基于RFID技術(shù)的食品物流車輛管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓雪娜 ，李 暉 ，2

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150028；2.黑龍江省電子商務(wù)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150028）

0 引言

無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是典型的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)自動(dòng)采集電子標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)信息，利用電感耦合和電磁輻射等方式，將標(biāo)簽信息傳送至讀寫(xiě)器系統(tǒng)中，通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理［1］。射頻識(shí)別全過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，信號(hào)強(qiáng)度大，接收范圍廣，RFID發(fā)展至今技術(shù)已成為21世紀(jì)最有前景的信息技術(shù)之一，廣泛適用于庫(kù)存管理和運(yùn)輸調(diào)度等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域［2-4］。

在現(xiàn)代物流運(yùn)輸過(guò)程中，考慮食品類產(chǎn)品保存周期短，生產(chǎn)流通快，運(yùn)輸損耗嚴(yán)重等特點(diǎn)，要求食品物流車輛管理應(yīng)該具備快速性、安全性和可靠性。因此，提高食品物流場(chǎng)區(qū)運(yùn)作效率對(duì)加快商品流轉(zhuǎn)速度，保障食品經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展起到較為重要的作用［5］。鄒毅峰建立了無(wú)成本約束和有成本約束的食品物流系統(tǒng)優(yōu)化決策模型，并根據(jù)模型的特點(diǎn)給出了求解的啟發(fā)式算法［6］；王興家在對(duì)冷鏈物流的特征、流程、存在的問(wèn)題的研究基礎(chǔ)之上，開(kāi)展了生鮮食品冷鏈物流配送的優(yōu)化研究［7］；王梅對(duì)食品安全追蹤物聯(lián)網(wǎng)的工作原理與組成進(jìn)行了分析研究，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的食品物流安全追蹤方法［8］；鄒饒邦彥通過(guò)對(duì)配送中心的儲(chǔ)運(yùn)流程分析，得出在使用RFID系統(tǒng)后改進(jìn)的運(yùn)營(yíng)流程，基于RFID的優(yōu)化模式［9］。傳統(tǒng)接觸式人工識(shí)別方法識(shí)別速度較慢，精度不高，標(biāo)簽易損耗，存在諸多弊端，已滿足不了現(xiàn)代食品物流業(yè)的要求，基于此，將RFID技術(shù)引入食品物流管理，設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的食品物流車輛管理系統(tǒng)對(duì)于保證產(chǎn)品運(yùn)輸安全，加快食品行業(yè)流通有著重要的理論研究?jī)r(jià)值［10-12］。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

食品物流車輛管理系統(tǒng)對(duì)待入物流園區(qū)的車輛身份進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)獲取車輛信息，同時(shí)根據(jù)車載食品的安全和食用條件，對(duì)車輛的調(diào)度優(yōu)先級(jí)進(jìn)行區(qū)分。優(yōu)先對(duì)級(jí)別較的地認(rèn)證車輛進(jìn)行車位引導(dǎo)，幫助車輛快速安全地?？亢侠砦恢茫奖闶称坟浳锏募皶r(shí)裝運(yùn)和存儲(chǔ)?；赗FID技術(shù)的食品物流車輛管理系統(tǒng)由車輛識(shí)別系統(tǒng)和車輛定位系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，其中車輛識(shí)別系統(tǒng)包括射頻識(shí)別模塊，通信模塊和機(jī)械動(dòng)作模塊三部分；車輛定位系統(tǒng)包括車位探測(cè)模塊，車位控制模塊，信息顯示模塊和車位誘導(dǎo)管理模塊四部分，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Architecture of management system

1.1 車輛識(shí)別系統(tǒng)

車輛識(shí)別系統(tǒng)依據(jù)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)信息傳導(dǎo)原理，通過(guò)讀寫(xiě)器獲取相關(guān)食品物流車輛上的電子標(biāo)簽信息，在確認(rèn)車輛身份之后，操縱機(jī)械動(dòng)作開(kāi)關(guān)予以放行，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索記錄車輛相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并上傳資料到應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行車載食品信息比對(duì)，在物流車輛管理云平臺(tái)上更新相關(guān)車輛的位置信息的同時(shí)，根據(jù)車載食品的安全實(shí)用條件（包括保質(zhì)期，冷凍期，運(yùn)輸周期等）對(duì)車輛優(yōu)先級(jí)進(jìn)行區(qū)分，以期實(shí)現(xiàn)車輛的物聯(lián)互通和迅速引導(dǎo)。

1.2 車輛定位系統(tǒng)

在完成車輛識(shí)別任務(wù)后，食品物流車輛駛?cè)肱渌蛨?chǎng)區(qū)，通過(guò)車輛定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的車位引導(dǎo)［13］。針對(duì)食品物流過(guò)程的特殊性，在車輛優(yōu)先級(jí)劃分的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前物流園區(qū)空閑車位進(jìn)行判斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同食品運(yùn)輸周期要求的物流車輛分類定位引導(dǎo)：對(duì)于食品運(yùn)輸周期要求短時(shí)的車輛完成近位引導(dǎo)：即定位系統(tǒng)引導(dǎo)車輛泊入距離園區(qū)入口處較近的空閑車位，方便裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)；對(duì)于食品運(yùn)輸周期要求寬泛的車輛實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)位引導(dǎo)：即定位系統(tǒng)引導(dǎo)車輛泊入距離園區(qū)入口處較遠(yuǎn)的空閑車位，為緊急運(yùn)輸車輛預(yù)留近位空間，實(shí)現(xiàn)高效車位誘導(dǎo)

1.2.1 車位探測(cè)子系統(tǒng)

車位探測(cè)子系統(tǒng)用于指示車位使用狀態(tài)，由車位狀態(tài)指示燈、信號(hào)采集收發(fā)器和車位信息探測(cè)傳感裝置等基本模塊組成。車位信息探測(cè)傳感裝置通過(guò)超聲反射回波方法實(shí)時(shí)計(jì)算障礙物距離，進(jìn)而對(duì)監(jiān)測(cè)車位的車輛停放狀態(tài)進(jìn)行判斷，同時(shí)根據(jù)車位當(dāng)前使用情況控制車位指示燈的顯示顏色，不同顏色反映車位占用情況，保證50米距離范圍可見(jiàn)，幫助車輛迅速定位。

1.2.2 車位控制子系統(tǒng)

車位控制子系統(tǒng)是整個(gè)引導(dǎo)系統(tǒng)的控制核心，完成包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸和對(duì)象控制等基礎(chǔ)功能，通過(guò)計(jì)算不同區(qū)域的車位動(dòng)態(tài)時(shí)變，及時(shí)有效地更新信息顯示系統(tǒng)的車位數(shù)目，通過(guò)串行連接線將相關(guān)操作數(shù)據(jù)上傳到二級(jí)服務(wù)器，可以在管理終端上實(shí)時(shí)測(cè)算車位情況。同時(shí)控制子系統(tǒng)具備自我檢測(cè)檢查功能，可以通過(guò)自檢程序?qū)收显O(shè)備進(jìn)行定位和告警，并通過(guò)管理終端告知維修人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修維護(hù)［14-15］。

1.2.3 信息顯示子系統(tǒng)

車位信息顯示子系統(tǒng)通過(guò)顯示屏動(dòng)態(tài)顯示食品物流園區(qū)可用車位數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，引導(dǎo)顯示屏有三部分組成，其中入口顯示屏標(biāo)識(shí)全區(qū)域車位變化，區(qū)位顯示屏標(biāo)識(shí)不同區(qū)域的車位變化，交叉路口顯示屏標(biāo)識(shí)不同行車方向上的車位變化。

1.2.4 車位誘導(dǎo)子系統(tǒng)

車位誘導(dǎo)管理軟件通過(guò)電子地圖顯示車位狀況，對(duì)于動(dòng)態(tài)物流車輛管理實(shí)施停車超時(shí)告警和設(shè)備故障報(bào)警，同時(shí)兼有VIP車位管理。通過(guò)事件記錄表和歷史記錄表單內(nèi)部信息加載，最終形成圖表方式報(bào)告表方便查驗(yàn)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于RFID技術(shù)的物流車輛管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括RFID讀寫(xiě)模塊、通信模塊和機(jī)械動(dòng)作模塊，見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of management system

RFID讀寫(xiě)模塊包括電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器，考慮車輛運(yùn)行速度和信號(hào)覆蓋寬度，物流管理系統(tǒng)中電子標(biāo)簽采用頻率為2.4GHz的有源標(biāo)簽，同時(shí)匹配對(duì)應(yīng)的2.4G讀卡器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛身份信息的快速檢測(cè)。通信模塊負(fù)責(zé)RFID讀寫(xiě)器和服務(wù)器之間進(jìn)行RS232全雙工數(shù)據(jù)通信［16］。機(jī)械動(dòng)作模塊根據(jù)RFID讀寫(xiě)模塊的身份識(shí)別結(jié)果對(duì)入場(chǎng)門禁閘機(jī)進(jìn)行控制［17］，完成物流車輛的自動(dòng)入場(chǎng)和車位引導(dǎo)。

讀寫(xiě)器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，一方面，RFID標(biāo)簽返回的電磁信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器的數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)其進(jìn)行必要的加工整形，最后從中解調(diào)出返回的信息，完成對(duì)RFID標(biāo)簽的識(shí)別和讀/寫(xiě)操作；另一方面，上層中間件及應(yīng)用軟件與讀寫(xiě)器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)操作指令地執(zhí)行和數(shù)據(jù)地匯總上傳。在上傳數(shù)據(jù)同時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì)對(duì)RFID標(biāo)簽原子事件進(jìn)行去重過(guò)濾或簡(jiǎn)單的條件過(guò)濾，將其加工為讀寫(xiě)器事件后再上傳，減少與中間件及應(yīng)用軟件之間數(shù)據(jù)交換的流量［18-19］。

3 系統(tǒng)軟件流程

食品物流車輛管理系統(tǒng)的軟件流程見(jiàn)圖3。主要過(guò)程如下所述：

圖3 系統(tǒng)軟件流程Fig.3 Software flow of management system

（1）開(kāi)啟RFIDThread線程：無(wú)線射頻傳輸程序啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)RFID通信信號(hào)的接收和相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

（2）開(kāi)啟有源2.4GHz線程：RFID信號(hào)遵循ISO14443協(xié)議，規(guī)定鄰近卡（PICCs）進(jìn)入耦合設(shè)備（PCDs）時(shí)的輪尋，通信初始化階段的字符格式，幀結(jié)構(gòu)，時(shí)序信息，允許多標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器范圍，從中進(jìn)行合理選擇。

（3）車輛在線檢測(cè)和監(jiān)聽(tīng)：以10 ms為周期對(duì)物流車輛電子標(biāo)簽信息進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，同時(shí)規(guī)定非接觸的全雙工塊傳輸協(xié)議，并定義了激活和停止協(xié)議。

（4）解析串口幀數(shù)據(jù)：在判斷幀數(shù)據(jù)格式是否正確的基礎(chǔ)上，獲取車輛身份標(biāo)簽號(hào)；匹配預(yù)設(shè)車輛卡號(hào)成功后，顯示車輛信息，為后續(xù)車輛定位奠定基礎(chǔ)［20］。

4 關(guān)鍵事件分析

基于RFID的食品物流車輛管理系統(tǒng)利用無(wú)線射頻識(shí)別信號(hào)實(shí)現(xiàn)可編程控制器（PLC）與標(biāo)識(shí)信息間的數(shù)據(jù)傳輸，完成非接觸式目標(biāo)識(shí)別與跟蹤。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

食品車輛上配置的電子標(biāo)簽上電后，按照預(yù)設(shè)規(guī)則周期性的進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的作用區(qū)域，閱讀器獲取到標(biāo)簽發(fā)射出來(lái)的信息，完成了對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別過(guò)程，同時(shí)將入場(chǎng)車輛信息顯示在相應(yīng)的身份識(shí)別管理系統(tǒng)中，依據(jù)物流車輛裝載物品的食品特性對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先排序。通過(guò)對(duì)空閑車位進(jìn)行判斷，針對(duì)食品運(yùn)輸周期要求短時(shí)的車輛就近引導(dǎo)泊入空閑車位，方便裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)；針對(duì)食品運(yùn)輸周期要求寬松的車輛引導(dǎo)泊入距入口處較遠(yuǎn)的指定車位，為緊急運(yùn)輸車輛預(yù)留車位空間，實(shí)現(xiàn)高效車位誘導(dǎo)。綜合車輛識(shí)別和車輛定位，最終保證食品物流車輛地快速引導(dǎo)。

6 結(jié)語(yǔ)

在分析當(dāng)前食品物流運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，分析無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)在車輛管理中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)的食品物流車輛管理系統(tǒng)，在完成車輛身份信息自動(dòng)識(shí)別的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了物流場(chǎng)區(qū)車位的快速誘導(dǎo)。相對(duì)于傳統(tǒng)的人工物流管理，本文設(shè)計(jì)的自組織管理系統(tǒng)功能豐富完善，對(duì)象識(shí)別準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在保證精度的條件下提高運(yùn)營(yíng)速度，具有較高的市場(chǎng)應(yīng)用前景。