基于射频识别技术在嵌入式仓储物流管理中的研究

2021-12-04 13:24| 发布者: www.daoteng56.com/| 查看:

摘要: 为了提高仓储物流的信息化水平、降低物流成本、为上下游企业提供良好的物流服务, 该文研究在嵌入式仓储物流管理中的射频识别技术。首先研究射频识别技术, 包括系统组成、工作原理和关键技术;然后研究实际应用, 包括物品监控、物流控制、便携式数据采集、移动载体定位、扩展应用等。结果表明, 射频识别技术 ...
仓储物流, 是以满足供应链上下游的需求为目的, 在特定的有形或无形场所、运用现代技术对物品的进出、库存、分拣、包装、配送及其信息进行有效的计划、执行和控制的物流活动。随着物流向供应链管理的发展, 企业越来越多地强调仓储作为供应链中资源提供者的独特角色, 实现了仓库向配送中心的转化。仓储在物流和供应链中的角色可以概括为[1]:是物流与供应链中的库存控制中心, 是物流与供应链中的调度中心, 是物流与供应链中的增值服务中心, 还是现代物流设备与技术的主要应用中心。
供应链一体化管理, 是通过现代管理技术和科技手段的应用来实现的, 这种应用更多地体现在仓储。流程管理、质量管理、逆向物流管理等手段提高了仓储效率, 促进了供应链的一体化运作, 而软件技术、互联网技术、自动分拣技术、光导分拣、射频识别技术、声控技术等先进的科技手段和设备的应用, 为提高仓储效率提供了实现条件[1]。嵌入式技术虽然已经有了近30年的发展, 但近几年才得到广泛的应用。嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”, 是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪, 适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。射频识别技术作为嵌入式技术的一个研究方向, 在仓储物流中的应用将会越来越广泛。

1 射频识别技术

射频识别技术 (RFID, Radio Frequency Identification) , 是一种非接触式自动识别技术, 通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[2]。与传统的识别方式相比, 无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理, 具有操作方便快捷、存储数据量大、保密性好、反应时间短、对环境适应性强等优点, 已广泛应用于工业自动化、物流和交通运输管理等领域, 成为当前IT界研究的热点技术之一。

1.1 RFID系统组成

最基本的RFID由三部分组成, 标签、阅读器和天线。但为了将读取的数据传输、保存和处理, 通常RFID还包括两个辅助部分, 中间件和计算机系统[3]。系统组成结构如图1所示。

1) 标签:

俗称电子标签, 也称应答器, 由标签芯片和线圈组成, 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。标签中存储一个唯一编码, 通常为64bits、96bits甚至更高, 地址空间远高于条码能提供的空间, 可以实现单品级的物品编码。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。
图1 RFID系统组成图1 RFID系统组成  下载原图
 

2) 阅读器:

也称读写器、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, 是RFID系统中最重要的基础设施。未来的阅读器呈现出智能化、小型化和集成化趋势, 还将具备更加强大的前端控制功能。在物联网中, 阅读器将成为同时具有通讯、控制和计算 (Communication, Control, Computing) 功能的C3核心设备。

3) 天线:

是RFID标签和阅读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。一类是标签天线;另一类是阅读器天线, 既可以内置于阅读器中, 也可以通过同轴电缆与阅读器的射频输出端口相连。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。

4) 中间件:

是一种面向消息的、可以接受应用软件发出的请求、对指定的一个或者多个阅读器发起操作、接收、处理后向应用软件返回结果数据的软件。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、异构信息环境下的业务信息和管理信息的协同。

5) 计算机系统:

是整个RFID系统的信息管理中心, 由硬件设备、网络设备、数据库管理系统、软件系统等组成。其中硬件设备包括客户端、服务器及其它计算机辅助设备;网络设备是将计算机组合在一起构成网络系统的设备;数据库管理系统是数据的存放中心和处理中心;软件系统是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面, 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。

1.2 RFID工作原理

阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号;当RFID标签进入阅读器工作场时, 就可以根据电感耦合原理或电磁反向散射耦合原理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, 如果电流强度超过阈值, 将激活RFID标签芯片电路, 对标签芯片中的存储器进行读/写操作, 微控制器还可以加入密码或防碰撞算法等复杂功能。阅读器接收到来自标签的载波信号, 通过天线进入射频模块中转换为数字信号, 再经过数字信号处理单元进行必要的加工整形, 最后从中解调出返回信息, 完成对RFID标签的识别或读/写操作;对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理;计算机系统根据逻辑运算判断标签的合法性, 针对不同的设定做出相应的处理和控制, 发出指令信号;RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑, 控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其它操作[4]。很多阅读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。

1.3 RFID关键技术

RFID应用的前提, 是解决好RFID的关键技术。RFID关键技术主要在以下几个方面[3,5]:
1) RFID系统集成与数据管理。RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术, RFID应用系统中间件技术, 海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。
2) RFID检测技术与规范。面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范, 标签与阅读器之间空中接口一致性检测技术与规范, 以及系统解决方案综合性检测技术与规范等。
3) 多目标识别技术。当阅读器信号作用范围内存在多个标签, 同一时刻有两个或两个以上的标签向阅读器返回信息时, 将产生冲突。传统无线电技术已有空分多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法等方法来解决类似问题。
4) 标签的能量供应。有源标签自带电池, 用于给数据载体供电;无源标签所需能量从射频电磁波束中获取。和有源射频识别系统相比, 无源系统需要较大的发射功率, 射频电磁波在标签上经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理, 转化为标签工作所需的工作电压。
5) 数据传输的安全性和完整性。由于数字信号在传输过程中会受到干扰, 传输到接收端后可能发生错误判决, 为了保证数据的完整性, 可以使用校验法来识别传输错误, 并进行校正操作。最常用的方法是奇偶校验以及冗余校验。

2 实际应用

在仓储物流管理中, RFID应用非常广泛, 总结起来, 主要分为5大类应用[6]。由RFID构成的整个应用系统如图2所示。
图2 RFID在仓储物流管理中的应用图2 RFID在仓储物流管理中的应用  下载原图
 

2.1 物品监控

在物品的出入口设置RFID阅读器, 当未被授权的人或物品经过出入口时, 系统发出警告, 起到监控物品的作用。当物品被合法移出经过出入口时, 通过计算机系统的处理程序, 系统不发出警告, 使监控功能失效。这种方式最广泛的应用就是防止物品被盗。物品不用锁在任何橱柜里, 客户可以自由查看, 也节省了仓库看管人员及工作量。

2.2 物流控制

在物流仓库的特定区域安装若干个RFID阅读器, 阅读器直接与计算机系统相连, 当带有电子标签的物品或人通过阅读器工作场时, 阅读器自动扫描标签, 并把标签上的信息自动输入到计算机系统存储, 供分析、统计、处理, 达到物流控制的目的。这种方式最广泛的应用就是仓储物品移库。

2.3 便携式数据采集

采用RFID阅读器的便携式数据采集器方式, 采集电子标签上的数据。这种应用适用于不宜安装固定的阅读器, 使用方便快捷灵活。在读取标签上信息的同时, 可以将数据直接传送到计算机系统;也可以将数据暂时存放在阅读器中, 批量地向计算机系统传送数据。这种方式最广泛的应用就是仓储物品盘点。

2.4 移动载体定位

电子标签安装在移动载体上 (车、船、人等) 。RFID阅读器可以安装在移动载体上, 也可以是固定或便携。通常是电子标签存储有位置识别信息, 阅读器通过无线或有线的方式与计算机系统相连。可以在固定时间、指定时间、任意时间将移动载体的位置信息和载体相关信息传送到计算机系统。这种方式最广泛的应用就是对移动载体的调度和管理。

2.5 扩展应用

物联网是在互联网基础上, 将用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间, 进行信息交换和通信的一种网络概念。通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备, 按约定的协议, 把物品与互联网相连接, 进行信息交换和通信, 实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念[7]。仓储物流是物联网的组成部分之一, RFID是物联网的主要技术。在物联网发展的初始阶段, RFID电子产品标签的应用将非常广泛, 为每一产品建立全球的、开放的标识标准。

3 结束语

应用射频识别技术, 通过阅读器接收物品或物流载体信息, 并对其进行监控和跟踪, 为建立现代化的仓储物流, 实现数据自动采集和传输提供了方便。电子标签可带有微处理器, 具有读写能力, 携带大量数据, 并可对数据进行加密, 实现了智能化管理。目前, 射频识别技术尚处于起步阶段, 具有可靠性、安全性、方便性, 非常适合在嵌入式仓储物流管理中应用。本文研究的RFID及其在仓储物流中的应用, 对于仓储物流的研究、管理及信息化工作具有重要的参考价值。