基于RFID的便携式仓库管理终端设计

仓库管理是物流当中的一个重要环节，也在企业的整个管理流程中起着非常重要的作用，如果不能保证及时准确的进货、库存控制和发货，将会给企业带来巨大损失，这不仅表现为企业各项管理费用的增加，而且会导致客户服务质量难以得到保证，最终影响企业的市场竞争力．随着企业规模的不断扩大，仓库管理的物资种类、数量在不断增加，出入库频率剧增，仓库管理作业也已十分复杂和多样化，传统的人工仓库作业模式和数据采集方式已难以满足仓库管理的快速、准确要求，严重影响了企业的运行工作效率，成为制约企业发展的一大障碍．射频识别技术的应用可以改善目前仓库管理的现状．射频识别(RFID)技术是利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术，与目前广泛使用的条形码技术相比拥有很大优势[1]．在仓库管理中，它具有信息获取和信息录入功能，通过自动获取项目标识信息并且不使用键盘即可将数据实时输入计算机、程序逻辑控制器或其他微处理器控制设备． 

1 系统简介 

文中介绍的便携式仓库管理终端是基于RFID的仓库管理系统的一部分．基于RFID的仓库管理系统是在现有仓库管理中引入RFID技术，对仓库到货检验、入库、出库、调拨、移库、库存盘点等各个作业环节的数据进行自动化的数据采集，保证仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性，确保企业及时、准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存．通过科学的编码，还可方便地对物品的批次、保质期等进行管理．利用系统的库位管理功能，更可以及时掌握所有库存物资当前所在位置，有利于提高仓库管理的工作效率．该系统的硬件组成包括：管理服务器、打印机、便携式终端、无线设备和射频标签，该系统组成如图1所示． 

管理服务器运行仓库管理软件，负责仓库信息数据库的集中管理与维护，以及进货计划、出库计划的制定和指令下达，对库存货物进行查询、盘库，打印生成各种管理报表．本管理软件是在Windows XP系统中采用VB 6．0开发的．便携式终端具有接受作业指令、确认作业位置与作业货物是否准确、返回作业实况等功能，可以通过基于IEEE802．1lb协议的无线局域网与管理服务器进行数据的实时传输．例如，持便携式终端的工作人员接受到管理服务器的入库指令，可对要入库的货物进行扫描，读取标签上的货物信息，然后扫描货物所在的库位标签，将2者的对应信息实时传输到管理服务器． 

本系统采用IEEE802．1 lb无线局域网，利用无线接入点、无线路由器等设备覆盖整个仓库作业区，实现作业数据实时传输．每个便携式终端相当于网络中的一个节点，管理服务器作为中心结点．一在物品入库时，给每个库存管理物品贴装射频标签，该标签为货物标签．贴放标签的物品应该是整托盘、整箱或便于安装标签的大件物品．在进行库房作业时，读取标签的编号，确定作业物品是否正确．为了节省运行成本，货物标签设计成可重复使用．在货物出库时取下，送到入库处再重新使用．还需要给每一库位贴装射频标签，该标签称为库位标签．在进行库房管理作业时，读取该标签编号就可判定当前作业的位置是否正确[2]． 

2 硬件设计 

2．1 总体设计 
便携式终端的硬件设计包括主控制部分和射频部分．主控制部分采用ARM微控制器作为核心，用sT公司的STR710FZ2T6芯片来实现，外部存储器有5l2 K x 16的SRAM和1 M x 16的FLASH，使用USB主机接口接入无线网卡实现无线通信功能，同时还集成了RS232接口、键盘和LCD等功能．射频部分使用NXP公司的MFRC500芯片，连接天线模块，用来读取射频标签的信息．系统的硬件总体设计如图2所示． 

2．2 主控制部分设计 
主控制部分以STR710FZ2T6芯片为核心，外围包括存储器、USB接口、RS232接口、键盘和LCD等. STR710FZ2T6芯片基于ARM7TDMI核心，拥有丰富的外设和增强的I／O功能，片上集成有256+l6 K的FLASH和64 K的RAM，满足低功耗、高性能的嵌入式系统应用．该芯片拥有可以寻址4个存储器段的外部存储器接口(EMI)，支持SRAM、FLASH和ROM等多种存储器类型，同时支持多种启动方式．

系统及I／O接口采用3．3 V电源供电，内核采用内嵌的1．8 V电源稳压器供电．它使用0～16 MHz的外部主晶振和32 kHz的外部备用晶振，在内部FLASH中运行代码时可以达到50 MHz时钟频率，具有4种低功耗模式：SLOW、WFI、STOP和STANDBY．系统软件要实现无线通信、射频识别等功能需要较大存储空间，STR710FZ2T6芯片内的64 K  RAM满足不了要求，需要扩展一片SRAM，同时可以支持txCLinux操作系统的运行．SRAM采用ISSI公司512 K × 16 的IS61 LV51216，它通过STR710FZ2T6的nCSI信号选通．为了存储固化的为了便携式终端能够接人无线局域网和主机通信，设计中使用了现在技术比较成熟的USB接口无线网卡．STR7IOFZ2T6芯片上带有USB设备接口，但是为了实现控制无线网卡需要USB主机接口，这就要用外接芯片SL811HS来实现．SLS11HS是CY—PRESS公司生产的、可支持全速数据传输的USB控制芯片，内含USB主／从控制器，支持全速和低速数据传输，并能自动识别低速或全速设备．SLS11HS所提供的接口遵从USBI．1标准，可与微处理器、微控  制器、DSP相连，也可直接与ISA、PCMCIA及其他总线相连．内部有一个256字节的RAM，可用做控制寄存器或数据缓冲器．SLS1 1 HS的复位引脚是对芯片的状态进行复位，包括了对芯片内部寄存器值的复位，实现该操作不需要读写接口芯片内部寄存器，只需向接口芯片的复位引脚输人一个有效的复位脉冲即可．SLS11HS可以使用12 MHz和48 MHz 2种晶振，为了提高电路的稳定性，这里使用了48 MHz晶振．电路连接如图4所示． 

程序和数据，需要扩展一片FLASH，可以通过JTAG接口从主机向里面下载程序．FLASH采用SST公司的SST39VF1601，大小为1 M × 16，通过STR7IOFZ2T6的nCSO信号选通．RS232接口使用了MAX3232芯片来实现电平装换，它用来调试时和主机串口通信，也作为无线通信之外和管理服务器通信的备用；键盘用来操作出库、人库和移库等各种任务的选择；LCD用来显示读取到的射频标签上的信息，采用1 602字符型  LCD，因为STR710FZ2T6芯片没有LCD驱动功能。电路设计中加人了SN74F04N和74LVC245来实现对LCD的驱动． 

2．3 射频部分设计 
该部分包括射频芯片和天线模块，射频芯片使用NXP公司的MFRC500，该芯片工作于13．56MHz，利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13．56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443A标准的所有层．内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离操作的天线，可达到100 mm．MFRC500支持不同的微控制器接口，一个智能的自动检测逻辑可以自动适应系统总线的8位并行接口，使用信号NCS进行片选．要使用独立的地址和数据总线与微控制器相连，必须将ALE引脚置高．要使用复用的地址和数据总线与微控制器相连，必须将ALE引脚连接到微控制器的ALE引脚．这里使用了复用的地址和数据总线．STR710FZ2T6芯片的低8位数据总线连接MFRC500的8位并行接口，P2．12管脚连接MFRC500的NCS用来片选，CKOUT管脚连接MFRC500的ALE管脚用来完成地址锁存功能．

MFRC500的RSTPD引脚接高电平时复位内部电路，晶振停止工作，内部输入管脚和外部电路隔离，在下降沿时触发内部复位程序[3.4] ． 

整个天线系统包括3部分：射频芯片上的接收电路、滤波和电阻转换电路、天线线圈及其匹配电．MFRC500的天线接口使用了4个管脚：TX。、TX 、RX和VMID．为了驱动天线MFRC500通过TX．和TX，提供13．56MHz的能量载波．根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号．射频标签采用RF场的负载调制进行响应．天线接收的信号经过天线匹配电路送到RX管脚．MFRC500的内部接收器对信号进行检测和解调，可以按需要设置寄存器进行相应的处理．然后处理过的数据通过8位并行接口发送到微控制器，由它来负责进一步处理． 

VMID用来提供参考电压．滤波和电阻转换电路用来8位并行接口发送到微控制器，由它来负责进一步处理．VMID用来提供参考电压．滤波和电阻转换电路用来抑制高次谐波并优化到读卡器电路的功率传输．电路连接参见图5所示．为低通滤波器，用于滤除13．56 MHz的3次和5次谐波分量．则组成匹配电路． 主要用于耦合卡负载调制信号， ∞为分压器，VMID管脚的电压可为 管脚提供一个参考电位．射频芯片的工作距离主要由天线的大小及匹配电路的修正值所决定．天线本身是一个低电阻的器件，将天线线圈连接到MFRC500需要一个匹配电路．通过估算天线的等效电路和计算品质因子可以得出匹配电路的电容推荐值．为了提高天线性能，减小系统体积则单独设计一块PCB天线． 

3 软件设计 

软件的总体结构如图6所示．采用U—Boot软件来开发系统的Bootloader，进行硬件初始化和引导操作系统．STR710FZ2T6运行的所有软件模块都是基于p~CLinux操作系统的．用户接口模块包括2部分，分别完成LCD显示和扫描键盘输入的功能．编写USB设备驱动和射频芯片驱动，分别完成控制无线网卡与管理服务器通信和射频数据传输． 

在整个软件结构中最主要的部分就是射频数据的传输，在实际应用中防碰撞算法应重点考虑．射频数据传输的软件框图如图7所示．在与服务器的无线通信时，为了保证数据传输速度与数据的正确性，可以将数据分块传输．在数据传输时，可以在分块的数据中添加块校验，这样可以及时发现错误．便携式终端接收到分块的数据并进行校验后，将数据存放在存储器中，并判断数据是否接收完毕． 

4 结束语 

随着集成电路、信息安全和网络通信技术的发展，RFID逐渐进入商业化应用阶段．文中介绍的便携式仓库管理终端采用基于ARM7TDMI核心的STR710FZ2T6芯片所设计，可以应用于仓库管理系统，实现仓库的智能化管理，提高库存管理的效率． 

参考文献： 
[1]陈大才．射频识别(RFID)技术[M]．北京：电子工业出版社．2001． 
[2]沈宇超，沈树群．射频识别技术及其发展现状[J]．电子技术应用，1999(1)：35—38． 
[3]李鹏，成理．基于MFRC500型读卡器的无源RFID系统设计[J]．国外电子元器件，2004(4)：20—23． 
[4]游战清．无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M]．北京：电子工业出版社，2004．

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