基于ARM 11和RFID技術(shù)的智能物流管理

馮忠?guī)X，童英華

（1.青海師范大學(xué) 物理系，青海 西寧 810008；2.青海師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，青海 西寧 810008）

物流在整個(gè)企業(yè)的供應(yīng)鏈中占有非常重要的比重。通過(guò)RFID的批量識(shí)別，實(shí)現(xiàn)物流的出庫(kù)，入庫(kù)，和分揀流程。通過(guò)GPS定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取車輛在途信息。通過(guò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和報(bào)表功能，可能掌握企業(yè)資源的動(dòng)態(tài)變化。智能物流系統(tǒng)大幅提升整個(gè)供應(yīng)鏈的效率。

1 系統(tǒng)方案

在本設(shè)計(jì)中采用固定式RFID的讀卡器來(lái)采集信息，由串口發(fā)送至ARM11為核心的數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行處理。因此該系統(tǒng)分為兩個(gè)部分。

第一部分：RFID電子標(biāo)簽信息的采集，主要是選擇固定式的讀卡器來(lái)識(shí)別RFID標(biāo)簽信息并發(fā)向終端；

第二部分：數(shù)據(jù)采集，該部分以ARM11為核心處理器的數(shù)據(jù)處理終端，在終端上搭載Linux操作系統(tǒng)，并安裝有數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite和QT/E來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。

2 實(shí)現(xiàn)模塊

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于以下4個(gè)功能模塊：1）RFID信息的采集；2）串口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀??；3）SQLite 數(shù)據(jù)的操作；4）Qt/E用戶界面的設(shè)計(jì)。

2.1 RFID電子信息的采集

2.1.1 RFID電子標(biāo)簽

RFID電子標(biāo)簽分為被動(dòng)標(biāo)簽（Passive tags）和主動(dòng)標(biāo)簽（Active tags）兩種。主動(dòng)標(biāo)簽自身帶有電池供電，讀／寫距離較遠(yuǎn)，同時(shí)體積較大，與被動(dòng)標(biāo)簽相比成本更高，也稱為有源標(biāo)簽。被動(dòng)標(biāo)簽由閱讀器產(chǎn)生的磁場(chǎng)中獲得工作所需的能量，成本很低并具有很長(zhǎng)的使用壽命，比主動(dòng)標(biāo)簽更小也更輕，讀寫距離則較近，也稱為無(wú)源標(biāo)簽。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)源標(biāo)簽是取代條形碼標(biāo)簽的主要發(fā)展方向，有源標(biāo)簽因?yàn)槠溟L(zhǎng)距離識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于大型的高速運(yùn)動(dòng)物體的標(biāo)識(shí)識(shí)別之上。如機(jī)動(dòng)車的跟蹤和識(shí)別、動(dòng)物或人類身份的跟蹤和識(shí)別。下面主要是以無(wú)源標(biāo)簽為例介紹其原理和性能的。

RFID電子標(biāo)簽由天線和專用芯片組成，天線是在塑料片基上鍍上的銅膜線圈，在塑料基片上還嵌有體積非常小的集成電路芯片，在這個(gè)集成電路芯片中有高速的射頻接口，控制單元，EEPROM 3個(gè)模塊組成。如圖1所示。

圖1 RFID電子標(biāo)簽工作原理圖Fig.1 RFID electronic tag working principle diagram

2.1.2 電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)

一個(gè)真正的RFID電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)至少應(yīng)包含電子標(biāo)簽、閱讀器、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的設(shè)備以及系統(tǒng)軟件。通常閱讀器與電腦相連，所讀取的標(biāo)簽信息被傳送到電腦上進(jìn)行下一步處理。閱讀器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入這一定頻率的射頻信號(hào)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得電能，產(chǎn)生電壓供給電子標(biāo)簽內(nèi)集成電路工作，并通過(guò)自身的RFID電子標(biāo)簽天線發(fā)送出自身編碼等信息，由閱讀器接收天線接收讀取并解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。

2.1.3 射頻讀卡模塊

本設(shè)計(jì)采用的讀卡器是TX125系列射頻讀卡模塊。TX125系列非接觸 IC卡射頻讀卡模塊采用 125K射頻基站。當(dāng)有卡靠近模塊時(shí)，模塊會(huì)以韋根或 UART方式輸出ID卡卡號(hào)，用戶僅需簡(jiǎn)單的讀取即可。該讀卡模塊完全支持EM、TEMIC、TK及其兼容卡片的操作。

數(shù)據(jù)格式：6字節(jié)數(shù)據(jù)，高位在前，格式為5字節(jié)數(shù)據(jù)+1字節(jié)校驗(yàn)和（異或和）。 例如：卡號(hào)數(shù)據(jù)為0B00D5F0C7，則輸出為0x0B 0x00 0xD5 0xF0 0xC7 0xE9（校驗(yàn)和計(jì)算：0x0B^0x00^0xD5^0xF0^0xC7=0xE9）。第一個(gè)字節(jié)0x0B一般是廠家碼。中間4個(gè)字節(jié)0x00 0xD5 0xF0 0xC7是卡片的序列號(hào)。一般卡片上印刷的都是 10進(jìn)制碼。例如：001402807 213 61639。上面的數(shù)據(jù)可以通過(guò)轉(zhuǎn)換得到。轉(zhuǎn)換方式如下：將中間 4個(gè)字節(jié)卡號(hào)0x00D5F0C7轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，即得001402807；將卡號(hào)的第二字節(jié)0xD5轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，即得213，將卡號(hào)的最后兩字節(jié)0xF0C7轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，即得61639。

在串口方式下，可工作在主動(dòng)與被動(dòng)模式。主動(dòng)模式：當(dāng)有卡進(jìn)入該射頻區(qū)域內(nèi)時(shí)，主動(dòng)發(fā)出以上格式的卡號(hào)數(shù)據(jù)。被動(dòng)模式：CLK的下降沿觸發(fā)卡號(hào)的輸出，格式為以上數(shù)據(jù)格式。操作方法為：在準(zhǔn)備讀取卡號(hào)之前，打開串口中斷并啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器（80 ms），將一直保持高電平的CLK置低電平，產(chǎn)生下降沿并一直保持低電平，等待卡號(hào)數(shù)據(jù)接收，若接收到卡號(hào)后存儲(chǔ)待用，若在等待過(guò)程中無(wú)數(shù)據(jù)接收，且超時(shí)定時(shí)器已經(jīng)溢出，則表示本次讀取卡號(hào)失??；無(wú)論成功與失敗最后都將CLK重新置高電平，進(jìn)入待機(jī)以便下一次讀取卡號(hào)。

串口通訊協(xié)議，就是讀卡模塊以何種格式把讀取到的卡號(hào)發(fā)送出來(lái)。TX125支持韋根接口和串口兩種協(xié)議。UART接口一幀的數(shù)據(jù)格式為：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位、1個(gè)停止位。波特率可選擇9 600 bps或者 19 200 bps。在本設(shè)計(jì)中連接6 410網(wǎng)關(guān)設(shè)備的/dev/ttySAC1串口設(shè)備，選擇設(shè)置波特率為9 600。

采用多線程的方式等待RFID刷寫讀卡器，主要函數(shù)：pthread_create （&th_kb，NULL，KeyBoardPthread，0）； pthread_create（&rf_rev， NULL， RFIDRevPthread， 0）。 建立兩個(gè)線程，第一個(gè)是以鍵盤輸入的方式讀寫RFID信息，第二個(gè)線程的功能是監(jiān)控串口/dev/ttySAC1中的信息，已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的捕捉刷寫RFID標(biāo)簽信息。

2.2 串口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取

在linux操作系統(tǒng)中，對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)往往都是使用open（）函數(shù)，以打開文件的方式讀取數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中對(duì)串口數(shù)據(jù)的讀取也正是通過(guò)open（）函數(shù)打開/dev/ttySAC1這一串口驅(qū)動(dòng)文件，獲取由讀卡器發(fā)送給ARM11主核心板的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)函數(shù)為 open（/dev/ttySAC1， O_RDWR|O_NOCTTY），標(biāo)志位為O_RDWR|O_NOCTTY，意義是系統(tǒng)以可讀寫的方式打開文件，如果欲打開的文件為終端設(shè)備時(shí)，則不會(huì)將該終端當(dāng)成進(jìn)程控制終端。

在打開串口文件之前，我們要對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，具體步驟有以下幾步：串口屬性的設(shè)置，保存原先串口配置，激活選項(xiàng)，設(shè)置波特率，設(shè)置字符大小，設(shè)置校驗(yàn)，設(shè)置停止位，設(shè)置最少字符與等待時(shí)間，清楚串口緩沖，激活配置。設(shè)置由以下結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)：

struct termios{

tcflag_t c_iflag； /*input flags*/

tcflag_t c_oflag； /*output flags*/

tcflag_t c_cflag； /*control flags*/

Tcflag_t c_lflag； /*local flags*/

cc_t c_cc[NCCS]； /*control characters*/

}；

成功打開驅(qū)動(dòng)文件后，需要做的就是使用read（）函數(shù)來(lái)讀出讀卡器發(fā)送的信號(hào)，以判別

貨品的類型，將其信息準(zhǔn)確的存入到數(shù)據(jù)庫(kù)。Read（）函數(shù)的函數(shù)原型為 read（int fd，void*buf，size_t count）， read（）實(shí)現(xiàn)的功能是從參數(shù)fd所指的文件傳送count個(gè)字節(jié)到buf指針?biāo)傅膬?nèi)存中。讀出的數(shù)據(jù)將存入buf中，作為識(shí)別RFID標(biāo)簽的依據(jù)。

2.3 SQLite對(duì)數(shù)據(jù)的管理

在嵌入式設(shè)備上使用的數(shù)據(jù)庫(kù)有很多，比如MySQL。本設(shè)計(jì)選擇的是更為簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite。本設(shè)計(jì)中建立的是一個(gè)物流商品信息的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，包含的信息有：商品的名字（char型），商品的 ID 號(hào)（char型）以及商品的價(jià)格（int型）。這些信息都將被存放在table merchandise中。

當(dāng)代表商品的RFID標(biāo)簽第一次刷寫讀卡器的時(shí)候，系統(tǒng)將根據(jù)它的標(biāo)簽標(biāo)號(hào)，唯一確定它的商品名、商品ID號(hào)以及價(jià)格，并把這些消息一次性寫入到表merchandise中。已經(jīng)存入庫(kù)中的商品RFID標(biāo)簽再次刷寫讀卡器的時(shí)候，將作為該商品的出庫(kù)操作，系統(tǒng)將自動(dòng)的刪除該商品在數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。

在數(shù)據(jù)的管理部分，充分利用SQLite提供的便捷有效的API函數(shù) ：sqlite3_open（）， sqlite3_exec（）和 sqlite3_close（）等，打開和操作數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

在商品的整個(gè)入庫(kù)、出庫(kù)的操作中，數(shù)據(jù)的錄入和刪除將是由系統(tǒng)自動(dòng)完成，免去了人為的操作，大大提高了倉(cāng)庫(kù)管理的效率，減少了人力資源。

2.4 Qt/E用戶界面的設(shè)計(jì)

QT/E即Qt Embedded是挪威Trolletch公司的圖形化界面開發(fā)工具。Qt的嵌入式版本，擁有較高的運(yùn)行效率，而且整體采用面向?qū)ο缶幊?，擁有良好的體系架構(gòu)和編程模式。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使管理人員更好地管理倉(cāng)庫(kù)物品的信息，在開發(fā)板上配備了一個(gè)4.2寸的觸摸屏，來(lái)提供良好的UI界面，以便觀察數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的存貨信息。

在本設(shè)計(jì)中，選擇QT來(lái)開發(fā)UI界面。在主界面中，加入了一個(gè)Table View控件，用來(lái)綁定SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)文件rfid_sqlite.db。在開發(fā)過(guò)程中，添加頭文件“QSqlDatabase”，這是Qt用來(lái)連接數(shù)據(jù)庫(kù)所必備的頭文件，該頭文件下包含了很多的函數(shù)來(lái)操作數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)給用戶。語(yǔ)句QSqlDatabase db=QSqlDatabase::addDatabase（“QSQLITE”），指明了Qt所需要連接的數(shù)據(jù)庫(kù)類型為SQLite，接著再通過(guò)db.setDatabaseName（“rfid_sqlite.db”）來(lái)打開鏈接系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)，默認(rèn)路徑為當(dāng)前文件夾，顯示結(jié)果如圖2所示。

圖2 智能物流管理的QT圖形用戶界面Fig.2 Intelligent logistics management QT graphical user interface

3 實(shí)現(xiàn)功能

本設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)RFID的批量識(shí)別，實(shí)現(xiàn)物流的出庫(kù)、入庫(kù)和分揀流程。通過(guò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和報(bào)表功能，掌握企業(yè)資源的動(dòng)態(tài)變化。本系統(tǒng)中選擇使用固定式的低頻率的讀卡器，來(lái)實(shí)現(xiàn)商品信息的錄入與刪除，模擬了四種不同的商品：A，B，C，D，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的商品 ID。商品入庫(kù)的時(shí)候，依此把RFID標(biāo)簽放在讀卡器上進(jìn)行刷寫，終端部分通過(guò)對(duì)串口/dev/ttySAC1的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)數(shù)據(jù)刷寫的時(shí)候，在RFID標(biāo)簽ID鑒別的函數(shù)體內(nèi)，以ID號(hào)為判別依據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)操作文件sqlite.c中定義好的函數(shù)體sqliteDB_opt_add（char*name，char*id，int price）錄入商品信息；在商品出庫(kù)時(shí)，再次刷寫需要出入庫(kù)的RFID標(biāo)簽，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別該商品的刷寫次數(shù)，來(lái)鑒別其操作方式是出庫(kù)還是入庫(kù)。當(dāng)判斷出是第二次刷寫時(shí)，將調(diào)用函數(shù)體sqliteDB_opt_delete_by_id（char*id），從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除該商品的信息，以達(dá)到數(shù)據(jù)出庫(kù)的操作。標(biāo)簽的首次刷寫視為商品的入庫(kù)，第二次刷寫視為出庫(kù)操作，這一信息的錄入與刪除，用戶可以從UI界面的Table View控件內(nèi)實(shí)時(shí)觀察到。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)以ARM 11微處理器為核心，結(jié)合了Linux操作系統(tǒng)和TX125系列射頻讀卡模塊實(shí)現(xiàn)了智能物流的貨品管理系統(tǒng)。重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在嵌入式設(shè)備系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)以及UI用戶界面等的開發(fā)和移植。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物品出庫(kù)和入庫(kù)的管理功能，方便實(shí)用。充分凸顯了RFID技術(shù)在當(dāng)下有著較強(qiáng)的實(shí)用性，更體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)給日常生活帶來(lái)了的極大便利，為物流行業(yè)帶了很大的收效。本設(shè)計(jì)還有很多需要繼續(xù)完善的地方，如要給每個(gè)物品加上GPS定位，以實(shí)現(xiàn)客戶和物流公司對(duì)物品流向的監(jiān)測(cè)。

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