毕业设计（论文）-基于RFID的仓储系统设计(硬件).doc

III基于RFID的仓储系统设计（硬件）摘 要射频识别技术(RFID)，即利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，是从20世纪80年代发展起来的一项自动识别技术，是无线电技术在自动识别领域中的具体运用。近年来，RFID技术的研究和应用在世界范围内得到了快速发展。本设计采用了Nordic公司最新的低功耗无线射频收发芯片nRF24LE1，该芯片在一个极小封装（5mm5mm）中集成了包括2.4GHz无线收发天线、增强型51高速单片机、丰富的外设接口SOC芯片，性价比高，适合于各种2.4GHz无线应用产品的开发设计。本文的主要研究工作基于RFID技术的仓库管理系统的硬件部分的具体设计以及软件部分的简要介绍。系统的硬件电路主要分为电源、电子标签电路、阅读器电路、串口转换电路。该硬件系统在室内的传输距离可达3040米，室外的传输距离可达100200米。关键词：nRF24LE1，射频识别技术，阅读器，电子标签The Design of Storage System Based on RFIDABSTRACTRadio Frequency Identification (RFID), using radio frequency signal to implement non-contact information transmission through Spatial coupling and pass the message to identify the purpose of technology, 80 years from the 20th century, developed an automatic identification technology, radio technology in the field of automatic identification of the specific application. In recent years, research and application of RFID technology in the world has been rapid development.This design uses the nRF24LE1 of Nordics latest low-power wireless RF transceiver chip, integrated in a small package(5mm5mm), including 2.4GHz wireless transmission antenna, enhanced high-speed 51 MCU, rich peripherals and the interface of the SOC chip, Cost-effective, it is suitable for a variety of 2.4GHz product design and development.This paper describes the RFID-based warehouse management system, the specific design of hardware and software parts of the brief. The system hardware consists of power supply, electronic label circuit, reader circuit, serial conversion circuit. The hardware system in the transmission range of up to 30 40 meters, outdoor transmission range of up to 100 200 meters.KEY WORDS: nRF24LE1, radio frequency identification technology, reader, electronic tags目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 研究目的和意义11.2 课题的研究背景11.3 国内外的发展现状11.4 本课题的主要内容32 基于RFID仓库管理系统42.1 基于RFID技术的实际仓库管理系统42.1.1 入库流程42.1.2 出货流程42.1.3 移库移仓流程52.1.4 盘点流程52.2 功能设计52.2.1 入库52.2.2 出库72.2.3 盘点92.2.4 移库移仓流程102.3 实施方案102.3.1 仓库作业管理系统架构102.3.2 仓库作业管理软件系统结构112.3.3 中间件系统122.3.4 SCM系统与WCS接口132.4 该系统的设计方案142.4.1 基于RFID仓库管理系统的工作原理152.4.2 系统各部分介绍152.4.3 无源电子标签和有源电子标签的区别173 基于RFID仓库管理系统硬件设计193.1 nRF24LE1的系统结构特点203.1.1 nRF24LE1封装203.1.2 nRF24LE1功能和技术特点223.2 基于RFID仓库管理系统的电路设计233.2.1 系统供电电源233.2.2 标签和阅读器主要电路283.2.3 串口转换电路323.2.4 天线选型及匹配电路343.2.5 软件基本框图36致 谢37参 考 文 献38附录 总体电路图3939基于RFID的仓储系统设计（硬件）1 绪论1.1 研究目的和意义有源射频RFID是近年来兴起的热门技术，即利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。该技术应用于仓库管理，能够大大提高货物入库出库的管理效率，节约人力物力。随着单片机技术、互联网技术、物联网技术和芯片制造技术的快速发展，产品朝着网络化、小型化、多功能化的方向发展，便携性强、体积小、多功能的RFID阅读器必然是今后RFID技术研究的重点和热点。伴随着物联网技术的不断成熟和发展，RFID人员检测在物联网中的应用会有一个更好的前景并不断得到体现。我国目前也正在大力发展RFID技术，但是，和国外发达国家还有很大的差距，正处于起步阶段，特别在芯片研制、电子标签、阅读器系统上面还没有形成真正具有竞争力的自主产权的核心技术。本课题通过对RFID阅读器和标签的深入研究，寻求研制出性能和价格上都比较好的产品，并可以很方便的和物联网相融合。1.2 课题的研究背景现阶段，在仓库系统的内部，企业一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统来记录、追踪进出的货物，以人为记忆实施仓库内部的管理。对于整个仓库区而言，人为因素的不确定性，导致劳动率低下，人力资源严重浪费。同时随着货物数量的增加以及出入库频率的剧增，这种模式会严重影响了正常的运行工作效率。而现有已经建立的计算机管理的仓库管理系统，随着商品流通的加剧，也难以满足仓库管理实时性的要求。无线通讯网络的解决方案开始为越来越多的企业所关注，无线通信技术在解决了仓库管理操作人员的流动性问题的同时，实现了数据的实时传输。因此，我们把越来越多的目光集中在无线仓库管理系统的研究与开发上来。1.3 国内外的发展现状目前，欧美的RFID技术比较成熟，美国的TI、Intel等集成电路厂商都在该领域投入资本进行芯片开发，Symbel研发出同时可以扫描条形码和RFID的扫描器，IBM、Microsoft、HP、Oracle和Sun等巨头都在积极开发相应的软件及系统，并各自推出具有竞争力的产品。欧洲的Philips、STMicroelectronics等公司积极开发廉价RFID芯片，在相应的软件系统的开发上Checkpoint、SAP和Nokia等欧洲公司都投入了极大的热情。另外，亚洲的日本和韩国也在积极发展RFID技术并已有较大的成果。RFID技术在全球掀起了浪潮，但美中不足的是其标准也是种类繁多、互不兼容。目前全球主要有三大标准成三足鼎立的局面：欧美的EPC Global规范；日本的UID规范；ISO/IEC系列标准。我国的RFID标准的制定工作已经进入实质阶段，部分标准已经完成，目前在UHF频段的国家标准尚有待规划。作为全球的制造中心，中国将成为世界上最大的RFID应用市场，我国的RFID产业和应用虽然起步晚，但是经过几年的努力，现在芯片的设计已经国产化，我们已经具备自主开发低频、高频的RFID产品和各种读写设备的能力，目前与国外产品的区别主要在于RFID核心芯片、天线设计和应用经验等方面。目前，国内相关行业的RFID的试点已全面启动，如我国铁道部应用的中国铁路车号自动识别系统是目前亚洲最大规模的RFID系统，我国的第二代身份证技术将是当今全球最重要的RFID工程，江苏省推行的2008年全省高速公路全面实现不停车收费等等。与国际先进水平相比，中国在RFID芯片设计及应用方面的主要差距如下：（1）国外在RFID 芯片设计方面起步较早，并申请了许多技术专利，而国内起步相对较晚，尤其在 UHF 及微波频段的RFID芯片设计方面的基础比较薄弱，取得的自主知识产权较少；同时，一些目前广泛采用的 RFID 标准中包含了国外的技术要求及专利，在实现这些标准过程中有可能触及一些国外已有的技术及专利； （2）在存储器方面，发达国家已经开始采用标准 CMOS工艺设计非挥发存储器，使得 RFID 标签芯片的所有模块有可能在标准 CMOS工艺下制作完成，以降低生产成本，而国内目前仍主要采用传统的 OTP工艺或 EEPROM 工艺，关于标准 CMOS工艺下的非挥发存储器的研究刚刚开始；（3）在超低功耗模拟电路研究方面，国内研究较少，而这方面的设计将直接影响到芯片的阅读距离和整体性能；（4）RFID标签对成本比较敏感，芯片设计需要在模拟电路和数模混合电路设计方面具有丰富经验的专业人才，而国内目前从事射频识别芯片设计的人才较少，技术力量相对薄弱。现在国内外对此类系统的开发与研究也是很有实用性的，基本上能满足各企业的自身特点，来进行仓库方面的管理，同时，改类系统又都在不断地深入与发展，来适用更多的企业，一般都能运用于各个企业的仓库管理，但是都没有针对大众的广泛应用，只能运用某个企业或单位，这一点还有待于今后的进一步开发与实践。今后此类软件将会向条码仓库管理系统发展，现阶段，伴随物流及管理信息化、网络化的发展，应用条码技术进行仓库管理、实现仓库作业自动化，将是一个必然的发展趋势，也是需要迫切解决的一个现实问题。随着信息化技术的不断提高和应用的日渐普及，更多的商品拥有自己的条码，而且使用条码化工作代替传统作业模式，减少了手工输入，这样不但提高了作业效率，还能确保资料正确，并减少因人为失误所造成的损失。国内外建立仓库管理系统的几大好处：（1）技术应用于仓库管理是实现仓库管理自动化的有效途径仓库品种多，数量大。因此，要实现收发作业的快速、准确、高效，仓储管理自动化势在必行。而实现管理自动化的“瓶颈”则是产品信息的采集、输入。传统手工作业方式，在信息采集量加大的情形下，半因信息不能及时的反馈，给收发作业造成一定的困难。利用仓库管理系统，使用仓库信息管理系统进行作业，不仅可提高效率，降低作业强度，也将大大提高产品收发作业准确率，进而实现仓库管理的全面自动化。（2）技术应用于仓库管理对提高仓库作业效率有重要作用使用仓库管理信息系统，用于产品收、发、保管等全过程控制管理，不仅可改变信息采集的传统手工作业方式，降低作业强度，还可避免由此造成的各种差错，提高作业效率和科学管库水平。入库时，通常保管员根据产品上所反映出的册序号、出厂期、生产厂家、单价、封存（保管）期等信息，进行实物点验，同时信息录入到管理信息系统；出库时，保管员根据航材发付单内容，完成信息录入；清库盘点时，保管员可进行数质量等内容核对，并将采集的信息录入管理系统中进行自动盘点，生成清库对帐单等，完成清库盘点作业。（3）仓库管理是完善产品保障信息网络的重要手段储存产品信息是产品保障信息网络的重要组成部分，是做好产品供应保障工作的基础。产品保障信息网是实现物资储运全过程可视化的前提。目前，有些仓库内部局域网已经建成并投入使用，并与业务主管部门实现了信息沟通，仓库保障信息网在日常航材保障工作中实现了信息沟通，仓库保障信息网在日常产品保障工作中的作用日趋明显。同时，在软件系统的研发过程中，将会融入一种EPR的企业管理思想。大量的研究与实践已经充分表明，ERP作为一种现代企业管理的思想和方法，将其大力地推广应用就是有效的促使我国企业管理朝着更加科学化、合理化和规范化方向发展的一种具体方法和途径。另外，仓库管理的信息化和可视化，每个企业将会拥有两个仓库，一个是装满货物的仓库，还有一个就是管理系统里的数据库，对上万种货物分别编码，使其成为计算机可识别的语言，形象地说，货架上的号码就是货物的地址，从而避免了货物的分拣和提取时的翻箱倒柜式的查找。1.4 本课题的主要内容基于RFID的仓库管理系统由有源标签、读卡器、数据库构成。利用无线芯片及单片机实现有源标签和读卡器的硬件设计，组成基于RFID的仓库管理读写系统，能对仓库进出货物的标签进行读写，并通过串口与电脑调试器连接，记录于相关仓库管理的数据库。该读写系统集中体现了多功能、智能化、低成本等优点，范围大，具有实用价值。在仓库管理中，对读写系统，采用编程软件，基于Windows操作系统，编制出一套与计算机相兼容的智能读写软件，并应用于实际的仓库管理系统中。2 基于RFID仓储系统2.1 基于RFID技术的实际仓储系统2.1.1 入库流程（1）到货后入库前：货物到库后，操作人员在管理终端根据送货单据号查询到货物的相关信息（如品名、数量、供应商代码等），然后扫描到库货物上的编码，同时检验货物包装有无破损，系统随后检查送货单据的项目是否与实际到货相符。如果有不符合送货单据上的数据，系统将直接告警，仓库操作人员将拒绝收货；如果与入库单据相符，系统即给出相应的信息。同时需要将验收后的相关信息由RFID读写设备自动识别传送给WCS系统（仓库设备控制系统），并在SCM管理系统（供应链管理）中完成入库确认，同时打印入库单据。（2）货物入库后：入库的货物堆放由工作人员根据仓库库位放置情况来放置，堆放类型可以按点堆放、按批次堆放、分类堆放、按不同的厂商堆放、配套堆放等等。操作人员持终端，通过扫描货物标签、扫描仓位标签，记录位置（与货物信息关联），确认入库后将需要的库存信息同步到WCS以及SCM管理系统中。2.1.2 出货流程（1）货物出库前：采用RFID系统后，操作人员在RFID系统中根据出库凭证输入相关信息，系统进行查询到符合出库凭证的货品，符合要求的生成拣选单，含领料单号、拣选仓位、代码、箱号、目的地、整包装数量，仓位的拣选按照预先设定的规则自动指示生成图形界面提示，允许操作人员在系统中手工指定。（2）出库拣选：出库拣选的步骤，可以参照RFID系统的流程，这里要值得注意的是：不同的货物，可能单独包装，也可能按产品分类包装，或者是几个产品并盘。前者不需要拆箱或者分拣，直接发货出库即可；后面两种情况就要拆零和分拣后再发货出库。拆零和分拣无法彻底避免，这就要求RFID系统能够有效的控制被拆零和分拣的各个拆零单位的流向等信息（包括授权人员、操作人员、时间、原因等）。（3）出库确认：运输车辆到库提货时，操作人员进行出库检验，确认拣选货物与领料单或送货通知单是否一致，完成出库的确认工作；这里要求最后将需要的货物出库信息同步到WCS系统中，并在SCM系统中完成出库确认，并且打印出库单。2.1.3 移库移仓流程当一批货物出库配送工作完成接近尾声，库存不多时，又或收到下一批大宗货物入库通知时，需要进行移库移仓，腾出库位迎接新的货物到来。实际执行移库移仓，确认移库移仓操作的正确性也可参照RFID系统中的相关流程，需要RFID系统做到的就是能保存每次移库移仓的数据，并且要求能方便调用这些数据。2.1.4 盘点流程仓库盘点是按照常规的要求进行周期性的仓库获取清点工作，以便及时掌握库存货物的现状，所以盘点时，可以参照RFID系统的流程操作，只要求能根据操作人员的指令，生成各种不同的盘点结果报表，有盘盈盘亏、库存、仓位报表等等。另外还有针对每个工程项目的盘点，要求及时上报每批工程货物的进、出、库存、积压时间等信息。图2-1 实际解决方案示意图2.2 功能设计2.2.1 入库（1）按计划入库流程图2-2 按计划入库流程图（2）非计划入库流程图2-3 非计划入库流程图（3）流程说明（a）从SCM系统中获取单据数据或直接在WCS中输入入库单据数据；（b）入库验收及数据采集：到货时根据单号从管理终端手持机上调出需要验收的入库数据，因为采用的是每个托盘一个标签的方式，所以货物一验收完就可以分配给托盘，并将托盘标签与货物信息（单号、箱号等）建立关联；这样的话可以先扫描安装完标签后再码垛；换句话说，验收和装卸时装卸工可以在安置货物到托盘上时就完成验收的数据采集工作，从而代替手工信息录入。（c）不符提示：由于在验收时验收每个货物后分配托盘再扫描托盘标签建立关联，可能发生最终扫描的货物数量与送货单据不符的情况，这时需要提醒操作人员，操作人员可以根据提示作如下判断：实到数量是因为分批到货导致与计划不符，则操作员可以认为验收正确，继续下一步操作；操作人员在扫描时发觉标签扫描无反映，则重新扫描，或者更换标签；若发觉扫描的数量与目测不一致，则重新扫描或手工输入到货数量；非上述情况，则可以对这一批入库的货物进行检查；从系统中获取本批入库货物的托盘标签，一一进行检查，以排除操作错误产生的数量误差。未来可以考虑送货入库前即安装标签，将每次到货的标签编码数据事先传送到WCS系统中，通过门式阅读器快速读取数据，当扫描到的标签编码数据与传送过来的数据不同时直接报警提醒。（d）上架单生成：操作工配备手持终端或车载终端，按相应按钮系统终端上依据验收数据根据一定规则（如某库位只能存放某货物、或判断是否超过最大存放量等）生成入库指示单指示当前货物应该存放的库位（允许手工调整），当找到库位时指示叉车司机进行入库上架，然后在终端上进行入库确认。上架单是一个库位一条记录，所以入库单据上的一条记录可能会对应生成多条上架库位记录，记录了该货物在具体各个库位上的箱号、数量、客户、供应商等情况。（e）执行上架：考虑到仓库布局及工作人员操作的具体情况，如果是叉车司机进行入库确认，则上架时移动终端（手持或车载）会指示该批箱号具体库位位置、路线；如果另有操作工进行上架确认，则可以先通过手持终端扫描库位确认再指示叉车司机放入。存放时是按照产品类别存放还是按照配送目的地存放，在系统层面只不过是允许一个库位存放不同供应商相同产品或同一供应商不同产品甚至不同供应商不同产品而已，与RFID关系不大。（f）入库单据确认：当该单据该批到货货物全部上架入库完毕后，按“确认”按钮，WCS及SCM库存数据更新；若该单据货物到货全部完毕，则按“关闭”按钮关闭该单据。2.2.2 出库（1）按计划出库流程图2-4 按计划出库流程图（2）非计划出库流程图2-5 非计划出库流程图（3）流程说明：（a）从SCM中获取单据数据或直接在WCS中输入入库单据数据。（b）出库拣选生成：在终端上依据出库单号根据设定规则自动生成拣选单号，允许操作员指定出库库位。（c）出库拣选：操作工根据终端指定库位选取货物，先通过扫描库位标签确认库位正确，然后再扫描托盘标签确认托盘标签，如果托盘上是整包装货物，且该标签代表该包货物，则数量不须改动；若托盘上是拆零货物，则需要输入实际拣货数量。拆零的货物放入新包装箱后上架时，需要扫描新或托盘上的标签，与拣选单建立关联，原标签关联的数量被扣减。为了能在出库时能被自动扫描，分拣码垛需要码成两列的；至于层数则根据货物种类标准化。若扫描到的库位、货物标签与指示的不一致，则报警提示，重新选择其它库位或货物进行分拣，直至与指示一致。（d）拣选确认：若某库位拣选货物完毕，则该记录不再出现在拣选指示单中；拣选指示单中显示下一个该拣选的库位、托盘号、货物及数量。（e）出库检查：门口固定式扫描设备暂用于出库检查，通过安装在出库门口的读写设备及电子标签自动完成出库数据的采集，不符提示：若在出货过程中检测到不该出货的货物标签，则安装在各库门口的报警设备报警提示，进行相应处理；扫描到的标签数量与该种货物出库码放的标准化数据或分拣完的标签数量进行比对不一致，则同样报警处理，采取重读方式或手持机扫描方式或手工确认方式进行处理。每一单出货数量及品种必须与拣货单完全匹配，如最后存在不能匹配的拣货单，则通过红色来表示，可以方便查找、提示。（f）出库确认：出库的品种、箱号及数量与拣货单一致，则自动关闭该出库单（允许手工关闭）。2.2.3 盘点图2-6 盘点流程图（1）系统生成盘点单，可以分仓库、库区、库位等范围来生成盘点单，根据该盘点单号调出该盘点单，执行盘点主要含库位、货物代码、系统库存数量不显示；（2）根据库位顺序扫描库位、货物标签：将扫描到的标签标识的货物数量按货物代码累加与系统中记载的比较，允许在手持终端上手工录入盘点实际数量，凡是扫描过的标签做好纪录，防止重复扫描并处理；（3）根据盘点数据打印差异表：如果初盘发现数量出现错误，则需要过滤出不匹配的货物列表以便复盘；（4）根据差异表复盘：一般复盘需要手工盘点直至盘点数据得到认可；（5）开立调整单：调整WCS系统中的数据；调整SCM中的数据。2.2.4 移库移仓流程当发生移库工作时，按照下面移库操作流程进行所有工作。图2-7 移库操作流程图2-8 移仓操作流程2.3 实施方案2.3.1 仓库作业管理系统架构硬件系统由管理系统服务器、管理系统工作站、无线设备（无线AP）、RFID叉车车载设备、RFID手持设备、门式固定设备、货位RFID 标签以及货物RFID标签等组成。其中，RFID叉车车载设备以及RFID手持设备负责采集数据（可支持条码采集和RFID标签采集）；无线设备将采集到的数据传送给管理系统；条码打印机打印条码用于货物标识（本方案中不需要）；货位RFID标签每个货位一个，只用于作为货位标签，原料卡上的入出履历由系统来记载关联并查询（通过RFID叉车车载设备以及RFID手持设备可以现场查询）；货物RFID标签每个托盘一个，标示每个托盘的唯一性，并记录必要的货品信息，从而与系统内货品数据关联。图2-9 实际应用示意图2.3.2 仓库作业管理软件系统结构系统的软件结构由后端的管理信息系统、前端的移动系统和位于中间层的通讯传输系统、中间件系统、打印驱动系统构成。后端的管理信息系统负责整个仓储系统的管理和控制；中间件系统、手持系统完成采集数据的整理、格式转换和特殊的业务处理策略的执行；通讯传输系统完成数据从移动设备到后端的管理信息系统的传输和格式匹配；打印驱动系统为后端的管理信息系统提供驱动和控制打印机的功能（可视化要求）。此方案对后端管理信息系统并无特殊的要求，不要求后端系统的管理流程与其完全相符，只要后端系统的管理范围可以覆盖这两种工作流程即可。图2-10 系统业务流程架构2.3.3 中间件系统仓库系统管理软件采用原有SAP管理软件结合新WCS系统，系统中标签数据的读写、相关设备的控制以及与新仓库管理软件的数据接口通过采用国际先进的RFID中间件实现。RFID中间件采用三层结构体系，即虚拟硬件层、数据处理层和应用接口层。中间件方案架构模型如图：图2-11 方案架构模型（1）虚拟硬件层：通过虚拟硬件的方法实现对RFID硬件设备的参数设定和操作管理。这一层，RFID硬件控制器提供了对RFID阅读器以及其它RFID设备的控制。具体有以下一些功能：（a）支持RFID设备的在线和离线两种连接方式；（b）RFID硬件设备的驱动以及读写控制。（2）数据处理层：这一层实现了对数据的处理工作，对数据的处理工作通过RFID数据控制器来实现，RFID数据控制器的作用是：（a）从RFID硬件控制器读取标签数据；（b）将数据传送给RFID硬件控制器；（c）进行数据格式的转换、数据重组、过滤和分析等数据处理工作。（3）应用接口层：应用接口层是原有仓库管理软件与RFID系统交互的通道。这一层的服务有RFID 前置服务、应用集成服务以及EPC信息服务。它们实现的功能为：（a）RFID前置服务：为所有的RFID控制器提供支持，担当了所有RFID 控制器的主控制器功能；（b）RFID是整个RFID仓库管理系统的数据和网络连接的中心点；RFID前置服务也担负着对RFID管理系统的业务流程的监控的功能（类似于EJB对象对业务逻辑的监控）；（c）RFID前置服务也为用户提供了http以及数据检索等方法的支持；RFID也担当之于应用集成服务进行数据交互服务的功能。（4）系统优势：为仓库工作人员提供作业指导，提高作业效率；减少了人员的工作交接环节，通过权限管理每步操作都进行记录，责任更加明确。自动化了很多作业流程，即实现了无纸化办公，又降低了工人的工作强度和工作量；在库存盘点中，脱离单据提高盘点效率，并保证货物与仓位对应，提高正确率，并能在平时随时进行区域盘点；大大提高了备货，装船的效率和准确率，同时方便了海上平台的收货确认工作，为平台生产作业提供了可靠的保证；采购、仓库、平台三方之间实现了货品信息的共享和同步，可以对这些货品的使用信息等进行有效的追溯。通过货品（包括资产类的货品）的追溯，使对这些货品的管理水平上了一个台阶，可以查询各个资产的位置、使用情况等信息，以后可以为采购部门提供决策依据。2.3.4 SCM系统与WCS接口供应链管理（Supply chain management，SCM）是一种集成的管理思想和方法，它执行供应链中从供应商到最终用户的物流的计划和控制等职能。从单一的企业角度来看，是指企业通过改善上、下游供应链关系，整合和优化供应链中的信息流、物流、资金流，以获得企业的竞争优势。入出库流程是按照SCM系统与RFID系统间数据双向交流来描述的，若单向交流，则RFID系统从SCM获得确认的指令数据去执行，不将结果返回给SCM，只取决于SCM的权限开放程度及技术实现难度。（1）基于文件的数据接口：在SCM开发接口程序，然后制作定时任务，导出相关单据信息放到指定目录下的文件服务器，RFID WCS指定任务定时接收文件并导入（如果发生导入失败的情况，RFID WCS将导入时失败的数据生成文件放入文件服务器，SCM系统自动读取这个失败文件，添加入相应数据表做处理）。然后RFID WCS系统上进行仓库系统操作，并指定目录将完成的出入货单信息放到指定目录下的文件中，SCM端定时接受文件，并完成相关记录的SCM出入库操作，并将错误信息生成文件放入指定目录，RFID WCS系统可根据失败文件查询原因，并重新生成新文件导出给文件服务器让SCM接收，以确保单据最终能成功录入SCM系统。（2）无数据接口：对于不能从SCM中导入单据数据（比如先来领料再在ERP中补单），则先在RFID WCS系统中手工输入单据数据，然后再进行相关操作，同步调整列帐、实物库存数据；或者直接在RFID WCS系统中调整相应库位上的实物库存、列帐库存数据，同时记录相关单据信息（如单号、预留号等等）、调整的库位等信息，做好特殊标记，SCM系统补单后按自己的流程进行，不再交互数据。（这样的单据导入到RFID WCS系统中后会进行屏蔽处理，也不再回传）（3）与SCM系统的数据交换：需要与SCM系统达成关于数据内容、数据类型、格式、长度、交换方式等数据交换协议，具体另附文档。2.4 该系统的设计方案基于RFID的仓库管理系统主要包括两部分：阅读器、标签图2-12 仓库管理系统组成硬件部分标签的主要作用是附着于物体之上，内有物品的主要信息，负责出库入库时的信号发射；阅读器的主要功能就是负责接受标签的信号，并通过串口电路显示在计算机上。2.4.1 基于RFID仓库管理系统的工作原理RFID是无线射频识别(Radio Frequency Identification)技术的简写，指的是利用无线射频传输技术来存储数据和检索数据的过程，是非接触式自动识别技术的一种。一个典型的RFID 系统将一个带有独特电子商品代码的数码记忆芯片植入到单个物体上，接受设备能激活RFID标签，读取和更改数据，并将信息传输到主机上进行进一步的处理。RFID一般包括3个部分:发射装置(RFID标签)、读取传输设备和信息处理设备。该系统设计主要包括两个部分：标签、读卡器。标签和读卡器都是采用nRF24LE1无线收发芯片，标签采用有源RFID标签，内存有货物的基本信息，当出入仓库时，向读卡器发射信号，读卡器接受到信号后对货物的信息进行读/写记录。2.4.2 系统各部分介绍（1）RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag,transponder,responder），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阅读器之间的通讯。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标签进入阅读器的作用区域，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。 （2）阅读器也称读写器、询问器（reader,interrogator），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。阅读器是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阅读器的射频模块中转换为数字信号，再经过阅读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阅读器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时，阅读器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为阅读器事件后再上传，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。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，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，阅读器将成为同时具有通讯、控制和计算（communication,control，computing）功能的核心设备。 （3）天线（antenna）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。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。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。 （4）中间件（middleware）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阅读器发起操作并接收、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阅读器的阅读器事件进行过滤、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。（5）应用软件（application software）是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对阅读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。图2-13 货物出入库管理流程图2.4.3 无源电子标签和有源电子标签的区别据创羿科技市场分析师估计称，目前市场上80%为无源电子标签，不到20%为有源电子标签。电子标签可以分为有源电子标签(Active tag)和无源电子标签(Passive tag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。对于有源电子标签来说，根据标签内装电池供电情况不同又可细分为有源电子标签(Active tag)和半无源电子标签(Semi-passive tag)。（1）工作原理：有源电子标签又称主动标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器通讯所需的射频能量。半无源射频标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，本身耗电很少的标签电路供电。标签未进人工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达10年有效；当标签进入阅读器的读出区域时，受到阅读器发出的射频信号激励，进人工作状态时，标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅读器供应的射频能量为主(反射调制方式)，标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。无源电子标签（被动标签）没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。（2）特点：主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远（约在100米1500米），体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，能量耗尽后需更换电池。例如：CY-RMZ-206、CY-RMZ-208、CY-RMZ-210。无源电子标签在接收到阅读器发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近（约在130)，也称为无源标签。例如：CY-RMZ-209。总体而言相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。本系统采用nRF24LE1无限收发芯片，阅读器与标签的外围电路基本相同，主要有晶振电路、天线及阻抗匹配电路、防干扰电路。3 基于RFID仓库管理系统硬件设计nRF24LE1在尺寸方面超过了以前的超低功率（ULP）系统芯片（SoC）：它把产业界中最好的2.4GHz收发器核（nRF24L01+）和一个8位混合信号微控制器与闪存集成在一块芯片上，用于超低功耗无线系统。这个独一无二的芯片使用QFN封装，尺寸为44mm，是目前尺寸最小的单片超低功耗无线解决办法。对于迅速发展的超低功耗无线市场，nRF24LE1是理想的芯片，因为它能够在一块芯片上运行RF协议堆栈和应用层。挪威奥斯陆2008年9月9日Nordic半导体推出nRF24LE1，这是2.4GHz的超低功耗无线系统芯片，用这个办法时，只需要一块芯片就可以实现无线应用系统。用于超低功耗无线通信的系统芯片在nRF24LE1中，集成了一个功能齐全的2.4GHz收发器核nRF24L01+，并且包含Nordic公司经过实用证明的Enhanced ShockBurst型硬件链接层。nRF24LE1的最大电流很小（最大发射电流约为80mA，最大接收电流为15mA），可以用钮扣电池供电，真正地实现了超低功耗。在nRF24LE1中，还有一个加强型8051混合信号微控制器核，与以前的8051器件相比，它执行一条指令的时钟周期较少。大多数指令只需要一个或者两个时钟周期，因而按照MIPS（每秒百万条指令）测试标准，它的性能平均提高了8倍。这个优异性能与芯片上的16KB闪存和1KB的SRAM结合起来，保证了这个处理平台足以运行RF协议栈和应用层，而且运行起来十分容易。支持RF协议栈的外设很多，而且RF协议有很多省电的工作模式。32kHz的超低功耗晶振的时间精度很高，用于报告频率低的同步协议，它还有一个16MHz的阻容振荡器，因而在闲置状能的启动速度很快。32kHz的振荡器的时间精度很高，足以满足报告频率较高的协议使用，不需要在外面另外使用晶振。一个安全协处理器支持AES加密无线通信。nRF24LE1在闲置模式时，消耗的电流只有毫微安和微安的数量级，这是针对超低功耗射频协议栈而设计的。它的其他优点是：协议的时间精度较高，功耗较低，提高了共存的性能。对于应用层，nRF24LE1有一组丰富的接口和外设，其中包括一个SPI接口、2线接口、UART、12位AD转换器、PWM和一个模拟比较器。因此，对于无线应用系统，包括鼠标器、键盘、摇控器、游戏机控制器、运动传感器和保健传感器、玩具以及有源RFID 标签，nRF24LE1是很适合的单片芯片。可供选用的封装nRF24LE1有三种封装的产品供选用。尺寸只有4x4mm 的24引脚QFN封装是目前最小的超低功耗单片芯片，它有七个可编程通用I/O引脚。对于需要较多I/O引脚的应用系统，nRF24LE1有尺寸为5x5mm、使用32引脚QFN封装的产品，它有15个通用I/O引脚；还有尺寸为7x7mm 的48脚QFN封装的产品，它有29个通用I/O脚。开发工具有很多开发工具可以用于nRF24LE1。其中包括第一部份与Nordic半导体全新的nRFgo评估和开发平台兼容的开发工具。这个开发平台的核心是nRFgo开发工具(nRFgo Starter Kit nRF6700)，它是通用的评估和开发平台，用于Nordic半导体的所有超低功耗2.4GHz射频系统。nRF24LE1开发工具中包含射频模组和一个完整软件开发工具（SDK），与nRFgo开发工具相互补充。在开始使用nRF24LE1时，设计人员需要nRFgo开发工具，也需要nRF24LE1开发工具。不过，Nordic半导体随后推出的产品也与nRFgo开发工具兼容，所以用户将来只需要购买与这些产品有关的nRF24LE1开发工具。NRFgo开发工具是开发超低功耗应用系统的理想平台。它里面有两块主机板，使用标准插座，供Nordic的射频模组使用，还有一组丰富的标准接口和设计样机的装置。主机板支持Nordic半导体的nRFProbe这是功能齐全的高性能硬件调试器，用于Nordic的射频装置，用于Nordic公司内含微控制器的射频芯片，例如nRF24LE1。在里面的nRFgo Studio PC软件包也可以很快、很容易地对射频进行评估和测试。nRF24LE1开发工具有三种版本，分别用于各种封装的芯片。这些软件开发工具（SDK）完全支持KeilVision IDE，其中包含一个插口，供nRFProbe硬件调试器使用。固件开发人员可以运用HardwareAbstraction Layers库和完整的应用实例，因而更容易地利用nRF24LE1的先进功能。3.1 nRF24LE1的系统结构特点挪威半导体公司的nRF24LE1芯片具有以下特性：（1）nRF24L01+ 2.4GHz射频收发（250kbps，1Mbps，2 Mbps空中速率）；（2）高速处理器（8051指令兼容）；（3）16KB代码空间（片内Flash）；（4）1KB数据空间（片内RAM）；（5）1KB NV非易失存储器空间；（6）512字节NV非易失数据存储（扩展寿命）；（7）AES硬件加密解密；（8）1632位乘法/除法协处理器（MDU）；（9）612位ADC；（10）高度灵活的I/O口；（11）为低功耗设计的多种电源模式；（12）多种QFN封装形式：4mm4mm QFN24，5mm5mm QFN32，7mm7mm QFN48；（13）支持硬件调试；（14）硬件支持固件更新。3.1.1 nRF24LE1封装nRF24LE1芯片有多种封装形式，包括QFN24、QFN32、QFN48。其中，QFN24是目前尺寸最小的单片超低功耗无线解决办法。本课题研究采用的是5mm5mm QFN32封装的nRF24LE1芯片，其引脚功能齐全，具有的功能齐全，将来有很大的发展空间。图3-1 nRF24LE1（QFN32）实物图图3-2 nRF24LE1（QFN32）引脚图3.1.2 引脚功能介绍表3-1 nRF24LE1引脚功能介绍名称类型说明VDD正电源直流+1.9+3.6V输入VSS电源地0VDEC1 DEC2电源退耦输出电源退耦输出（100n