基于手持RFID設備的信息管理應用系統設計

◎四川大學計算機學院 羅健瑞

互聯網、物聯網等相關技術的發展正在改變著人們的生活方式，今天足不出戶可以購買全世界的商品，商品貨物的管理和轉運發生著巨大的變化，倉庫提供了貨物的存儲功能，為滿足日益增長的各種需求，其管理也在進行徹底的改變[1-2]。實現倉庫信息的快速與精確的管理是供應鏈中十分重要的一個環節，并在企業管理和日常生活中發揮著巨大的作用[3]。

傳統情況下，貨物生產出來要放在倉庫中保管，保管員對入庫和出庫進行登記管理，并建立貨物臺賬定期進行盤點，以保證存儲在倉庫中的貨物的信息的正確性。其缺點是操作繁瑣、出錯率高、查詢困難、統計困難，隨著企業的生產規模和產品種類的不斷的擴展，其倉庫中的原材料及其產品的種類越來越多、出入庫操作的頻率越來越頻繁，人工在大面積倉庫中準確查找物品越來越困難。而基于RFID 技術[4]的倉庫信息管理系統[5]設計與應用方案為解決上述問題提供了可用的途徑，借助RFID 技術設計和開發相應的倉庫信息管理應用系統，通過手持讀寫器實現貨物數據的批量、實時采集與高效準確獲取，可以實現倉庫人員與貨物的管理、使用RFID 標簽對貨物進行貼標簽和存放位置管理、使用移動的RFID讀寫器來掃描貨物的信息進行貨物的出入庫管理[6]、實現貨物的動態統計匯總、并對物品進行分類管理、分析流量和進出的頻率等，為企業的整體管理與運營提供輔助決策支持[7]。

為此，本文針對倉庫貨物的信息管理，借助于RFID 相關設備與技術，設計實現了倉庫信息管理系統[8]。該系統通過無線信號識別標簽數據從而獲得貨物的詳細信息，電子標簽中包含了物品詳細信息而且是唯一貨物的標識，使用手持移動讀寫器掃描標識獲得貨物的詳細信息，由計算機網絡把貨物及其RFID 標簽的信息傳輸到倉庫信息服務器上進行存儲和管理，并按照倉庫的位置進行存放，實現倉庫貨物的快速與精確管理。

一、倉庫信息管理系統總體結構

（一）倉庫信息管理系統的邏輯架構

倉庫信息管理系統的邏輯架構圖如圖1 所示。倉庫信息管理系統對要存放的貨物使用RFID 技術進行定制貨物的電子標簽[9]，標簽中記錄貨物的標識、名稱、所屬類型、尺寸大小、用途等信息，讀寫器可以安裝在移動終端或固定位置上，讀寫器包括傳送器、接收器和微處理器等部件，讀寫器的工作原理由自身的天線發出射頻信號，電子標簽的天線按照頻率來接收，電子標簽發射內部存儲的貨物標識信息[10]，電子標簽記錄了貨物的詳細信息，是處理的貨物信息載體，固定讀寫器先讀電子表情信息、寫入貨物信息到標簽、打印標簽貼到貨物上，這樣就建立了貨物信息與電子標簽的聯系，通過管理標簽來追蹤貨物的情況，要求完成標簽即倉庫物品的入庫、管理、出庫、盤點、移交等業務活動。

倉庫信息管理系統的邏輯結構主要分為三個層次，最下層是倉庫貨物的數據采集，對應于系統中使用的物理設備。數據傳輸網絡即系統的網絡層。業務應用用戶API 即系統的應用層。采用RFID 技術來采集記錄在標簽上的貨物的基本信息，包括電子標簽的生成、打印及其和貨物的關聯、倉庫存放的位置等，固定讀寫器用來對貨物的電子標簽進行寫入，即對每一個倉庫管理系統中的物品進行唯一的標簽生成，根據應用的不同需要存儲的信息也不同，例如把貨物的標識及其完整的描述信息寫到對應的標簽上。手持讀寫器是倉庫人員在出入庫、盤點等場合用來采集貨物的詳細信息，需要通過天線把標簽中的數據讀出發射給讀寫器，讀寫器通過自己的天線接收數據，這樣貨物的數據就進入到讀寫器的存儲中，讀寫器和計算機要設置網絡環境保證讀寫器的數據能夠正確的傳輸到管理的計算機上，讀寫器可以和計算機直接連接或者通過一些專用的通訊（WIFI、藍牙、RFC 等）模塊來完成數據的傳輸，利用事件處理組件完成RFID 數據的交互工作。本系統使用的讀寫器提供了WIFI 通訊模塊，進行適當的配置就可以使用，其部署方便且滿足系統中數據傳輸的性能要求。應用層上開發網頁版的客戶端應用API 和手持與固定讀寫器的應用程序。客戶端應用程序的功能包括系統的初始化、用戶與角色管理（包括數據庫管理員、系統管理員、倉庫操作員、統計分析員、固定讀寫器用戶、移動讀寫器用戶等）、系統管理包括網絡配置管理、基礎數據與日常業務數據的備份與恢復等功能，倉庫的終端業務提供可以在計算機上實現倉庫的日常動態的出入庫操作、報表的生成、各種復合的查詢響應等功能。手持移動RFID讀寫器提供的功能有通訊、貨物標簽的掃描、傳輸來配合完成出庫、入庫、盤點、移交等倉庫日常工作的功能；固定讀寫器上需要在完成移動讀寫器的功能基礎上，完成和計算機連接起來為每個貨物生成電子標簽并記錄到倉庫數據庫中，通過使用RFID 的相關設備進行數據采集、通過RFID 設備與服務器相連接的網絡或者直連通道進行數據傳輸和倉庫管理中的貨物日常出入庫及其客戶與人員的信息管理的業務應用的三個不同層面的數據交互，完成倉庫貨物的快速與準確的自動化管理工作。

圖1 倉庫信息管理系統的邏輯結構

（二）倉庫信息管理系統網絡拓撲圖

在倉庫信息系統邏輯結構的基礎上，設計倉庫信息系統物理實現的模式及系統網絡拓撲圖。系統網絡拓撲圖包括了四個部分如圖2 所示，分別是數據中心部分、標簽制作管理部分、手持RFID 操作部分和用戶客戶端API 部分。數據處理中心部分是倉庫信息系統的數據庫服務器和WEB 服務器，提供數據存儲和應用發布，標簽制作是使用固定讀寫器制作寫入標簽并管理，手持RFID 用來掃描倉庫貨物進行出入庫和盤點操作，客戶端API 實現倉庫信息管理，這四個部分通過網絡相互通訊。從系統的體系結構上可以把整個系統的各個層次定為物理設備、網絡設備與協議、數據存儲與展現和應用界面操作。網絡鏈接的系統設備包括RFID 相關設備，如固定讀寫器、移動讀寫器、標簽打印設備；數據存儲與處理設備例如數據中心備份中心等、數據庫與WEB服務器、網絡設備路由器交換機等、安全設備例如防火墻等、應用客戶端等，它們通過網絡互連起來組成整個系統運行的物理平臺。網絡設備是整個系統數據傳輸的載體，包括倉庫內部的無線網絡、鏈接各個部分的局域網絡等，系統中信息可以通過網絡協議進行傳輸。手持讀寫設備通過無線網絡來訪問數據庫，各個功能設備之間的鏈接是通過TCP/IP 來進行的。數據庫服務器用來管理和存儲倉庫信息管理的關系表包括系統用戶信息表、系統角色表、權限表、貨物種類表、貨物信息表、貨物庫存表、貨物出入庫登記表、貨物盤點表、電子標簽信息表、倉庫區域分布表、倉庫管理職責表、系統日志表等，為系統的正常運行提供數據支撐；Web 服務器進行編程實現客戶端API 應用界面，設計和開發手持設備讀取貨物詳細信息的功能（掃描的貨物信息要通過網絡在計算機上顯示等），固定讀寫器生成貨物的電子標簽的功能即通過界面輸入貨物的詳細信息標識（可以設置不同的策略自動生成標識）、名稱、所屬類型、尺寸大小、用途等信息生成貨物的唯一的電子標簽數據，并提供方便的查詢功能，還有在計算機終端上的倉庫貨物的管理功能。

二、RFID 相關設備的技術原理與應用設計

（一）RFID 與倉庫信息

電子標簽、讀寫器、天線是RFID的三個基本組成部分。電子標簽包含電子編碼，它的組成是耦合元件、芯片及微型天線三個部分。讀寫器用來讀取和編輯電子標簽中寫入的貨物相關的數據。傳送器、接收器和微處理器封裝起來的組合器件是讀寫器的主要部件，RFID 技術借鑒了雷達技術的工作原理，電子標簽和讀寫器都要使用射頻信號，通過耦合元件實現射頻信號的空間耦合，根據時序關系實現能量的傳遞和數據的交換；讀寫器用天線發出射頻信號，電子標簽根據設定的頻率接收讀寫器發出的射頻信號識別后就發射標簽中存儲的標識與貨物信息，讀寫器通過天線接收來自電子標簽發回的信息并識別標簽內容，讀寫器可以和計算機直接連接或者通過一些專用的通訊（WIFI、藍牙、RFC、GPRS 等）模塊建立網絡鏈接來完成把讀寫器識別的結果發給計算機或服務器。本系統的電子標簽使用無源標簽，工作頻率為900MHz 左右,其體積小成本低、工作環境要求適合用在倉庫管理系統中。

圖2 系統網絡拓撲圖

手持RFID 讀寫器設備是由多個模塊組成的，主要的模塊有主控制、射頻收發、數據顯示、實時時鐘、擴展存儲、與計算機通訊模塊（有線的通訊包括USB 接口、串行通訊接口、以太網絡接口等， 無線的通訊包括WIFI、藍牙、RFC、GPRS 等）、鍵盤及電源等組成，并提供二次開發接口供用戶完成不同應用的數據采集模式。讀寫器通過天線產生高頻的發射功率，電子標簽根據頻率的設置接收讀寫器發出的射頻信號，使用磁場感應電流的能量發出存儲在標簽芯片中的貨物相關信息，讀寫器天線收到射頻信息就可以得到貨物的信息。由用戶設置讀寫器是否存儲收到的貨物信息，如果需要存儲，就把掃描得到的貨物數據暫存到讀寫器的擴展存儲中，通過網絡（有線或無線的通訊接口或網絡鏈接）把貨物的信息實時傳送到數據庫服務器上。在本項目中，使用了凱泰集團的CS8000 采集器，該讀寫器是多功能的移動數據采集終端， 具有WIFI 和GPRS 無線傳輸功能，進行必要的配置后就可以很好的完成數據的采集功能。貨物的相關信息寫入數據庫服務器后通過客戶端應用程序實現倉庫中貨物的管理。固定的讀寫器需要和計算機相連后在界面上輸入貨物的詳細信息加上讀寫器讀出的電子標簽(讀卡操作)的唯一標識信息寫入到電子標簽（寫卡操作），然后打印出粘貼到貨物上的電子標簽，并把打印好的標簽貼到貨物上，完成了貨物入庫的準備工作。倉庫信息管理系統對應的RFID 系統的結構示意圖如圖3 所示。

圖3 倉庫信息管理系統對應的RFID系統的結構

（二）貨物的電子標簽制作

每一個在倉庫中的貨物要有一個對應的電子標簽，標簽制作是固定讀寫器MHCX-12U 完成的。貨物電子標簽信息的生成，包括讀出電子標簽的標識、把貨物信息與標簽的標識一起寫入標簽、打印標簽生成貨物入庫的標識。通過固定讀寫器讀出出廠的地址標簽信息，把貨物的信息打包到電子標簽上寫入標簽，然后為每個貨物打印出標簽，粘貼到貨物上，建立標簽與貨物的一一對應關系。需要把固定讀寫器和用戶API 連接起來，用戶采集的貨物信息和標簽信息結合起來。倉庫中每個貨物都要有一個對應的電子標簽，每個RFID 標簽是唯一的，標簽的制作就是把標簽的唯一標識和貨物的信息一一對應起來。倉庫的管理人員登錄系統，打開貨物入庫管理界面，用手持讀寫器讀出標簽信息到計算機或者錄入的貨物的電子標簽及其相關信息，利用固定讀寫器把電子標簽的標識和貨物的詳細信息結合打包組成電子標簽的寫入信息，由固定讀寫器寫入后打印對應貨物的標簽，這樣就完成了貨物標簽的準備工作，貨物到達就信息粘貼標簽后入庫了。

（三）移動手持讀寫器的功能設計與實現

移動手持閱讀器需要通過標準網 關（WIFI、GPRS）、RD232、或 者USB 等接口和服務器主機相連，閱讀器通過天線和電子標簽進行通訊來實現數據的交換。閱讀器設備掃描電子標簽讀出貨物數據后通過網絡（這里是WIFI）寫入數據庫中，在數據庫中對這個貨物進行管理，這里給出一個用C++語言開發的地址標簽卡號發給服務器端的例子， 本系統是基于采用的CS8000 采集器提供的二次開發的接口實現的。操作過程是手持移動讀寫器掃描貨物的電子標簽，由電子標簽把記錄的貨物信息發送給讀寫器，讀寫器通過配置好的網絡把讀出的內容發送給服務器，整個過程分成5 步。具體過程如下：

第一步：選用的設備提供了WIFI協議實現手持移動RFID 閱讀器和服務器的鏈接，打開手持設備上的WIFI 模塊，在服務器上配置相關的參數，選擇相關的參數來驗證手持讀寫器和服務器的數據通訊，用戶的密碼驗證， 使用讀寫器提沖的二次開發接口函數InputPassword, 調用InputPassword(Password)函數并輸入密碼，根據函數的執行結果來判斷輸入的密碼是否正確，正確時結果為1 否則為0。

第二步：調用讀標簽數據函數ReadCardData 得 到RFID 的 卡 號，ReadCardData(SectorNo,BlockNo,CardData)讀取RFID 的卡號，參數的含義為SectorNo 默認是 0，BlockNo塊號，CardData 是存儲塊號的字符指針。

第三步：將第二步讀取到的卡號發送到已經配置好的連接的服務器上進行存儲使用UartWrite 函數，保存標簽號到字符數組，調用UartWrite (port,buffer, length, timeout)，其中port 使用的端口號，buffer 數據緩沖，length 數據長度，timeout 超時等待時間。

第四步：在讀寫器把讀取的數據發送完后， 使用UartClear 函數清空數據，準備讀取新的數據。形式調用UartClear(port)清空緩沖數據，發送完成。

第五步：如果需要接受服務器發送給讀寫器的數據，使用UartRead 函數完成讀寫器接收服務器發來的數據，調用函數UartRead (port, buffer, length,timeout)， 其中port 參數端口號，buffer數據緩沖，length 數據長度，timeout超時等待時間。

三、倉庫系統的設計與實現

倉庫關系信息系統是基于 RFID技術與互聯網技術相結合，對所有的貨物配備RFID 標簽，用戶可以通過移動的RFID 讀寫器感知倉庫中的貨物，實現對倉庫貨物、出入庫記錄、倉庫人員及其各種相關資源的快速準確的自動化和科學化管理。

倉庫信息管理系統的設計包括倉庫數據庫設計、貨物管理功能設計、用戶界面設計、固定讀寫器的標簽卡管理功能設計、手持讀寫器的貨物信息獲取與查詢功能設計及其相關管理功能設計、系統綜合性能的設計等方面，倉庫管理API 采用瀏覽器服務器模式，在WEB 服務器上編程實現了倉庫信息管理API 完成從PC 端的功能；移動手持讀寫器上實現貨物標簽掃描及其與客戶端的數據交互完成貨物的出入庫等功能，固定讀寫器的功能包括貨物標簽讀入、生成和打印及其和客戶端的數據交互， 倉庫信息的統計分析是為用戶提供各種統計分析的功能。倉庫管理API 端完成的功能有系統管理、角色管理、用戶管理、權限管理、倉庫信息管理、出入庫管理、盤點管理、客戶關系管理、倉庫數據統計分析等功能。在貨物出入庫時，使用RFID 的信息快速準確生成相關的數據處理結果。系統的功能界面如圖4 所示。

圖4 系統功能模塊界面

主要的業務實現過程為：倉庫管理員通過界面錄入貨物的詳細信息后，利用網絡從固定讀寫器獲得對應的貨物的電子標簽，組合這些信息寫入電子標簽，生成入庫單，貼好電子標簽，手持讀寫器來掃描貨物的電子標簽進行檢驗，檢驗合格在貨物上粘貼標簽后放置在指定位置，設置到庫狀態，通過客戶端軟件可以記錄貨物的入庫、出庫、移動、盤點、損壞等情況，出庫流程是客戶端進入出庫界面，選中要出庫的貨物后形成出庫單，倉庫管理人員掃描貨物上的標簽，將貨物信息的標志位改為已出庫狀態，回收電子標簽，并完成貨物的實際出庫工作。系統的權限管理用來規定不同的用戶可以操作的模塊，保證倉庫信息系統數據的正常訪問和運行。系統權限管理如圖5 所示。

圖5 系統權限管理界面

四、結語

本文基于移動的RFID 設備設計和實現了一個倉庫管理信息系統，分析了RFID 的相關技術及其需要物理設備配置，給出了系統整體架構和網絡拓撲結構，設計和開發了貨物的電子標簽制作、RFID 電子標簽的數據采集、系統應用客戶端等模塊，并詳細描述了應用軟件的工作流程， 基本上達到了預期的目標。下一步將根據企業的需求進一步完善相關的功能，例如進行批量信息的標簽制作，給貨物增加 GPS 定位功能，增加系統預警功能等。