基于RFID 技術的數字化倉庫管理系統的設計

文/王珍珍 江夢圓

為了在倉庫中找到管理的正確方向，能夠解決以往的人手不足發貨慢并且相關信息查詢效率低等諸多的煩惱，本課題研究的內容是用RFID 技術在Windows 上做一個關于Qt 的窗體進而來實現數字化倉庫的管理。主要用RC522 射頻模塊來獲得IC 卡的相關數據信息，然后通過STM32 單片機與之用CH340 驅動進行串口通信，接著數據庫會將這些信息進行儲存以及管理，最后將會以系統界面的形式顯示商品添加、入庫、出庫以及獲取卡號進而查詢商品的信息等功能。

RFID 技術現狀及功能的概述

RFID 技術的研究現狀

國內最早推廣RFID 是早年的廣深鐵路電子車票；2005-2010 年間許多科研機構和高校都成立了RFID 實驗室；2008年上海舉行的世博會成功使用了國產芯片的RFID 標簽，到2012 年以后，在技術和應用上實現了較大的突破，經歷了幾年20%-30%的發展之后，中國已成為全球最大的RFID 標簽制造基地。RFID 技術的發展從剛開始的不成熟到現在的相對成熟有了質的飛躍，像現在的共享單車、數字化倉儲管理、數字化的圖書館、體溫的測量等都與該技術密切相關，但是具體的方法又有所不同。但是在超高頻RFID 技術方面是不能和那些發達國家相提并論的，不過低頻的發展還是較為成熟的，高頻的發展從一開始的基本成熟到現在的比較成熟。

RFID 簡介

RFID 是射頻識別技術的英文縮寫，它是一種通過無線電波進行通信的自動識別技術。這種技術不需要依賴人工干預，就能夠自動識別和跟蹤目標物體。其主要工作原理是利用射頻信號進行目標識別和數據采集。RFID 的應用范圍非常廣泛，比如在物流和供應鏈管理、身份識別、門禁控制、追蹤和定位等領域。其核心組件包括電子標簽、讀寫器和中央信息系統。電子標簽是附著在目標物體上的小型無線電發射器，每個標簽都有一個唯一的編碼；讀寫器則是用于讀取和寫入標簽數據的設備；中央信息系統則用于對所有數據進行管理和分析。相比傳統的識別技術，RFID 有以下優點：首先，RFID 可以穿透各種介質，如紙張、木材、塑料等，進行遠距離和非接觸式的識別；其次，RFID 可以同時識別多個標簽，大大提高了數據采集的效率；再次，由于每個標簽的編碼都是唯一的，因此RFID 可以實現極高的精度和可靠性；最后，RFID 可以應用于各種惡劣環境，如高溫、低溫、雨雪、灰塵等，因為其具有很強的抗干擾能力。

RFID 的特征

第一，RFID 技術既然是無線射頻識別，那么它的功能讀寫的數據就是用RFID Reader 無線不需要接觸來實現的，也即是將直接讀寫過來的信息存儲在數據庫內而且也可以在標簽內寫入商品的某個狀態。

第二，RFID 標簽還可以重復使用。這樣一來還可以減少資源的浪費，因為RFID 就是一個電子標簽，它是通過數據庫來存儲的在系統的界面上實現數字化的。

第三，RFID 標簽形狀多樣，不是固定不變的，因為被讀取的數據不是根據形狀來決定的；而且像水或者油這些污染性很強的東西或者被其它物品包裹都不會影響來讀取它的數據，因此它的抗污染性和穿透能力很強。

第四，RFID 在數據和安全方面就更不用擔心了，因為它們的安全系數極高，而且數據的記憶容量非常大，運用在倉庫管理中非常有利。

RFID 系統的組成

RFID 系統是由三個主要部分組成的：讀寫器（Reader）、電子標簽（Tag）和后端計算機（Backend Computer）。每個部分在RFID 系統中扮演著重要的角色。

讀寫器（Reader）：這是一個設備，它通過無線電波發送和接收信號。它的主要功能是讀取和寫入電子標簽的數據。讀寫器可以同時處理多個電子標簽，而且可以在不同的距離和角度下讀取標簽。

電子標簽（Tag）：這是附著在物體上的小型無線電發射器，通常只有幾平方厘米的大小。每個電子標簽都有一個唯一的編碼，這個編碼用來識別特定的物體。電子標簽可以存儲各種類型的數據，包括產品的詳細信息、位置信息、身份信息等。

后端計算機（Backend Computer）：這是用來處理和管理所有數據的設備。它接收來自讀寫器的數據，將數據進行處理、分析和存儲。后端計算機還負責通過互聯網或者其他網絡將數據傳輸到其他需要的地方，例如企業的數據庫或者決策層。

在RFID 系統中，這三個部分通過無線電波進行通信。當一個帶有電子標簽的物體進入讀寫器的工作范圍時，讀寫器會發送一個無線電信號，這個信號激活電子標簽并使其發送自身的編碼信息。讀寫器接收到這個信息后，將其發送到后端計算機進行處理。

RFID 技術與數字化倉庫管理的聯系

自從物聯網的全面普及，RFID 技術也跟著不斷發展，把RFID 技術應用到倉庫管理中是一個很省時間又省人力的好形式，又能夠減輕員工辛勤的勞動力減少汗水的揮灑，實現其數字化。數字化倉庫管理的本質就是利用網絡軟件進行數據記錄、計算，利用網絡通信進行數據傳輸和管理[1]。同時RFID技術用到應用系統軟件與網絡連接進行數據的傳輸，把商品的信息通過RFID 技術運用到計算機系統的界面上進而呈現出來實現了數字化，因此RFID 技術與數字化倉庫管理既是緊密的又是互相有聯系的。RFID 技術相較于傳統的依靠人工的管理，不僅提高了倉儲中貨物入庫、在庫、出庫的效率和準確率，而且提高了整個倉儲管理中的自動化和信息化的程度。

主要功能描述

第一，商品添加，在電腦上打開Qt 窗體，在系統界面上有一部分是需要手動輸入來添加商品的，即在添加商品的時候要輸入商品的名稱以及商品所在的位置，然后將商品名稱和商品位置手動輸入完成之后就可以刷卡緊接著獲取卡號了，同時這些信息就會綁定在數據庫里了，最后點擊添加會出現“添加成功！”的字樣。如果有一項不填，比如不填商品位置的話，則會提醒“請將信息輸入完整！”。在獲取IC 卡的時候，刷一次能獲取一次信息并且一分鐘之內有效。

第二，商品入庫，這一功能在入庫的時候需要先刷IC 卡進行獲取，刷卡入庫成功則系統界面會提示“入庫成功！”并且商品的數量就會加1，緊接著再入庫一個，則商品數量就會在原來的基礎上再加1。

第三，商品出庫，首先需要在系統中設置好出庫的商品名稱，然后再刷卡獲取卡號，最后通過卡號和設置的商品來判斷是否一致，如果不一致則會發出報警的聲音并提醒“商品信息不一致！”，如果商品信息一致則會提示“出庫成功！”并且商品數量就會減1；如果庫存的數量為0，則對商品出庫時會顯示“商品數量不足！”的框體。

第四，商品查詢，在手動添加完成商品的名稱和位置信息之后，先刷卡后查詢，則會顯示對應商品的信息，默認商品的數量為0，商品查詢時可以查詢的有商品的名稱、商品的位置信息還有RFID 的卡號同時也有商品的數量顯示。

系統硬件設計

硬件構成

本次的設計硬件部分用到了STM32F103C8T6 單片機、LED 燈、MFRC522(RFID 射頻識別模塊）以及CH340 驅動模塊等。

主要模塊介紹

LED 燈即發光二極管，主要以半導體PN 芯片為發光源，LED 燈屬于直流驅動電源。不要被LED 燈的外形小所欺騙，因為它的使用壽命是不可低估的，在日常生活中，LED燈的壽命可以達到100000h，在實驗室中，它的壽命會降至50000h，然而它所用的電量還有功率卻是微不足道的，而且LED 燈可以呈現出多種顏色，如果給它通上電源，它反應迅速，沒有延時性，會立刻亮起來，這給人們以美好的視覺體驗。

單片機模塊

基于Cortex-M3 內核的STM32F103C8T6 單片機是一種高性能的CMOS 8 位微控制器且功耗極低，其主要的作用就是控制外部電路執行程序，其高達72MHz 的工作頻率能夠輕松達到設計需求。雖然是最小系統的單片機，但是它的外觀看起來還是很精致的，下圖1 所示就是它的結構特征，有復位按鍵，8M 的貼片晶振，3.3V 的穩壓芯片等，而且還有預留的串口5V 的接口。

MFRC522 射頻模塊

MFRC522 芯片是無線射頻識別模塊的重要的核心組成部分，對IC 卡完成相關信息數據的讀寫，不僅如此，它還可以用來對STM32 單片機與IC 卡之間進行傳輸數據的。該芯片的優點很多，在成本上價格不僅相對低廉，而且其尺寸小以及所用到的電壓也比較低，甚至它的集成度也頗高，可以在13.56 MHz 的頻率下工作，并與ISO/IEC 14443 A/MIFARE 3 種型號都兼容，擁有強大而有效的解調和解碼電路，可實現與任意類型卡的近場通信。

CH340 驅動模塊

CH340 驅動是一個USB 總線的轉接芯片，可以將MCU傳送過來的TTL 信號轉換成PC 機所能識別的信號。如圖2是CH340 的模塊展示，該驅動是在Windows 環境下應用的，方便該系統與電腦連接，實現編程及調試。此芯片不僅可以支持3.3V 的電源電壓而且還能夠支持5V 的電壓，可供開發者方便使用。

系統軟件設計

系統的開發平臺

QT 是一種跨平臺的上位機應用程序開發框架。Qt Creator是一個用于 Qt 開發的輕量級跨平臺集成開發環境（IDE），該軟件功能特別強大。此次的系統設計是在Qt Creator 軟件平臺上實現數字化的，使用C++編程語言能夠完成對射頻卡數據信息的寫入，讀取等功能，運用Mysql 數據庫來存放這些數據信息加以管理，從而可以在系統界面上以數字化的方式展示出商品的具體信息。Qt Creator 的集成開發環境專為支持跨平臺開發而設計。跨平臺的開發在此設計上可以使用在不同的系統上，新人學起來會相對較快并容易上手，將來如果想對此設計進一步完善可以在此基礎上繼續開發，這也是開發者經常使用此平臺的原因所在。

主程序流程

如下圖所示為本設計的主程序流程圖，在用USB 數據線給設備通電之后，讓代碼進入初始化，包括時鐘，延遲的初始化，STM32 模塊以及RC522 模塊這些硬件設備的初始化。當刷IC 卡的時候，RC522 首先會進行尋卡的操作，看是否能夠檢測到IC 卡，如果檢測到并且在一分鐘之內有IC 卡讀入，即對刷卡時間進行一個限制；RC522 射頻模塊獲得IC 卡的相關數據信息之后，同時與STM32 單片機相結合，進而通過CH340 轉串口相連接傳送給電腦，在此過程中則LED 燈就會由滅到亮，這時就說明刷卡成功，再由數據庫處理相關的數據，以至于對其管理的方便。

無線射頻流程

RC522 無線射頻識別通電后也會先被初始化。RC522 會一直檢查有沒有刷卡操作，在RC522 尋到卡請求對此操作之后，緊接著就會進行有沖撞以及反碰撞的這一步，接著就會選擇到正確的卡號。然后將讀取的信息傳輸到主系統中，由主系統對數據做出處理。這個驗證結束后，在系統的界面上，會呈現出IC 卡的相關信息。

上位機流程

把設備連接到電腦之后，設備就會通上電，進而先會被初始化并激活代碼。本設備中只用到了一個串口，隨后打開串口，緊接著會判斷這個指令是否為商品名稱的添加、商品位置的添加，是否成功獲取IC 的卡號，如果沒有成功地完成獲取，那么就會返回則等待，但是倘若成功獲取再加上在數據庫中把相關的數據信息處理好則會返回到最初的等待狀態，準備進行下一步的操作。

倉庫管理系統的測試

系統界面展示

在本設計中要實現其數字化的倉庫管理，當然必不可少的是出入庫的管理，同時還伴隨著串口日志以及商品的查詢功能。此系統的界面比較一目了然，給人一種簡約舒適的感覺，倘若之后想擴展功能的話可以對其進行繼續添加。

商品添加功能展示

在Qt 框架中用鼠標點擊“商品添加”這一欄，在界面中就會顯示出三大字樣，分別為商品名稱、商品位置以及RFID，在其中名稱和位置信息是需要用鍵盤手動輸入添加上的，RFID 的具體ID 號是能夠通過刷卡來獲取的，不僅可以通過刷卡來獲取而且也是可以和上述一樣手動添加的，這樣的話可以避免在IC 卡或射頻模塊出錯，不能使用的時候繼續添加，從而避免損失.要注意的是在商品添加的時候如果有一項沒有填入就會顯示“請將信息輸入完整！”

獲取RFID 的功能展示

在進行RFID 獲取的時候，隨之會看到LED 燈會亮這就可以說明刷卡成功。如果已經添加成功了之后再刷一次同樣的卡，想要繼續添加時系統就會提示“該IC 卡已經綁定了商品信息！”；假如不進行刷卡，就是RFID 的方框里是空白的則直接點擊獲取，那么就會提示“未獲取到卡號，請重試！”

入庫功能展示

在對商品進行入庫操作的時候，首先需要手拿著IC 卡對照著RC522 讀卡器，然后就可以點擊“獲取”IC 卡的一些信息，進而就可以讓商品入庫，緊接著就會顯示“入庫成功！”。

出庫功能展示

如果想要正常出庫，同樣也是要先刷卡獲取相應的卡號，并且商品名填的正確就能夠出庫，因此出庫時商品的名稱以及與之對應的ID 號都正確的前提下，才會出庫成功；如果商品的庫存量為0，這時讓此商品出庫，那么系統就會提示“商品數量不足！”，這樣會出庫失敗。

預警功能展示

當需要對商品進行出庫時就可以刷卡進而來獲取卡號，但是如果說出庫時的商品名稱填寫與之將要出庫時不一樣的話，但是已經獲取成功卡號的前提下，那么系統中就會伴隨著報警的聲音并會提示“商品信息不一致！”，這樣是不能出庫的。

商品查詢功能展示

首先，在對商品查詢的時候當然是在商品成功完成添加之后，這樣才可以初次對商品進行查詢。如果想要精準地確定某一個商品具體的信息，必須有的一個步驟就是刷卡來獲取，進而點擊查詢在同一個界面中會顯示這個商品的名稱、所在貨架的地址，RFID 的ID 號以及商品的數量，當然最開始的商品數量默認是0。

然后，在商品入庫成功之后，緊跟著就可以在商品查詢這一欄中直接點擊查詢就能夠看到清晰的商品數量，這取決于入庫了多少個商品，如若返回到入庫那里再次點擊入庫，再進行查詢從而就會顯示實時的商品數量。

最后，如果要對成功出庫的某個商品數量有詳細的掌握，那么點擊查詢就會錦上添花。

身為物聯網專業的一員，偶然的機會在看到管理倉庫的過程中發現了其中的很多不方便并且對找東西效率低的問題，于是萌生了一個大膽的想法，就是用RFID 技術再借用計算機Qt 結合C++的語言做出來一個框架，讓有關的數據信息經過數據庫來進行儲存從而好讓需要者來查詢，這樣用軟件和硬件結合起來就會讓人有一種數字化的相關體驗，經過模擬這些不再是遙不可及。

在本設計中，通過對此課題的背景簡要的概括讓對倉庫管理有需求的人了解到了倉庫確實是需要有序并且高效地來管理的，對國內外RFID 技術的發展現狀也有了比較深刻的認知和理解。本課題的主要功能是在倉庫管理中實現入庫/出庫、商品添加以及通過刷卡來獲取卡號進行查詢商品，包含商品的名稱、商品的位置、商品的ID 號還有商品的準確的庫存量，最后根據刷卡再結合這些功能對整個系統進行了測試。

本課題創新的第一個點，是把RFID 技術和Qt 可跨平臺的優勢結合在一起，不僅界面美觀而且可以讓操作者容易上手。RFID 技術是在高頻的工作頻率下進行完成的，即為13.56 MHz，再加上Qt 可以跨平臺的特點，讓倉庫的管理更加地有意義。雖然早些時候有RFID 技術和跨平臺的結合，但是沒有用過Qt 來做框架，一般都是用的JAVA。本課題創新的第二點是在出庫不一致報警時，是在系統中放入的音頻進行提醒的，而不是用的蜂鳴器，這樣不僅可以避免蜂鳴器的損壞而且還能節約成本。

當然這個設計還存在著一些的不足，比如規模不夠大，沒有實時的時間顯示，也就是沒有顯示入庫的時間也不能顯示出庫的時間等功能；也沒有LCD 液晶顯示屏的支持；有些許的不完美。在每個需要用到此技術的人，想法都會是不一樣的，所設計出來的效果當然也是不同的，但是大致的核心功能還是一樣的。