基于RFID的校園快遞管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

向安軍，毛旭陽(yáng)，王思杰，黃乙航，孫益鑫，徐素莉

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

隨著目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)互聯(lián)網(wǎng)化和網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的蓬勃發(fā)展，高校學(xué)生逐漸發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的主要消費(fèi)群體，高校物流也成為了各大校園快遞物流企業(yè)至關(guān)重要的市場(chǎng)。目前傳統(tǒng)化的校園快遞物流公司，貨物入庫(kù)取件的工作模式通常為使用多種不同紙質(zhì)條形碼、一次掃描條形碼取件處理方式，一次掃描方式只能對(duì)一個(gè)條形碼進(jìn)行一次單據(jù)掃描，不能多次重復(fù)，入庫(kù)取件排隊(duì)工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，效率低下。由于該類(lèi)條形碼在實(shí)際生活使用中，受環(huán)境影響大，若發(fā)生包裝破損，可能會(huì)直接導(dǎo)致該類(lèi)物品本身無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行識(shí)別。另一方面，條形碼本身，只能存儲(chǔ)少量的物品相關(guān)信息量，只能顯示標(biāo)識(shí)一類(lèi)的具體類(lèi)型物品。

因此，引進(jìn)RFID技術(shù)來(lái)提高貨物的出入庫(kù)效率、物流追蹤信息的自動(dòng)化是有必要的。RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，例如在高速公路上、在交通管理中、在快遞跟蹤中、在貨物記錄中、在航空行李管理中、在防盜車(chē)系統(tǒng)中。人們需要標(biāo)簽，以獲得更多的信息，追蹤標(biāo)簽的位置，也就是說(shuō)，如果將物聯(lián)網(wǎng)與人體相比較,RFID可以被看作是"眼睛"，用讀卡器識(shí)別物體，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)物體的監(jiān)控?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于RFID的校園快遞管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快遞實(shí)時(shí)追蹤，快速入庫(kù)、盤(pán)點(diǎn)以及位置引導(dǎo)，方便學(xué)生快速、準(zhǔn)確的完成取件。

1 快遞管理系統(tǒng)

系統(tǒng)主要管理功能可以分為：驛站快遞管理入庫(kù)配送業(yè)務(wù)管理，庫(kù)存發(fā)貨業(yè)務(wù)管理，出庫(kù)發(fā)貨業(yè)務(wù)管理三個(gè)組成部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 快遞管理系統(tǒng)基本組成

在大型驛站儲(chǔ)物貨架上通過(guò)內(nèi)部安裝固定式閱讀器，對(duì)各個(gè)驛站管理區(qū)域的貨品信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)多個(gè)驛站貨品被同時(shí)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)驛站后，RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入驛站貨品信息讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍，讀寫(xiě)器便會(huì)自動(dòng)掃描，將獲得的貨品相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞到驛站系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)記錄入庫(kù)。貨品入庫(kù)登記后，通過(guò)貨架上的固定式讀寫(xiě)器完成貨物的自動(dòng)清點(diǎn)，并對(duì)貨物的庫(kù)區(qū)位置信息進(jìn)行編碼并上傳數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)貨物的位置信息以及存儲(chǔ)情況進(jìn)行處理，自動(dòng)向用戶(hù)發(fā)送貨物存取位置，實(shí)現(xiàn)智能化庫(kù)存管理。并且在出口處設(shè)立出庫(kù)閘口，用戶(hù)憑借短信內(nèi)的貨物存取位置可以快速的找到貨物并進(jìn)行確認(rèn)，貨物進(jìn)入出口處的固定式讀寫(xiě)器范圍后，讀寫(xiě)器采取貨物電子標(biāo)簽信息并上傳數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)通過(guò)在接觸式讀卡器匹配校園卡或掃描二維碼等措施進(jìn)行貨品配對(duì)，在數(shù)據(jù)庫(kù)完成出庫(kù)管理。通過(guò)驛站管理局域網(wǎng)，將驛站貨品相關(guān)信息數(shù)據(jù)及時(shí)自動(dòng)發(fā)送給各個(gè)驛站貨品數(shù)據(jù)庫(kù)，并由驛站管理員與驛站管理系統(tǒng)一并對(duì)驛站貨品信息數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以有效地節(jié)省大量貨物運(yùn)輸管理時(shí)間，并且可以使所需要記錄的驛站貨品相關(guān)信息完整準(zhǔn)確[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要分為控制模塊，ZigBee無(wú)線通信模塊，射頻模塊等。通過(guò)射頻模塊讀取快遞信息，再由無(wú)線通信模塊ZigBee技術(shù)與控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制模塊對(duì)快遞信息進(jìn)行錄入以及整理。

當(dāng)快遞進(jìn)入平臺(tái)射頻產(chǎn)品磁場(chǎng)后,硬件系統(tǒng)內(nèi)射頻模塊將自動(dòng)讀取到由轉(zhuǎn)寫(xiě)器控制驅(qū)動(dòng)主機(jī)發(fā)出的一個(gè)產(chǎn)品有關(guān)射頻磁場(chǎng)能量控制信號(hào),憑借通過(guò)射頻磁場(chǎng)感應(yīng)器的射頻電流所控制驅(qū)動(dòng)發(fā)出獲得的產(chǎn)品射頻磁場(chǎng)能量從而自動(dòng)發(fā)送或直接輸出當(dāng)時(shí)已經(jīng)存儲(chǔ)在平臺(tái)主機(jī)內(nèi)部芯片中央硬盤(pán)系統(tǒng)中的產(chǎn)品有關(guān)中央產(chǎn)品中的射頻能量信息,讀取轉(zhuǎn)寫(xiě)器通過(guò)主機(jī)讀取有關(guān)產(chǎn)品射頻信息并對(duì)其進(jìn)行射頻解碼后,通過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊發(fā)送至STM32W108控制芯片硬盤(pán)中央產(chǎn)品射頻信息處理系統(tǒng)中并同時(shí)進(jìn)行其他人的有關(guān)產(chǎn)品射頻信息數(shù)據(jù)處理。原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 控制模塊

控制模塊系統(tǒng)核心模塊控制核心芯片采用ST公司最新技術(shù)推出的完全實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互集成的一個(gè)HZSTM32W108系統(tǒng)核心控制級(jí)別的核心模塊芯片，該控制系統(tǒng)核心模塊芯片，其技術(shù)成本區(qū)別于其他2.4ghzsoc控制核心模塊芯片的主要技術(shù)成本。優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：1) 在始終能夠保持低功耗的技術(shù)成本優(yōu)勢(shì)前提下，采用了32位HZSARMCORTEX-M3處理器模塊作為整個(gè)控制系統(tǒng)核心,具有更強(qiáng)大的通信數(shù)據(jù)處理性和運(yùn)算控制能力。2) 控制核心模塊芯片內(nèi)部直接額外帶有一個(gè)8 dpa的射頻信號(hào)功放,發(fā)射功率最高精度可達(dá)+7 dbm,不再需要在外部添加射頻信號(hào)功放，就可以使其具有較大的通信網(wǎng)絡(luò)性和通信數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行距離。3) 核心模塊芯片內(nèi)部已經(jīng)固化了802.15.4 mac、ZigBee、Rf4CE等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,擺脫了WIFE、藍(lán)牙的傳統(tǒng)局限性。直接使用芯片內(nèi)部的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與射頻模塊進(jìn)行通信，傳遞速度更快，傳遞精準(zhǔn)度更高[2]。STM32W108的引腳定義如圖3所示。

圖3 STM32W108電路圖

2.2 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊利用STM32W108芯片內(nèi)部固化了經(jīng)過(guò)ZigBee Alliance認(rèn)證的ZigBee 2007Pro協(xié)議棧，通過(guò)屏蔽部分的寄存器，直接利用協(xié)議棧提供的API進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無(wú)線通信。ZigBee能在15 ms內(nèi)激活，時(shí)間延遲非常低，因此ZigBee能從在睡眠狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，將射頻模塊收集到的信息迅速地傳遞到主機(jī)中，控制模塊對(duì)信息進(jìn)行處理并發(fā)出命令。

2.3 射頻模塊

射頻芯片模塊主要設(shè)計(jì)采用以IMPINJ-R2000芯片模塊為主的超高頻數(shù)據(jù)讀寫(xiě)處理模塊，將文字?jǐn)?shù)據(jù)從射頻數(shù)據(jù)采集處理模塊中高速讀出，再經(jīng)由射頻無(wú)線通信控制模塊高速傳輸送到上位機(jī),存入系統(tǒng),完成數(shù)據(jù)處理的核心工作[3]。R2000芯片,其器件體積小,功耗低,所需最大輸入功率小,具有超高載波靈敏度，使用ALOHA防抖動(dòng)碰撞控制算法,具有超高載波抖動(dòng)抑制保護(hù)能力的超高頻數(shù)字讀寫(xiě)控制能力[4]。

2.4 功率放大模塊

功率放大模塊電路圖如圖4所示。IMPINJ-R2000芯片內(nèi)部自帶功率放大器，但輸出功率只有+5dBm，因此讀寫(xiě)距離無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。本讀寫(xiě)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了外部功率放大模塊，用來(lái)提高射頻電路的輸出功率，提高后的輸出功率最大約為+30 dBm，讀寫(xiě)范圍大大增加，能很好的滿(mǎn)足實(shí)際需求。

圖4 功率放大模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

選用C語(yǔ)言作為應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。系統(tǒng)軟件主要由六個(gè)模塊組成，分別是：快遞信息管理模塊，出入庫(kù)管理模塊，閱讀器閱讀管理模塊，設(shè)備及標(biāo)簽檢測(cè)模塊，庫(kù)存報(bào)警模塊和庫(kù)存信息查詢(xún)模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。根據(jù)用戶(hù)信息的不同，在用戶(hù)管理模塊有些不同，對(duì)于庫(kù)存管理模塊則完全相同。

3.2 防碰撞算法

當(dāng)有多個(gè)PICC(RFID電子標(biāo)簽)在PCD天線有效探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)將會(huì)發(fā)生沖突。此時(shí)運(yùn)行防碰撞程序，可確保每個(gè)PICC均能被準(zhǔn)確識(shí)別。假設(shè)在PCD的檢測(cè)范圍內(nèi)有N個(gè)數(shù)PICC，PCD可以檢測(cè)到它們序列號(hào)的沖突位，并通過(guò)發(fā)送防碰撞指令的方式使N-1個(gè)PICC保持屏蔽狀態(tài)，最后一個(gè)PICC得到發(fā)出全部序列號(hào)并與該P(yáng)CD保持通訊的權(quán)限，然后在PCD的控制下使該P(yáng)ICC處于幾秒鐘的HALT(暫停)狀態(tài)。至此，第一次防碰撞循環(huán)完成。依此類(lèi)推，經(jīng)過(guò)N-2次防碰撞循環(huán)即可完成其余N-1個(gè)PICC的讀操作。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié)論

本文利用RFID技術(shù)代替條形碼識(shí)別來(lái)提高快遞的識(shí)別效率,同時(shí)采用集成度較高的R2000讀寫(xiě)器芯片，該芯片功能強(qiáng)大，內(nèi)部集成了大多數(shù)的元器件，也是唯一具有載波抑制功能的讀寫(xiě)芯片，滿(mǎn)足了對(duì)產(chǎn)品小型化的需求。對(duì)在校園快遞管理背景下的快遞出入庫(kù)管理、清點(diǎn)、貨位統(tǒng)計(jì)、位置引導(dǎo)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì),證明了RFID技術(shù)在出入庫(kù)、清點(diǎn)等環(huán)節(jié)能夠提高作業(yè)效率,同時(shí)可以解決貨位、快遞單次出庫(kù)引起的問(wèn)題。利用RFID技術(shù)對(duì)貨品的掃描、查找、統(tǒng)計(jì)、查對(duì)都是自動(dòng)進(jìn)行,有效地減少了工作流程，提高了工作質(zhì)量。