模塊中,相關的讀卡操作均以記錄倉儲數據庫中的標簽數據作為目標。

表1為UHF RFID閱讀器的倉儲數據庫記錄。基于RFID倉儲管理系統是一個閉環系統,標簽ID以16位UII(Unique Item Identifier,唯一標識代碼)順序編程寫入其標簽存儲區。每個標簽在一個倉儲管理周期中的相關信息包括入庫時間、出庫時間、貨位號、供貨方和提貨方。這些信息在上位機的倉儲管理數據庫以靜態字典方法預先編碼,并將靜態字典存儲在UHF RFID閱讀器中,在閱讀器上顯示相關信息時對照靜態字典翻譯成對應的文本信息。

表1 UHFRFID閱讀器的倉儲數據庫記錄

結 語

UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統利用UHF RFID標簽非光學可視閱讀、感應距離遠和讀取速度快的特點,顯著提高了倉儲管理的效率。中小型存儲管理系統是典型的閉環應用,使得RFID標簽可重用和UHF RFID閱讀器高度定制。UHF RFID標簽可重用倉儲管理系統采取RFID標簽循環使用,UHF RFID閱讀器采集標簽 信息,并通過UHF RFID閱讀器倉儲數據同步更新管理數據庫;UHF RFID閱讀器采用低成本Cortex-M3核微處理器定制外擴SPI Flash存儲,在保持倉儲管理的效率和質量的基礎上,有效地降低了倉儲管理系統的運行成本。

[1]魏威,張平川.基于手機OMAP5910內核的UHF RFID閱讀器的設計與實現[J].儀表技術與傳感器,2010(4):36-37,64.

[2]劉峰,王高,李仰軍,等.基于 UHF RFID的便攜式倉儲管理終端系統[J].機械工程與自動化,2009(5):50-52.

[3]Kyunglag Kwon,Yeochang Yoon,Jaehwan Ryu,et al.RFID Warehouse Management in the Small and Medium Enterprises based on Manufacturing Industry[D].Pusan:Korea University,2008.

[4]F Gandino,B Montrucchio,M Rebaudengo.Analysis of an RFID-based Information System for Tracking and Tracing in an Agri-Food chain[J].RFID Eurasia,2007(9):1-6.

[5]Edmund W Schuster,Stuart Allen,Darid L Brock.Global RFID:the value of the EPCglobal network for supply chain management[M].New York:Springer,2007.

[6]徐中原,袁江,邱自學,等.利用RFID讀寫器網絡實現汽車速度的分布式監測系統[J].儀表技術與傳感器,2010(4):33-35.

[7]許佳鵬,趙方柯,宏力,等.一種紙箱級RFID倉儲系統設計及實現[J].微計算機信息,2009,25(5):170,185-187.

[8]胡菊芳,熊春如,侯益坤,等.基于W78E58B的 RFID智能數據采集終端[J].儀表技術與傳感器,2009(3):58-60,63.