基于RFID的智能仓储

物联网在物流行业中的应用系统设计郭守昊南京信息工程大学，南京210044摘要：射频识别技术在日常生活的许多方面都具有广泛的应用前景。可以说射频技术是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。目前国外已有很多文献报道，射频识别技术已经应用于多个领域，并表现出良好的性能。因此在国内，有着广阔的应用前景和价值，反映了当今通信研究领域的前沿。传统的仓库管理系统是通过人工记录单据的，这种方式费时费力还会有人为损失，并且劳动成本较高。随着企业的扩大，物品种类越来越多，因此市场竞争对仓库管理的要求也越来越高。近年来，物流业得到了快速的发展，处于物流中心环节的仓储系统，也随之加快了发展步伐。随着计算技术和自动化技术的快速进步，仓储系统已经向自动化、智能化方向发展。射频识别技术作为新一代自动识别技术，其具有显著的优势，在仓储管理中的应用得到了广泛的关注。本文详细分析了RFID技术，以RFID技术为核心,在分析仓储管理流程的基础上,提出了仓储管理系统的总体设计和功能设计,并论述了RFID定位计算方法，解决约束RFID系统快速读取的瓶颈，提高商品实时数据的采集，使商品的采购、仓储、配送过程更加便捷。本文以物流仓库为例设计了仓库管理系统中RFID系统的总体框架、系统组成和工作流程，对商业应用中大批量物品的识别和管理具有重要意义。关键词：RFID；自动识别技术；仓储管理系统；1绪论1.1RFID的简述物联网的理念在1999年提出的后，在世界范围内引起越来越高的关注。一般认为物联网是在计算机互联网的基础上，通过射频识别技术、传感网络技术等一些信息传感设备与互联网连接，从而从而实现货物的智能化识别和管理，在这个网络中，增强了人与物、物与物的联系。射频识别技术是属于物联网信息感知层中非常重要的技术。通过RFID系统，可以在无需人员的干预下，通过现有的网络技术、数据库技术、中间件技术等实现物品的自动识别和信息的互联与共享。自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条磁卡技术、IC卡技术、光学字符识别、射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、磁、物理、机电、通信技术为一体的高新技术学科。一般来讲，在一个信息系统中，数据的采集（识别）完成了系统的原始数据的采集工作，解决了人工数据输入的速度慢、误码率高、劳动强度大、工作简单重复性高等问题，为计算机信息处理提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段，因此，自动识别技术作为一种革命性的高新技术，正迅速为人们所接受。自动识别系统通过中间件或者接口（包括软件的和硬件的）将数据传输给后台处理计算机，由计算机对所采集到的数据进行处理或者加工，最终形成对人们有用的信息。在有的场合，中间件本身就具有数据处理的功能。中间件还可以支持单一系统不同的协议的产品的工作。完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统，应用程序接口或者中间件和应用系统软件。也就是说，自动识别系统完成系统的采集和存储工作，应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行应用处理，而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口包括数据格式，将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息并进行数据传递。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个阅读器和很多标签组成。1.2RFID的现状RFID技术涉及信息、制造、材料等诸高技术领域，覆盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和国际跨国公司都在加速推动RFID技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生数千项关于RFID的技术专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。按照能量供给方式的不同，RFID标签分为有源、无源和半有源三种；按照工作频率的不同，RFID标签分为低频、高频、超高频和微波频段的标签。目前国际上RFID应用以LF标签和HF标签为主；UHF标签开始规模生产，由于其具有可远距离识别和低成本的优势，有望在未来五年内成为主流；MW标签在部分国家已经得到应用。中国已经掌握HF芯片的设计技术，并且成功地实现了产业化，同时UHF芯片已经完成开发。目前RFID标签制造以蚀刻、冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜，随着新型导电油墨的开发，印制天线的优势越来越突出。RFID标签以低温倒装键合工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的标签封装工艺。中国低成本、高可靠性的标签制造装备和封装工艺正在研发中。RFID读写器产品类型较多，部分先进产品可以实现多协议兼容。中国已经推出了系列RFID读写器产品，小功率读写模块已经达到国外同类水平，大功率读写模块和读写器片上系统（SOC）尚处于研发阶段。中国在RFID应用架构、公共服务体系、中间件、系统集成以及信息融合和测试工作等方面取得了初步成果，建立国家RFID测试中心已经被列入科技发展规划。中国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。1.3RFID的发展趋势近年来，RFID技术已经在社会众多领域开始应用，对改善人们的生活质量、提高企业经济效益、加速公共安全以及提高社会信息化水平产生了重要的影响。根据预测，RFID标签技术将在未来2~5年内逐渐开始大规模应用。在未来的几年中，RFID技术将继续保持高速发展的势头。电子标签、读写器、系统集成软件、公共服务体系、标准化等方面都将取得新的进展。随着关键技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，应用和衍生的增值服务也将越来越广泛。芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度与可靠性更高，成本不断降低。芯片技术将与应用系统整体紧密结合。RFID标签封装技术将与印制、造纸、包装等技术相结合，导电油墨印制的低成本标签天线、低成本封装技术将促进RFID标签的大规模生产，并称为未来一段时间内决定产业发展的关键因素之一。RFID技术与条码、生物识别等自动识别技术、以及互联网、通信、传感网络等信息技术融合，构筑一个无所不在的网络环境。海量RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成和应用技术提出了新的挑战。RFID系统集成将向嵌入式、智能化、可重组方向发展，通过构建RFID公共服务体系，将使RFID信息资源的组织、管理和利用更为深入和广泛。2RFID系统组成及工作原理3.1RFID系统组成3.1.1阅读器读写器也称阅读器、询问器，是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时，读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器事件后再上传，以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将具备更加强大的前端控制功能，例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中，读写器将成为同时具有通讯、控制和计算功能的C3核心设备。3.1.2天线天线是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论，另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应用中，天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性，还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。3.1.3电子标签RFID标签俗称电子标签，也称应答器，根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，本文主要研究被动式RFID标签及系统。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64bits、96bits甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。3.1.4RFID中间件中间件是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、聚合和计算，抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控制请求。3.1.5RFID应用系统软件应用软件是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定，因此很难具有通用性。从应用评价标准来说，使用者在应用软件端的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。3.2RFID系统工作原理RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统,是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给电子标签,用以驱动电子标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成,感应偶合及后向散射偶合两种,一般低频的RFID大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。3基于RFID技术的仓储管理系统设计开发3.1仓储管理现状在长期的计划经济体制下，仓储业形成了以部门管理为主的管