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    超高頻RFID標簽可重用倉儲管理系統的設計

      信息來源:   發布時間:2021-12-28  點擊數:

    0 引 言

    與條形碼等傳統識別方式相比, RFID 標簽抗污染能力強、無須直接接觸、無須光學可視、無須人工干預即可完成信息輸入和處理, 操作方便快捷[1]。超高頻 (UHF) RFID標簽的感應距離遠、讀取速度快, 抗干擾能力強, 適當的條件下識別率高[2], 可識別運動物體并可同時識別多個標簽[3], 廣泛地用于物品追溯[4,5]、供應鏈[6,7]和人員跟蹤等。RFID技術能夠實現倉儲管理的快速入庫和出庫, 大幅度降低庫存盤點人力資源[8,9]。

    當前UHF RFID標簽的價格仍然較高, UHF RFID閱讀器價格昂貴, 這制約了RFID技術在中小型倉儲中的應用。通過對倉儲物品信息編碼, 入庫時關聯RFID標簽, 出庫后更新管理數據并解除關聯, 使RFID標簽得以循環重復使用, 降低RFID標簽使用成本;利用靜態字典編碼和線性表順序存儲在RFID閱讀器同步保存倉儲數據, 提高倉儲管理的靈活性。從而有效促進RFID技術在中小型倉儲領域內的規模應用。

    1 基于超高頻RFID標簽的倉儲管理系統

    如圖1所示為基于超高頻RFID標簽的倉儲管理系統, 它由倉儲管理數據庫和RFID系統組成, 包含RFID閱讀器對入庫/出庫物品信息采集和同步數據庫兩個過程。RFID系統由RFID標簽和閱讀器終端組成, 讀寫器和標簽都帶有天線, 閱讀器可以搜索一定范圍內的RFID標簽并通信。不同于低頻和高頻RFID的能量耦合, 超高頻無源RFID標簽采用反向散射方式工作[10], 標簽利用接收到的由讀寫器發出的射頻能量, 將編碼信息利用反向散射調制回去, 其工作距離較遠[11]。以Ti公司EPC Gen2標簽為例, 使用導電銀漿印制天線, 響應距離可達7米[12]。

    物品入庫時, RFID標簽粘貼于物品外包裝紙箱, RFID閱讀器讀取RFID標簽的EPC存儲區數據 (UII碼) , 建立RFID標簽和物品信息編碼關聯。物品出庫時, 回收粘貼于物品外包裝的RFID標簽, 便攜式終端讀取RFID標簽的EPC存儲 (UII碼) , 記錄出庫信息后同步數據庫更新庫存并解除該物品和RFID標簽的關聯。解除關聯信息后的RFID標簽備循環重復使用。

    圖1 基于超高頻RFID標簽的倉儲管理系統

    圖1 基于超高頻RFID標簽的倉儲管理系統  下載原圖


    倉儲管理數據庫作為倉儲管理的服務器, 通過USB連接RFID閱讀器實現數據同步, 將RFID閱讀器在物品入庫/出庫時采集信息及時更新管理數據庫。RFID閱讀器同步其出庫信息后, 解除RFID的關聯信息, 閱讀器上只保留倉儲庫存物品的標簽關聯信息。

    2 倉儲物品信息編碼

    物品信息編碼是RFID閱讀器存儲RFID標簽對應倉儲物品信息的基礎。通過對物品信息編碼壓縮, RFID閱讀器高效存儲數目龐大的入/出庫物品信息并同步管理數據庫。如表1所示, 為了完整地記錄入庫物品信息, 物品信息編碼包括類別、品名、入庫時間、出庫時間、貨位號、供貨方以及提貨方。

    表1 倉儲物品信息編碼 導出到EXCEL




    類別
    品名 入庫時間 出庫時間 貨位號 供貨方 提貨方

    8 bit
    16 bit 32 bit 32 bit 8 bit 16 bit 16 bit



    在物品編碼信息中, 類別的劃分是用于方便貨物分類存儲的;品名是物品的商品名稱, 是物流過程的統一名稱;入庫時間和出庫時間是分別對應入庫附加RFID標簽的時間和出庫移除RFID標簽的時間, 并據其分析入庫和出庫情況、統計倉儲和管理庫存;貨位號是物品堆碼的位置編號, 供貨方和提貨方分別表征物品入庫來源和出庫去向。

    2.1 靜態字典編碼

    字典編碼 (dictionary coding) 是文本壓縮的分支之一, 屬于無損壓縮。倉儲物品編碼信息中的類別、品名、供貨方和提貨方都是文本信息。由于倉儲管理的特點, 在入庫前入庫申請已進行相關信息的登記, 也就是說這些文本信息是管理數據庫預先知道的, 可以采用靜態字典編碼。

    具體的編碼方法是將管理數據庫中預先知道的文本信息如類別、品名、供貨方和提貨方分別按其字符串首字拼音順序排列, 構建成靜態字典, 字符串對應順序的編碼。如類別字典中的第一個條目為“安防器材”, 對應8比特二進制編碼為“0000 0001”。

    靜態字典條目的容量取決與編碼的長度, 8比特編碼最大可以包含255個條目, 16比特編碼最大可以包含65535個條目, 能滿足倉儲物品的類別、品名、供貨方和提貨方的編碼需求。當管理數據庫對靜態字典添加條目及其編碼, 只需要對RFID閱讀器進行同步更新編碼字典。

    2.2 時間壓縮編碼

    入庫時間和出庫時間包含日期和時鐘兩部分, 日期編碼為16比特, 時鐘編碼16比特。

    日期的編碼方式以過去的某一天為基準日, 將當前日期減去基準日來實現日期的編碼。如以2010年12月31日為基準日, 如果入庫日期為2011年3月1日, 則只需要存儲60;若編碼值為75 則日期為2011年3月15日。存儲16位時, 周期為179年201天。

    采用同樣的方法對時鐘進行編碼, 以0時0分作為基準, 當前時鐘減去基準時鐘來實現時鐘的編碼。如入庫時鐘為14時30分, 則存儲870;若編碼值為575, 則時鐘為9時35分。

    日期和時鐘各自使用16比特二進制編碼合并得到時間的編碼, 以2011年3月15日9時35分為例, 時間編碼的十六進制表達為“00 4b 02 3f ”。

    3 倉儲數據線性表順序存儲

    3.1 超高頻RFID標簽存儲特性

    目前超高頻無源RFID標簽廣泛使用EPC Gen2標簽, 它符合ISO/IEC 18000-6C標準, 使用規模大, 價格也相對較低。EPC Gen2標簽中, 16比特為1字, 其存儲器空間分為保留內存、EPC存儲器、TID存儲器和用戶存儲器四個存儲體 (見圖2) 。

    圖2 RFID 標簽存儲空間

    圖2 RFID 標簽存儲空間  下載原圖


    存儲體0是保留內存, 包含32位的滅活口令 (Kill Password) 和訪問口令 (Access Password) 。訪問口令保護標簽鎖存/解鎖操作, 滅活口令保護標簽滅活操作。

    存儲體1是EPC存儲器, 其自低地址往高地址依次為CRC-16、協議控制 (PC) 字和EPC字組。依據ISO18000-6C標準, EPC存儲器容量為128比特, CRC-16為16位冗余效驗碼, 協議控制 (PC) 字指示反向散射的物理層信息, 故可寫入數據區為EPC字組, 其容量為96bit。協議控制 (PC) 字和EPC字組合稱UII (Unique Item Identifier) 。

    存儲體2是TID存儲器, TID (Tag ID) 電子標簽永久不變的唯一標識號, 其內容只讀。

    存儲體3是用戶存儲器, 用戶存儲器內數據可讀可寫。不同標簽的用戶存儲器容量不同, 容量越大價格越高。通常在需要附加離線信息在標簽上時才選用較大的用戶存儲器標簽。

    3.2 倉儲數據線性表順序存儲

    RFID標簽不同于條形碼只標識到類別, RFID標簽可以標識到單品。RFID閱讀器存儲倉儲數據表包含RFID標簽的ID號 (UII碼) 和它標識的倉儲物品信息編碼兩個字段。

    由于倉儲管理是標簽循環使用的閉環應用場合, 可以利用RFID標簽EPC存儲區的可寫入特性, 以順序增計數編碼。這樣, 以順序排列的RFID標簽UII碼字段就可以省略, 從而使二維表可以以線性表存儲。而且, 由于倉儲物品信息編碼長度固定, 計算線性表中的偏移就可以讀取相應的記錄。

    4 倉儲管理系統RFID閱讀器

    可重用存儲管理系統中, 入庫關聯RFID標簽和出庫解除關聯是在RFID閱讀器上完成的。因而, RFID閱讀器是超高頻RFID可重用存儲管理系統中的關鍵設備。文中上節已述, RFID標簽標識的單一倉儲物品編碼信息是以線性表存儲在RFID閱讀器上, 對存儲空間進行物理地址讀寫來實現的。當前市售的基于操作系統Windows CE的RFID閱讀器價格昂貴, 其對存儲空間進行物理地址讀寫存儲線性表的效率低且實現機制復雜, 故而有必要設計一種不帶操作系統方便進行讀寫物理地址的RFID閱讀器, 用于該倉儲管理系統。

    RFID閱讀器在倉儲管理是具有鍵盤輸入和屏幕顯示的便攜式設備, 需要有必需的圖形用戶界面。μC/GUI是美國Micrium公司出品的一款針對嵌入式系統的優秀圖形軟件, 其源碼公開、可移植、可裁減, 穩定性和可靠性高, 故在本系統中采用了μC/GUI來設計RFID閱讀器的圖形用戶界面, 并在其框架下編程實現倉儲數據線性表順序存儲。

    倉儲管理系統RFID閱讀器的硬件系統組成如圖3所示, 倉儲管理系統RFID閱讀器由微處理器LPC1768、超高頻RFID模塊、32Mbit SPI Flash存儲和其他外設組成。LPC1768是NXP公司采用ARM新一代低成本、低功耗Cortex-M3核的32位微處理器, 內置512kB Flash存儲、64kB RAM以及8kB 引導存儲。為了能保存足夠多的存儲數據, 擴展32Mbit 串行Flash (如M45PE32) , LPC1768內置高速SSP口可以快速讀寫SPI Flash。LPC1768連接RFID模塊經天線實時讀取無源超高頻RFID標簽。讀取的標簽數據對應關聯的倉儲編碼信息, 經靜態字典解碼和時間解壓縮后, 標簽關聯物品信息在μC/GUI設計的用戶界面上顯示。

    圖3 RFID閱讀器的硬件系統組成

    圖3 RFID閱讀器的硬件系統組成  下載原圖


    5 結束語

    基于超高頻RFID的倉儲管理系統利用超高頻RFID標簽感應距離遠、讀取速度快的特點, 顯著提高了倉儲管理的效率。當前RFID技術大多部署在閉環應用場合, 中小型存儲管理系統是典型的閉環應用, RFID標簽可重復使用, 這樣就有效減低了倉儲管理系統的運行成本。

    信息編碼可以有效減少數據容量和提高存儲效率, 倉儲物品信息編碼壓縮成固定長度的序列, 使RFID閱讀器能夠高效存儲倉儲數據, 提高了倉儲管理的靈活性。通過將RFID閱讀器倉儲數據同步更新管理數據庫, 進一步提升了倉儲管理的效率和質量。

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