曾煉成,傅卓軍

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)

曾煉成(講師),主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、RFID、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

引 言

無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)是新一代的射頻識(shí)別技術(shù),與傳統(tǒng)識(shí)別形式采用的商品紙質(zhì)條碼相比,RFID標(biāo)簽無需光學(xué)可視,無須直接接觸,抗污染能力強(qiáng),可在移動(dòng)過程中批量讀取[1-2]。在RFID技術(shù)中,超高頻(Ultra High Frequency,UHF)RFID的頻率為860～960 MHz,相對(duì)于低頻,高頻 RFID標(biāo)簽感應(yīng)距離遠(yuǎn),讀寫速度快,抗干擾能力強(qiáng),可識(shí)別快速運(yùn)動(dòng)物體,在防碰撞機(jī)制下可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽、廣泛地用于物品追溯[3-4]、不停車收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic Toll Collection,ETC)、人員跟蹤和供應(yīng)鏈[5-6]等。

UHF RFID技術(shù)應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng),以無源 UHF RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)單品貨物,實(shí)現(xiàn)物品的快速入庫(kù)和出庫(kù),提高庫(kù)存盤點(diǎn)效率,在零售、物流等行業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中日益得到重視[7-8]。UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)是典型的RFID閉環(huán)應(yīng)用,通過 UHF RFID標(biāo)簽重復(fù)使用,可以降低倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的RFID標(biāo)簽使用成本。

UHF RFID閱讀器是標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,它在倉(cāng)儲(chǔ)管理過程中采集 RFID標(biāo)簽信息、暫存和同步管理數(shù)據(jù)庫(kù)等。本文研究了UHF RFID閱讀器的硬件和軟件的定制設(shè)計(jì),降低了 UHF RFID閱讀器復(fù)雜度并實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的RFID標(biāo)簽可重用。

1 RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)的物品管理過程起始于入庫(kù),終了于出庫(kù),UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)在整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)過程以UHF RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)單一物品。物品入庫(kù)時(shí)登記RFID標(biāo)簽,出庫(kù)時(shí)注銷標(biāo)簽并更新管理數(shù)據(jù),注銷后的RFID標(biāo)簽可以投入下一周期的倉(cāng)儲(chǔ)管理,能夠回收重復(fù)使用。

圖1為UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng),它由倉(cāng)儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)庫(kù)和RFID系統(tǒng)組成,包含采集標(biāo)簽物品信息和同步數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)過程。RFID閱讀器和標(biāo)簽組成RFID系統(tǒng),閱讀器和標(biāo)簽都帶有天線,閱讀器可以搜索一定范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽并獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。在采集標(biāo)簽物品信息過程中,RFID閱讀器采集入庫(kù)、出庫(kù)和盤點(diǎn)物品標(biāo)簽信息,暫存于RFID閱讀器上。同步數(shù)據(jù)庫(kù)過程時(shí),RFID閱讀器將暫存信息提交到管理端。

圖1 UHFRFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)

物品入庫(kù)時(shí),RFID標(biāo)簽固定在物品外包裝上,UHF RFID閱讀器讀取RFID標(biāo)簽的EPC存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù),在閱讀器上登記RFID標(biāo)簽和物品信息。物品出庫(kù)時(shí),回收物品外包裝上的RFID標(biāo)簽,UHF RFID閱讀器讀取RFID標(biāo)簽的EPC存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù),記錄出庫(kù)信息后同步數(shù)據(jù)庫(kù)更新庫(kù)存,并注銷已出庫(kù)物品的 RFID標(biāo)簽。注銷后的 RFID標(biāo)簽可以在倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中重復(fù)使用。

倉(cāng)儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)庫(kù)作為倉(cāng)儲(chǔ)管理的服務(wù)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(kù)/出庫(kù)時(shí)采集的信息及時(shí)更新至管理數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)一件物品出庫(kù)后,UHF RFID閱讀器同步其出庫(kù)信息后,在UHF RFID閱讀器上注銷該物品對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽,即閱讀器上只保留倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)存物品的標(biāo)簽登記信息。

2 UHF RFID閱讀器硬件設(shè)計(jì)

入庫(kù)登記RFID標(biāo)簽、庫(kù)存盤點(diǎn)和出庫(kù)注銷標(biāo)簽等倉(cāng)儲(chǔ)管理操作都是通過UHF RFID閱讀器采集標(biāo)簽信息完成的,UHF RFID閱讀器是物品倉(cāng)儲(chǔ)信息采集終端UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

當(dāng)前,市售通用的UHF RFID閱讀器通常是基于嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE或 Linux,對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行的二次開發(fā)有著良好的支持。但是,嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備有著較高的要求,對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)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(shí)配置大容量的Flash、SDRAM 存儲(chǔ),硬件成本相對(duì)較高。針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理特定應(yīng)用來定制硬件架構(gòu)和存儲(chǔ)資源而不帶操作系統(tǒng),可以有效地降低對(duì)UHF RFID閱讀器的成本。

圖2為UHF RFID閱讀器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。UHF RFID閱讀器以LPC1768微處理器為核心,UHF RFID模塊、SPI Flash存儲(chǔ)和電源等外部組件所組成。

圖2 UHFRFID閱讀器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LPC1768是NXP公司基于高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器,工作頻率可達(dá)100 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器包括512 KB Flash、64 KB SRAM以及8 KB Boot ROM(引導(dǎo)存儲(chǔ)),具有豐富的外設(shè),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(gè)的GPIO等。

TFT LCD采用目前國(guó)產(chǎn)手機(jī)廣泛使用的帶電阻觸摸屏、320×240像素點(diǎn)、2.8英寸彩色液晶屏。其內(nèi)部含有驅(qū)動(dòng)芯片LGPD4531,以16位數(shù)據(jù)總線連接。

鍵盤采用類似于手機(jī)的鍵盤,包括基本的數(shù)字鍵盤(在拼音輸入時(shí)可輸入字母)、導(dǎo)航方向鍵和出入庫(kù)等操作讀取標(biāo)簽的快捷鍵,每個(gè)按鍵連接一個(gè)內(nèi)部配置為弱上拉的GPIO引腳。

SPI Flash作為系統(tǒng)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求,其容量較大(一般可達(dá)32～64 Mb),引腳少、封裝緊湊。LPC1768內(nèi)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(chǔ)多個(gè)漢字庫(kù)以及倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

RFID模塊是UHF RFID閱讀器的信息收發(fā)器,它通過平板天線持續(xù)發(fā)送超高頻無線電波給無源UHF RFID標(biāo)簽供電,然后發(fā)送信息至標(biāo)簽,獲得能量的標(biāo)簽芯片內(nèi)部處理信息后將響應(yīng)消息并以反射方式發(fā)送出去。

3 UHF RFID閱讀器軟件設(shè)計(jì)

UHF RFID閱讀器針對(duì)基于RFID標(biāo)簽的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)特定應(yīng)用定制的硬件和軟件。由于Cortex-M3微處理器的存儲(chǔ)空間有限,因此UHF RFID閱讀器的軟件設(shè)計(jì)不能借助嵌入式操作系統(tǒng)。在界面設(shè)計(jì)方面基于開源的μC/GUI圖形設(shè)計(jì)組件,軟件設(shè)計(jì)采用層次化和模塊化設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。

3.1 μC/GUI圖形設(shè)計(jì)組件

μC/GUI是Micrium公司的圖形用戶界面軟件組件,界面設(shè)計(jì)與處理器和LCD控制器無關(guān),完全是以ANSI C編寫的,可以工作于單任務(wù)和多任務(wù)環(huán)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(jié)構(gòu)圖,自底往上依次是LCD驅(qū)動(dòng)層、基本圖形層和窗口管理層。

圖3 μC/GUI分層模塊結(jié)構(gòu)圖

LCD驅(qū)動(dòng)層是μC/GUI軟硬件接口層,與硬件平臺(tái)密切相關(guān),它定義了操作LCD硬件需要的所有宏定義和函數(shù)。該層包含了硬件設(shè)置、顏色轉(zhuǎn)化、抗鋸齒模塊以及驅(qū)動(dòng)接口?；緢D形層提供了供了文本顯示、數(shù)值顯示、2D圖形顯示的支持,是構(gòu)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(gè)數(shù)的字體,如指定字體字號(hào)的漢字字庫(kù)、支持等寬和比例字體。窗口管理層為高級(jí)用戶提供窗口顯示和管理,該層需要更多的內(nèi)存空間。

3.2 基于μC/GUI的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 μC/GUI的移植

μC/GUI與硬件密切相關(guān)的是LCD驅(qū)動(dòng)程序,同時(shí),觸摸屏和鍵盤輸入也是人機(jī)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(qū)動(dòng)以及漢字庫(kù)在擴(kuò)展SPI Flash存儲(chǔ)的存取,即包括LCD圖形顯示驅(qū)動(dòng)、電阻觸摸屏驅(qū)動(dòng)和SPI Flash驅(qū)動(dòng)以及漢字拼音鍵盤輸入。

LPC1768等Cortex-M3核微處理器沒有內(nèi)置的LCD控制器,其對(duì)圖形顯示的控制是通過16位的數(shù)據(jù)總線控制TFT LCD的驅(qū)動(dòng)芯片LGDP4531對(duì)像素點(diǎn)的操作實(shí)現(xiàn)的。具體方法是先進(jìn)行LGDP4531的初始化設(shè)置,然后設(shè)計(jì)像素點(diǎn)顯示、線條以及矩形區(qū)域顯示圖像的接口函數(shù)。

電阻觸摸屏驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是周期性測(cè)量屏幕中按壓接觸點(diǎn)位置,通過交替在X和Y向施加電壓,同時(shí)相應(yīng)檢測(cè)在觸點(diǎn)輸出的分壓來計(jì)算X和 Y向的位置比例,從而估算出觸點(diǎn)的二維坐標(biāo)值。

漢字的數(shù)量多,且漢字庫(kù)隨著字體字號(hào)不同而不同,漢字庫(kù)的存儲(chǔ)需求相對(duì)較大,LPC1768的512 KB內(nèi)置Flash不足以存儲(chǔ)多個(gè)不同字體、字號(hào)的漢字庫(kù)。因此,采用小封裝大容量的SPI Flash存儲(chǔ)漢字字庫(kù)。SPI Flash芯片型號(hào)為W25Q32,容量為32 Mb。

3.2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖4為UHF RFID閱讀器功能設(shè)計(jì)框圖。系統(tǒng)功能分層次式設(shè)計(jì),依次為開機(jī)/待機(jī)畫面、功能表畫面和功能模塊層。開機(jī)/待機(jī)畫面是UHF RFID閱讀器開機(jī)啟動(dòng)或完成操作進(jìn)入待機(jī)畫面,若一段時(shí)間內(nèi)無觸屏點(diǎn)擊或按鍵鍵入則閱讀器進(jìn)入待機(jī)低功耗模式,并關(guān)閉LCD背光。當(dāng)點(diǎn)擊觸屏或按鍵事件微處理機(jī)激活并進(jìn)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(gè)功能模塊的按鈕,若一段時(shí)間內(nèi)無觸屏點(diǎn)擊或按鍵鍵入則閱讀器返回待機(jī)畫面,若有點(diǎn)擊按鈕或按下快捷按鍵則進(jìn)入相應(yīng)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(kù)讀卡、出庫(kù)讀卡、盤存讀卡、查詢讀卡、同步數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)設(shè)置。由于UHF RFID閱讀器內(nèi)存資源有限,功能模塊層內(nèi)部模塊之間不能任意切換,但可以通過退出當(dāng)前功能模塊返回上一級(jí)功能表畫面進(jìn)入另一功能模塊來實(shí)現(xiàn),即不能有多個(gè)模塊同時(shí)工作。功能模塊完成任務(wù)后可以直接進(jìn)入開機(jī)/待機(jī)畫面。

3.2.3 UHF RFID閱讀器倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在倉(cāng)儲(chǔ)管理過程中,UHF RFID閱讀器均采取讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)物品的登記、盤存和注銷等操作。UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的標(biāo)簽是可重用的,單一物品的倉(cāng)儲(chǔ)管理過程歷經(jīng)標(biāo)簽從登記至注銷為一個(gè)周期,在倉(cāng)儲(chǔ)管理周期中以標(biāo)簽作為數(shù)據(jù)庫(kù)的主鍵,可以準(zhǔn)確地反映倉(cāng)儲(chǔ)物品的狀態(tài)。同時(shí),在 UHF RFID閱讀器的功能模塊中,相關(guān)的讀卡操作均以記錄倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)作為目標(biāo)。

表1為UHF RFID閱讀器的倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄?；赗FID倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),標(biāo)簽ID以16位UII(Unique Item Identifier,唯一標(biāo)識(shí)代碼)順序編程寫入其標(biāo)簽存儲(chǔ)區(qū)。每個(gè)標(biāo)簽在一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)管理周期中的相關(guān)信息包括入庫(kù)時(shí)間、出庫(kù)時(shí)間、貨位號(hào)、供貨方和提貨方。這些信息在上位機(jī)的倉(cāng)儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)庫(kù)以靜態(tài)字典方法預(yù)先編碼,并將靜態(tài)字典存儲(chǔ)在UHF RFID閱讀器中,在閱讀器上顯示相關(guān)信息時(shí)對(duì)照靜態(tài)字典翻譯成對(duì)應(yīng)的文本信息。

表1 UHFRFID閱讀器的倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄

結(jié) 語

UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)利用UHF RFID標(biāo)簽非光學(xué)可視閱讀、感應(yīng)距離遠(yuǎn)和讀取速度快的特點(diǎn),顯著提高了倉(cāng)儲(chǔ)管理的效率。中小型存儲(chǔ)管理系統(tǒng)是典型的閉環(huán)應(yīng)用,使得RFID標(biāo)簽可重用和UHF RFID閱讀器高度定制。UHF RFID標(biāo)簽可重用倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)采取RFID標(biāo)簽循環(huán)使用,UHF RFID閱讀器采集標(biāo)簽 信息,并通過UHF RFID閱讀器倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)同步更新管理數(shù)據(jù)庫(kù);UHF RFID閱讀器采用低成本Cortex-M3核微處理器定制外擴(kuò)SPI Flash存儲(chǔ),在保持倉(cāng)儲(chǔ)管理的效率和質(zhì)量的基礎(chǔ)上,有效地降低了倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

[1]魏威,張平川.基于手機(jī)OMAP5910內(nèi)核的UHF RFID閱讀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)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(cāng)儲(chǔ)管理終端系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)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(xué),等.利用RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)汽車速度的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(4):33-35.

[7]許佳鵬,趙方柯,宏力,等.一種紙箱級(jí)RFID倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)采集終端[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(3):58-60,63.