基于RFID和ZigBee的快遞管理系統(tǒng)①

鐘 亞，劉 瑛

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，成都 610059)

網(wǎng)上購(gòu)物熱潮興起，高?？爝f日益成為各物流企業(yè)的主要市場(chǎng).但隨著校園快遞業(yè)務(wù)量的迅速增長(zhǎng)，人工取件效率未得到相應(yīng)的提升，導(dǎo)致取件排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)，取件擁擠等現(xiàn)象層出不窮.

傳統(tǒng)快遞取件模式通常使用紙質(zhì)單據(jù)、條形碼等方式，工作人員須在有效的距離內(nèi)將紅外線對(duì)準(zhǔn)條形碼才能掃描成功，條形碼必須保持整潔，且不能批量讀取[1]，貨物出入庫(kù)效率低.同時(shí)，依靠人工錄入信息，工作量大且效率低，增加物流環(huán)節(jié)的人工成本.在取件時(shí)，還需核對(duì)身份證、電話號(hào)碼、取貨碼等個(gè)人信息，取件流程繁瑣導(dǎo)致排隊(duì)等候時(shí)間長(zhǎng)，用戶(hù)體驗(yàn)感差.并且驛站工作人員需每天對(duì)貨物出入庫(kù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)貨物位置信息重新歸類(lèi)移動(dòng)，依靠現(xiàn)有的快遞管理系統(tǒng)工作量巨大.條形碼在使用中，受環(huán)境影響大，易破損導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別，而RFID 標(biāo)簽抗損壞能力強(qiáng).另一方面，條形碼存儲(chǔ)少量信息量，只能標(biāo)識(shí)一類(lèi)物品，不能攜帶物品的差異信息.電子標(biāo)簽可以攜帶物品名稱(chēng)、姓名、地址等具體屬性信息[2，3].

目前，RFID 技術(shù)主要應(yīng)用于物流管理、數(shù)據(jù)采集、物體定位等場(chǎng)景[4，5]，因此，本文提出了一種基于RFID 的快遞管理系統(tǒng)，利用RFID 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理快遞，將 RFID 標(biāo)簽貼在每個(gè)貨物的包裝，在標(biāo)簽中寫(xiě)入貨物的地址、姓名、電話等信息，在驛站貨架上設(shè)置固定式讀寫(xiě)器，獲取貨物位置等信息，生成相應(yīng)的二維碼，自動(dòng)發(fā)送到用戶(hù)手機(jī)，用戶(hù)可在出口閘機(jī)通道掃描快遞上的 RFID 標(biāo)簽及手機(jī)上的二維碼，進(jìn)行匹配，完成自主取貨，提高快遞出入庫(kù)效率.

作為嵌入式簽收設(shè)備和上位機(jī)軟件的連接方式，通信工具的選擇會(huì)影響到通信的高效性和穩(wěn)定性.在本系統(tǒng)中，需在快遞驛站的各個(gè)貨架上放置RFID 讀寫(xiě)器，對(duì)通信方式的靈活性和可擴(kuò)展性有一定的要求.有線通信一般是利用金屬電纜、光纖等有形媒介進(jìn)行信息傳遞[6]，其靈活性受到一定的限制，因此選擇無(wú)線通信作為主要的信號(hào)傳輸方式.WiFi 是現(xiàn)在使用最為廣泛的無(wú)線通信技術(shù)，成本較低，缺點(diǎn)是易受其他信號(hào)的干擾，造成信號(hào)傳輸質(zhì)量的不穩(wěn)定，因此會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.藍(lán)牙，是一種短距離的低功耗的無(wú)線傳輸技術(shù)，但信號(hào)易受干擾、傳輸距離較近等，適用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，不適合各讀寫(xiě)模塊之間的通信.Z-wave 是一種基于射頻的高可靠、低成本、用于短距離的通信技術(shù)，但它的標(biāo)準(zhǔn)是并不完全開(kāi)放[7，8].ZigBee 技術(shù)是一種新的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，效率高、時(shí)延短、安全性高[9]，通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互連接、相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信.與其他通信方式相比，ZigBee 有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，它具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的主節(jié)點(diǎn)來(lái)管理子節(jié)點(diǎn)，從而延伸單個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍.

1 快遞管理系統(tǒng)組成

快遞管理主要分為：入庫(kù)管理、庫(kù)存管理、出庫(kù)管理3 個(gè)部分[10]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.在貨架上安裝固定式閱讀器，對(duì)各個(gè)區(qū)域的貨物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)貨物到達(dá)驛站后，RFID 標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的掃描范圍，貨物的信息都會(huì)被自動(dòng)記錄，通過(guò)局域網(wǎng)將信息發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，可以節(jié)省大量的時(shí)間，并且記錄的信息完整準(zhǔn)確.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的架構(gòu)主要由SQL Server 2016 和My SQL 組成，本部分主要負(fù)責(zé)處理快遞信息，核對(duì)用戶(hù)，實(shí)時(shí)更新快遞信息.

快遞取件系統(tǒng)示意圖如圖2所示，本系統(tǒng)利用RFID 標(biāo)簽代替條形碼識(shí)別，在RFID 標(biāo)簽中寫(xiě)入貨物的收件人姓名、快遞單號(hào)、聯(lián)系方式、地址等信息，將RFID 標(biāo)簽貼在每個(gè)貨物的包裝上.當(dāng)RFID 標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的掃描范圍，讀寫(xiě)器進(jìn)行自動(dòng)編碼形成貨物唯一的識(shí)別號(hào).數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)將標(biāo)簽信息生成二維碼，發(fā)送到用戶(hù)手機(jī).用戶(hù)可根據(jù)位置信息和驛站內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，方便快捷地找到自己的快遞.貨物出庫(kù)時(shí)，在驛站出口處的平臺(tái)式讀寫(xiě)器上掃描快遞，讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽信息，發(fā)送至平臺(tái)后端，在顯示屏上掃描二維碼進(jìn)行信息匹配，平臺(tái)后端將匹配信息發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ).同時(shí)，帶有標(biāo)簽的快遞可實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警，減少快遞丟失現(xiàn)象的發(fā)生.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 快遞取件系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

快遞管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)快遞信息的采集、處理和傳輸功能，系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，主要由上位機(jī)系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、閘機(jī)通道系統(tǒng)、ZigBee 無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成.

上位機(jī)系統(tǒng)主要由PC 端和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)組成，對(duì)快遞信息進(jìn)行保存和更新.射頻識(shí)別系統(tǒng)包括RFID 讀寫(xiě)模塊、MCU 控制模塊、電源模塊，RFID 讀寫(xiě)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸.MCU 控制模塊作為系統(tǒng)的控制終端，控制射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，電源模塊為射頻識(shí)別系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，保證設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定地工作.閘機(jī)通道系統(tǒng)主要由平臺(tái)式RFID 讀寫(xiě)模塊、MCU 控制模塊、電源模塊、防盜模塊、LCD顯示模塊組成，平臺(tái)式RFID 讀寫(xiě)模塊對(duì)快遞上的RFID 標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)志位的清除，以MCU 控制模塊的繼電器模擬閘機(jī)通道的打開(kāi)，防盜模塊可對(duì)未清除標(biāo)志位的標(biāo)簽發(fā)出警報(bào)，LCD 顯示模塊用于顯示平臺(tái)式RFID 讀寫(xiě)模塊接收的快遞信息，便于用戶(hù)進(jìn)行確認(rèn).ZigBee 系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)將閱讀器采集的信息經(jīng)過(guò)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器處理后上傳到上位機(jī)系統(tǒng).

圖3 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 射頻識(shí)別系統(tǒng)

射頻識(shí)別系統(tǒng)包括RFID 讀寫(xiě)模塊、MCU 控制模塊、電源模塊，其框圖如圖4所示.

圖4 射頻識(shí)別系統(tǒng)框圖

2.1.1 MCU 控制模塊

MCU 控制模塊芯片采用基于Cortex-M4 內(nèi)核的STM32F407ZGT6 處理器，與Cortex-M3 相比，其內(nèi)部集成了優(yōu)化的單指令多數(shù)據(jù)指令、飽和算法指令、可選擇的浮點(diǎn)運(yùn)算單元和雙循環(huán)乘法累計(jì)單元等[11，12].該模塊主要負(fù)責(zé)處理接收RFID 讀寫(xiě)模塊的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口送至ZigBee 終端節(jié)點(diǎn).

MCU 外圍電路主要包括復(fù)位電路、通信接口電路、JTAG 調(diào)試接口電路.

2.1.2 RFID 讀寫(xiě)模塊

基于快遞的運(yùn)輸特性及快遞數(shù)量的龐大，在選取RFID 標(biāo)簽時(shí)需要考慮標(biāo)簽讀寫(xiě)距離、耐受工作環(huán)境、標(biāo)簽頻段、標(biāo)簽類(lèi)型等性能指標(biāo).

本系統(tǒng)的RFID 讀寫(xiě)模塊選擇了奧地利的專(zhuān)用UHF 射頻識(shí)別讀寫(xiě)器集成芯片AS3992，覆蓋大部分UHF 頻段，其接收靈敏度高達(dá)-86 dbm，支持多通信協(xié)議[13，14].讀寫(xiě)器的主控制電路主要負(fù)責(zé)控制發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，處理MCU 發(fā)送的數(shù)字信息，通過(guò)射頻信號(hào)利用天線發(fā)送給電子標(biāo)簽，并將電子標(biāo)簽反射回來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)天線接收后進(jìn)行混頻、放大、濾波、數(shù)字化等處理后傳輸給MCU[15]，RFID 讀寫(xiě)模塊主要通過(guò)GPIO 口與MCU 進(jìn)行通信.

AS3992 芯片可分為兩部分：射頻模塊和MCU 接口模塊.AS3992 可通過(guò)8 位并行線或4 線串行和MCU連接通信，接收來(lái)自MCU 的指令并反饋對(duì)應(yīng)信息.

2.2 電源模塊

電源模塊主要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓即電壓轉(zhuǎn)換功能，MCU 控制模塊所用芯片STM32F407ZGT6 的典型工作電壓是3.3 V，電路中的一部分元器件也需要3.3 V 的工作電壓，通過(guò)低壓差線性調(diào)整器AMS1117-3.3 設(shè)計(jì)出BUCK降壓電路，電路圖如圖5所示.

圖5 電源電路

2.3 閘機(jī)通道系統(tǒng)

閘機(jī)通道系統(tǒng)主要由平臺(tái)式RFID 讀寫(xiě)模塊、MCU 控制模塊、電源模塊、防盜模塊、LCD 顯示模塊組成，框圖如圖6所示.用繼電器模擬閘機(jī)通道，用蜂鳴器模擬防盜模塊.取件成功，繼電器開(kāi)，表示閘機(jī)通道打開(kāi).取件不成功，蜂鳴器響，表示防盜模塊啟動(dòng).

圖6 閘機(jī)通道系統(tǒng)框圖

2.3.1 MCU 控制模塊

此處所用的MCU 控制芯片與射頻識(shí)別系統(tǒng)一致，外圍電路主要由報(bào)警器電路、繼電器電路構(gòu)成，報(bào)警電路如圖7所示.

圖7 報(bào)警電路

2.3.2 液晶顯示模塊

LCD 顯示屏選擇電容式觸摸屏ATK-4.3’ TFTLCD[16]，其分辨率為800×600，采用NT555IO 驅(qū)動(dòng).LCD 采用使用16 位并口與外部進(jìn)行連接，觸摸屏采用IIC 接口，供電電源為3.3 V.用戶(hù)在閘機(jī)通道處掃描快遞，液晶顯示屏能夠顯示快遞數(shù)量、姓名等信息，便于用戶(hù)確認(rèn)信息.

2.4 ZigBee 無(wú)線傳輸模塊

本部分主要實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器設(shè)備和上位機(jī)系統(tǒng)之間的通信.ZigBee 傳輸模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，采用CC2530 芯片作為ZigBee 的核心控制器[17，18]，使用CH340 電平裝換芯片連接上位機(jī)軟件，再通過(guò)串口直接和射頻識(shí)別系統(tǒng)連接.RFID 讀寫(xiě)模塊采集的信息通過(guò)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)傳到協(xié)調(diào)器[19，20]，按照Z(yǔ)igBee 規(guī)范組建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)RFID 數(shù)據(jù)傳輸.CC2530 核心的電路圖及其外圍電路如圖8所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 RFID 讀寫(xiě)模塊軟件設(shè)計(jì)

閱讀器上電復(fù)位后，模塊初始化，不斷被發(fā)送到外界，閱讀器會(huì)一直檢測(cè)是否有RFID 標(biāo)簽在其讀寫(xiě)范圍內(nèi)，直到有RFID 標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)范圍，進(jìn)入接收模式.讀取RFID 標(biāo)簽發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息并檢測(cè)碰撞情況，若發(fā)生碰撞，則調(diào)用防碰撞算法對(duì)其中一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě).信息讀完后，閱讀器會(huì)發(fā)送確認(rèn)接收信號(hào)標(biāo)志位，存儲(chǔ)讀到的標(biāo)簽信息，并通過(guò)與 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)的通信上傳到上位機(jī).程序流程圖如圖9所示.

圖9 RFID 讀寫(xiě)模塊流程圖

3.2 閘機(jī)通道系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在平臺(tái)式讀寫(xiě)器上放置帶有RFID 標(biāo)簽的貨物，用戶(hù)掃描二維碼，只有當(dāng)二維碼中的信息與標(biāo)簽中的信息匹配，讀寫(xiě)器將RFID 標(biāo)簽中的標(biāo)志位清除，同時(shí)閘機(jī)通道打開(kāi)，用戶(hù)取件成功；否則，若未清除標(biāo)志位的貨物經(jīng)過(guò)閘機(jī)通道，防盜模塊將啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)，程序流程圖如圖10所示.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 成功率測(cè)試

對(duì)安裝在每一層貨架上的讀寫(xiě)器讀寫(xiě)電子標(biāo)簽的能力分別進(jìn)行測(cè)試，共測(cè)試了60 次，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示.

測(cè)試結(jié)果表明，射頻識(shí)別系統(tǒng)讀取和寫(xiě)入標(biāo)簽的能力存在差異，讀取標(biāo)簽的成功率更高，平均寫(xiě)入速度為33 張/s，平均讀取速度為41 張/s.隨著距離的增大，讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的能力逐漸降低，影響快遞信息傳遞的準(zhǔn)確性，最佳距離在3.5 米左右.

圖10 閘機(jī)通道系統(tǒng)流程圖

表1 寫(xiě)入標(biāo)簽?zāi)芰y(cè)試

表2 讀取標(biāo)簽?zāi)芰y(cè)試

4.2 并發(fā)測(cè)試

上位機(jī)系統(tǒng)能支持多個(gè)終端設(shè)備，當(dāng)讀寫(xiě)器的作用范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽，并有兩個(gè)或者以上的標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)，讀寫(xiě)器將會(huì)產(chǎn)生沖突.針對(duì)這種問(wèn)題，目前主要采用的解決方式為基于TMDA (Time Division Multiple Access)的樹(shù)分叉算法，該方法應(yīng)用簡(jiǎn)單，識(shí)別速度快，平均識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽約為8 ms，可以實(shí)現(xiàn)大量標(biāo)簽的讀取，從而實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器可以與多個(gè)標(biāo)簽通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再經(jīng)過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng).系統(tǒng)分別對(duì)設(shè)備內(nèi)不同數(shù)量的快遞進(jìn)行測(cè)試，得到的測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3 不同數(shù)量的快遞并發(fā)測(cè)試

測(cè)試結(jié)果表明，在進(jìn)行并發(fā)測(cè)試時(shí)，隨著設(shè)備內(nèi)快遞數(shù)量的增加，查詢(xún)速度在減慢，系統(tǒng)處理能力也呈下降趨勢(shì).

5 結(jié)語(yǔ)

利用RFID 技術(shù)管理快遞取件系統(tǒng)，一方面，不再使用暴露姓名、電話的紙質(zhì)單據(jù)，減少了用戶(hù)個(gè)人信息的泄露，另一方面，入庫(kù)自動(dòng)化減少了物流環(huán)節(jié)的人工成本，提高快遞入庫(kù)效率；出庫(kù)自動(dòng)化減少了用戶(hù)排隊(duì)等候的時(shí)間，用戶(hù)體驗(yàn)感增強(qiáng)，并且快遞系統(tǒng)的容錯(cuò)率提高.