面向物流倉儲應用的移動式RFID讀寫終端設計*

王紅梅

（南京信息職業技術學院，南京 210013）

物流企業的倉儲管理就是對倉儲及倉儲內的物資所進行的管理，是物流機構為了充分利用其具有的倉儲資源，提供高效的倉儲服務所進行的計劃、組織、控制和協調過程。它是現代物流最為重要、必不可少的基本環節之一［1-3］。

傳統物流企業的倉儲管理模式普遍存在人力成本偏高，業務流程多，貨品跟蹤困難，資金和貨品周轉效率較低，物流管理的信息和手段落后等缺點，已不能保證正確的進貨庫存控制及發貨，并且傳統的物流倉儲管理系統只能實現貨品信息的靜態化管理而無法實現對物流全過程的實時跟蹤和監控。因此會導致管理費用的增加，服務質量難以得到保證，從而影響企業的競爭力［4-5］。

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性實現對被識別物體的自動識別。RFID技術具有無接觸式、大容量、快速、高容錯、抗干擾和耐腐蝕、安全可靠的信息識別等特點，其在物流倉儲管理中得到了較好的應用。但現有的RFID讀寫系統一般是建立在有線傳輸的基礎之上，存在讀寫器的位置固定、靈活性差、數據傳輸距離短以及設備成本高等缺點。

本文針對主要針對上述缺點，結合ZigBee和RFID技術，設計和實現了一種移動RFID讀寫系統。經實驗驗證，本系統識別距離長、成本低、靈活性高、擴展性好，具有良好的人機交互界面，拓展了RFID在物流企業倉儲管理系統中的應用范圍。

1 現代物流倉儲管理系統框架

現代物流倉儲管理系統是基于信息技術、控制技術和通信技術等發展起來的綜合應用系統，負責整個智能立體倉儲的管理、調度工作，是整個倉儲系統的控制中樞。現代物流倉儲管理系統由三個層次的軟、硬件組成：采集、匯聚和管理。它們分別負擔著信息的獲取、傳輸、管理和消費的功能，如圖1所示。

圖1 物流倉儲管理系統結構框架

采集層主要是通過射頻識別設備以及其他自動識別設備采集數據，包括庫位標簽、貨物標簽、手持讀寫器、無線接入終端；匯聚層通過無線通信技術，把采集來的數據傳遞到中央數據庫，包括無線接入設備和相關的網絡設備；管理層對采集的數據進行處理、管理和消費，其包含數據庫服務器、網絡服務器等設備和倉儲管理系統軟件，根據需求可分為貨位數據庫和貨品數據庫的初始化、入庫管理、出庫管理、統計查詢、庫存管理、貨位調整、賬目管理等若干模塊。

在物流倉儲管理3層構架中，采集層是基礎。現有的RFID讀寫系統一般是建立在有線傳輸的基礎之上［6-8］，讀寫器通過RS232或者以太網等接口與上位機進行通信，從而對電子標簽的信息進行處理。本文采用ZigBee無線通信技術來實現讀寫器與應用系統之間的數據傳輸。與有線傳輸系統相比較，采用RFID無線傳輸技術可實現數據信息的無線雙向傳輸，使讀寫系統應用更加靈活。無線采集系統的基本結構如圖2所示。

圖2 無線采集系統結構

整個無線采集系統有以下4部分組成：

（1）電子標簽：記錄了標簽卡號以及物品的數據信息。

（2）移動RFID讀寫終端：由ZigBee終端節點和射頻芯片組成。射頻芯片用來識別電子標簽的數據信息，然后將標簽信息通過ZigBee終端節點傳輸給ZigBee協調器。同時終端節點根據ZigBee協調器傳輸過來的操作指令來控制射頻芯片，使其對電子標簽進行相應的操作。

（3）ZigBee協調器：將ZigBee終端節點傳輸的標簽信息通過串口的方式發送給上位機應用系統，同時將上位機應用系統傳輸過來的控制信息發送給ZigBee終端節點。

（4）匯聚子節點：用于匯聚處理ZigBee協調器傳輸過來的數據信息，同時向ZigBee協調器發送控制信息。

2 移動式RFID讀寫終端硬件設計

移動RFID讀寫系統的硬件設計主要包括射頻通信模塊部分的電路設計，天線及匹配電路設計，ZigBee終端節點的電路設計。

2.1 射頻通信模塊設計

單元采用PHILIPS公司生產的MFRC500芯片。MFRC500是與射頻卡實現無線通信的核心部件。芯片需要13.56 MHz時鐘源，所以芯片的OSCIN和OSCOUT腳外接13.56 MHz晶振電路。芯片的D0～D7接ZigBee的P0口以完成數據的互傳。RX和VMID腳接外圍接收電路，實現數據的接收。TX1和TX2腳接外圍天線匹配電路的濾波部分，以實現信號的發送工作。NWR、NRD讀寫腳接單片機實現數據的讀寫控制。ALE、NCS使能腳和片選腳接到單片機，實現單片機對其控制。電路如圖3所示。

圖3 射頻通信模塊電路

2.2 天線及其匹配電路設計

為了獲取穩定、可靠的射頻信號，天線部分的電路設計非常關鍵。

MF RC500內部接收部分使用了一個新的接收概念。它使用副載波負載調制所產生的兩個邊頻帶，能夠在芯片的內部對接受到的副載波進行解調，不再需要外部濾波電路。因此可以使用內部產生的VMID電勢作為RX腳的輸入電勢。為了減少干擾，提供一個穩定的參考電壓，即，其在VMID腳接一個0.1 μF對地電容C9，同時在Rx和VMID引腳之間連接一個電阻R10作為分壓器。電路由C9、C10、R9、R10組成。電路參見圖4。

圖4 接收及基準源電路

由于天線本身的阻抗并不高，需要一個匹配電路連接射頻部分。天線匹配電路設計的是否合理直接影響到天線是否能夠正常工作。天線的電氣特性受元器件參數和環境影響很大，并且在13.56 MHz的頻率下電阻的集膚效應（Skin Effect）損耗嚴重，不可直接采用DC阻抗，因此采用了如圖5所示的天線匹配電路，在天線線圈中我們特設一個接地中心抽頭，用于改善天線線圈的EMC特性。

圖5 天線匹配電路

2.3 ZigBee終端節點設計

ZigBee終端節點是非接觸式RFID讀寫器硬件系統的控制核心，主要控制射頻模塊與電子標簽進行數據交換以及與ZigBee協調器之間數據的傳輸。系統采用TI生產的cc2530低功耗射頻芯片它整合IEEE802.15.4/zigBee RF收發器以及工業標準的增強型8051MCU內核，其核心控制電路如圖6所示。

系統采用32 MHz晶振作為核心控制器的時鐘信號，CC2530的P0口與射頻模塊MFRC500之間采用并行方式進行通信。

圖6 ZigBee終端節點設計

3 移動式RFID讀寫終端軟件設計

在整個系統中ZigBee終端節點控制MFRC500射頻卡采集的數據，然后通過ZigBee協議傳輸到其他無線或有線的網絡之中。在無線RFID讀寫系統中射頻芯片MFRC500與電子標簽之間的通信協議遵循ISOIEC14443A，主控芯片首先通過并口接口控制MFRC500與進入天線范圍內類型相符合的卡，進行通信讀取卡中信息，將信息進行相應處理變成符合ZigBee協議的數據包，并把數據包傳送給ZigBee網絡中的協調器通信協議為IEEE802.15.4。而協調器與上位機通過UART接口相連最終把數據傳給匯聚子節點進行處理。同樣也可以通過上位機發送控制指令來完成對電子標簽信息的修改等操作。移動式RFID讀寫流程分別如圖7和圖8所示。

圖7 移動RFID讀信息流程圖

圖8 移動RFID讀信息流程圖

4 實驗結果

為了驗證系統的穩定性和準確性，實驗分別在室內和室外進行測試。室內測試主要是檢測讀寫器穿透墻壁的傳輸距離，室外檢測為空曠地帶，用來檢測讀寫器無障礙物傳輸的距離。在環境溫度26°，ZigBee節點發射功率為5.0 dBm條件下，利用移動RFID讀寫終端系統對電子標簽進行讀寫測試測試結果如表1所示。從測試結果可以看出，讀寫系統室外數據傳輸距離為100 m～110 m，穿透墻壁可傳輸50 m～60 m。當室內距離超過70 m，室外距離超過120 m，丟包率非常明顯，讀寫可靠性嚴重下降。

表1 實驗結果

5 結束語

RFID技術在制造企業執行層系統的應用價值在于提升作業效率和信息的自動化精確獲取。當物流倉儲管理系統引入了RFID技術，在企庫存管理各環節，可以獲得更多的自動化數據采集，功能控制。操作工人可以不必在工作的同時執行數據采集的動作，可以全身心的投入生產作業中，從而作業效率也得到提高。這一點對進行大批量作業的制造企業顯得尤其重要。本文提出的移動RFID讀寫終端系統，經實驗驗證統識別距離長、成本低、靈活性高、擴展性好，拓展了RFID在物流企業倉儲管理系統中的應用范圍，具有較好的應用及推廣價值。

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王紅梅（1968-），女，江蘇太倉人，副教授，電子商務學院主任，研究方向為電子商務。