基于RFID的仓储管理系统实现关键技术

摘 要 无线射频识别 Radio Frequency Identification RFID 技术是一种非接触 式的自动识别技术 与早期的自动识别技术相比 RFID 技术因其特有的非接触 性以及对多个目标同时识别的特性 正逐渐被广泛地应用在物流 交通和防伪 等多个领域 传统的仓储管理 一般依赖于一个非自动化的 以纸质文件为基础的系统 来记录和跟踪进出的货物 这种人工操作方式会导致仓储管理效率低下 人工 录入错误较多等问题 为了弥补传统仓库管理系统的不足 我们设计并实现了 基于 RFID 的仓储管理系统 同时 针对 RFID 系统的数据存储和检索问题 我 们借鉴了文献 1 中的数据压缩技术 实现了 RFID Cuboids 数据仓库结构 本文首先介绍了 RFID 技术的相关知识 然后简要地介绍了基于 RFID 的仓 储管理系统的概念以及实现的关键技术 其中关键技术主要包括 Alien RFID 系 统的组成 工作原理以及 C 多线程编程技术等 最后详细描述了基于 RFID 的 仓储管理系统的实现过程 主要分为三个部分 1 RFID 海量数据压缩算法 即新的数据仓库结构 RFID Cuboids 的实现 2 Alien RFID 系统接口软件的设 计与实现 3 基于 RFID 的仓储管理系统的具体实现 关键字 关键字 RFID 技术 仓储系统 数据压缩 接口软件 ABSTRACT Radio Frequency Identification RFID is a non contact auto identification technology Compared with early technologies of automatic identification RFID is increasingly used in a broad range of areas such as logistics transportation and anti counterfeiting for its property of non contacting and identifying many targets simultaneously Generally the Warehouse Management System WMS in tradition relies on a non automatic paper based system to record and track the cargos This manual operation method would result in many problems like low efficiency and many human errors To make up for this deficiency we designed and developed the WMS based on RFID Meanwhile aiming at the problem of data storage and retrieval we developed RFID Cuboids warehouse structure using the experience of data compression from the reference 1 Firstly this thesis introduces the related information about RFID technology subsequently it introduces the concept of the RFID based WMS and the key technologies to develop it in brief These technologies include the organization of Alien RFID system operating principles and multi threading Finally the thesis represents the implementation procedure of the RFID based WMS in detail It mainly consists of three parts I RFID massive data compression algorithm namely the realization of new data warehouse structure RFID Cuboids II Design and implementation of Alien RFID system s interface software III The specific methods to develop the RFID based WMS KEY WORDS RFID WMS data compression interface software 目 录 第一章第一章前前 言言 5 1 1 研究背景 5 1 2 国内外研究发展现状 5 1 2 1 RFID 技术 5 1 2 2 仓储管理系统 6 1 3 研究的目的 意义和关键问题 6 1 4 本文的结构安排 7 第二章第二章RFID 技术概述技术概述 8 2 1 RFID 的技术简介 8 2 2 RFID 的分类 8 2 3 RFID 的基本组成部分 9 2 4 RFID 系统的基本工作原理 11 2 5 RFID 的关键技术 12 2 6 RFID 的标准与技术规范 13 2 7 RFID 的技术应用 13 2 8 本章小结 14 第三章第三章 基于基于 RFID 的仓储管理系统实现关键技术的仓储管理系统实现关键技术 15 3 1 Alien RFID 系统 15 3 1 1 Alien RFID 系统概述 15 3 1 2 Alien RFID 系统的工作原理 15 3 2 C 多线程技术 17 第四章第四章 基于基于 RFID 的仓储管理系统的实现的仓储管理系统的实现 19 4 1 基于 RFID 的仓储管理系统的需求分析 19 4 2 基于 RFID 的仓储管理系统的系统结构 19 4 3 基于 RFID 的仓储管理系统实现的任务流程 20 4 4 Alien RFID 系统接口软件的设计与实现 20 4 4 1 Alien RFID Reader 的检测与发现 20 4 4 2 Alien RFID Reader 的连接与登录 20 4 4 3 Alien RFID Reader 的配置 21 4 4 4 实现主机同时接收一个或多个阅读器的 taglist 信息 21 4 4 5 Alien RFID 系统接口软件的演示 22 4 5 基于 RFID 的仓储管理系统的具体实现 24 4 5 1 基于 RFID 的仓储管理系统的流程设计 24 4 5 2 基于 RFID 的仓储管理系统的功能模块设计 25 4 5 3 基于 RFID 的仓储管理系统数据库设计 26 4 5 4 基于 RFID 的仓储管理系统功能模块的具体实现 28 4 6 RFID 海量数据压缩与存储算法的实现 32 4 6 1 问题的提出 32 4 6 2 RFID Cuboids 数据压缩的主要思想 33 4 6 3 RFID 数据的结构 33 4 6 4 数据仓库模型 RFID Cuboids 的组成 34 4 6 5 构造 RFID Cuboids 数据仓库结构 35 4 6 6 基于 RFID Cuboids 的数据查询 37 4 6 7 程序运行结果演示 38 第五章第五章总结总结 39 5 1 本文所做的成果 39 5 2 本文的不足 39 参考文献参考文献 40 致致 谢谢 41 毕业设计小结毕业设计小结 42 第一章前 言 1 1 研究背景 无线射频识别技术 Radio Frequency Identification RFID 是一种非接触 式的自动识别技术 它利用无限射频进行非接触双向通信 以达到标签识别和 交换标签数据的目的 具有极其广阔的应用前景 RFID 具有标签不易损坏 读 取速度快 范围大 无需精确定位便可采集多处数据等优点 在物品跟踪和供 应链管理系统中 RFID 将发挥至关重要的作用 传统的仓储管理 一般依赖于一个非自动化的 以纸质文件为基础的系统 来记录和跟踪进出的货物 这种人工操作方式会导致仓储管理效率低下 人工 录入错误较多等问题 若在现有的仓储管理中引入 RFID 技术 对仓库到货检 验 入库 出库 库存盘点等各个作业环节的数据就可以实现自动化的数据采 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 像世界零售巨头沃尔玛这样的大型零售商已经开始在他们的物品仓库和配 货中心部署 RFID 仓储管理系统 一些研究机构估测 沃尔玛的 RFID 系统每天 产生大约 7 兆兆字节的数据 因此 对于 RFID 仓储管理系统 如何存储和检 索海量 RFID 数据也是一个迫切需要解决的问题 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 RFID 技术 RFID 的基本技术原理起源于二战时期 最初盟军利用无线电数据技术来识 别敌我双方的飞机和军舰 战后 由于较高的成本 该技术一直主要应用于军 事领域 并未很快在民用领域得到推广应用 直到上世纪八九十年代 随着芯 片和电子技术的提高和普及 欧洲开始率先将 RFID 技术应用到公路收费等民 用领域 到二十一世纪初 RFID 迎来了一个崭新的发展时期 其在民用领域的 价值开始得到世界各国的广泛关注 特别是在西方发达国家 RFID 技术大量应 用于生产自动化 门禁 公路收费 停车场管理 身份识别 货物跟踪等民用 领域中 其新的应用范围还在不断扩展 层出不穷 本世纪初 RFID 已经开始在我国进行试探性的应用 并很快得到政府的大 力支持 2006 年 6 月 我国发布了 中国 RFID 技术政策白皮书 标志着 RFID 的发展已经提高到国家产业发展战略层面 到 2008 年底 我国参与 RFID 的相关企业达数百家 已经初步形成了从标签及设备制造到软件开发集成等一 个较为完整的 RFID 产业链 同时 国内 RFID 技术的应用研究也在不断进步 RFID 技术已经被广泛地 应用在身份识别和门禁系统 防伪应用 商业供应链应用 高速公路的不停车 收费 车辆自动识别 物流管理 动物的识别与电子门票等项目中 1 2 2 仓储管理系统 仓储管理系统是现代仓储企业进行货物管理和处理的业务操作系统 它可 以实现本地一个仓库的精细化管理 实现制造企业 物流企业在全国范围内 异地多点仓库的管理 对货物存储和出货等进行动态安排和对仓储作业流程的 全过程进行电子化操作 在与第三方软件的接口上 仓储管理系统可以与客服 中心配合使客户通过互联网实现远程货物管理 还可以与企业的 EDI Electronic Data Interchange 系统实现无缝连接 传统的仓储管理 企业大多依赖于一个非自动化 以纸张为基础的系统来 记录 追踪进出的货物 相对于以计算机为核心的信息管理系统而言 人为因 素的不确定性 必然导致企业仓储的工作效率低下和人力资源的严重浪费 同 时 随着货物数量的增加以及出入库频率 这种人工模式会严重影响企业的正 常工作 目前 在国内外应用比较广泛的仓储管理系统都采用了条形码或 RFID 还 使用了便携式终端 采用数据库 是所有仓储管理系统的特征 在仓储软件的 模式上主要有 B S 模式 C S 模式和混合模式 Web 技术 远程通信技术也在 仓储管理系统中得到应用 但研究最多的还是射频识别技术在仓储中的应用 现阶段 虽然我国的仓储管理技术应用有了一定的发展 但与国外相比仍 有很大的差距 据有关报道指出 我国跟发达国家之间存在几十年的差距 我 国数万家仓储的信息化总体水平还很低 真正实现信息化的还不到 10 大量 的仓储还是以人工操作为主 因此 运用现代化信息技术 实现仓储管理的信 息化是今后仓储发展的必然趋势 1 3 研究的目的 意义和关键问题 仓储在整个产品供应链中起着至关重要的作用 对整个物流系统都有很大 的影响 传统仓储管理系统存在效率低下 人工录入错误较多等问题 针对传 统仓储管理系统的不足 我们研究基于 RFID 的仓储管理系统的设计与实现 RFID 技术具有大批量数据同时采集 可无需精确对位等特点 因此基于 RFID 的仓库管理系统可使企业从大量重复作业中解脱出来 出入库的数据信息可通 过 RFID 实时采集 事实传递 降低了人工的劳动强度 提高了工作效率和准 确度 避免了人工操作中的一些错误 同时在部署 RFID 的仓储管理系统中 每天将会产生大量的 RFID 数据信息 针对 RFID 数据的压缩 存储 检索的问题 文献 1 中提出了一种新的数据仓 库结构 RFID Cuboids 这种新的数据仓库结构主要是利用大量物品的成批移 动 数据泛化和部分路径的融合等特性来进行数据压缩 大大的降低了数据存 储空间 提高了查询效率 本文中我们用 C 语言实现了上述的 RFID Cuboids 结构 1 4 本文的结构安排 本文的内容共分为五章 具体安排如下 第一章即本章的前言部分 首先介绍了本项目的研究背景 然后介绍了 RFID 技术以及仓储管理系统在国内外的研究发展现状 最后简单介绍了本文的 研究目的 意义以及一些相关的关键问题 第二章主要介绍了 RFID 的相关理论知识 首先是 RFID 的技术简介以及 RFID 的分类 然后对 RFID 的系统组成和工作原理进行了详细地描述 接下来 简要介绍了 RFID 的关键技术以及制定的国际标准和规范 最后介绍了 RFID 技 术典型的应用 第三章主要介绍基于 RFID 的仓储管理系统实现关键技术 主要包括 Alien RFID Reader 的概述 Alien RFID Reader 组成及工作原理 多线程技术等 第四章为本文的核心部分 主要是基于 RFID 的仓储管理系统的实现 介 绍了基于 RFID 的仓储管理系统的需求分析 系统结构 实现的任务流程 Alien RFID Reader 接口软件的设计与实现 基于 RFID 仓储管理系统的具体实 现 以及 RFID 海量数据压缩存储算法的实现 第五章是总结部分 总结了论文所做的工作及成果 指出了目前存在的不 足 第二章RFID 技术概述 2 1 RFID 的技术简介 RFID Radio Frequency Identification 即无线射频识别技术 是一种非接触式 自动识别技术 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合 交变磁场或 电磁场 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 RFID 的技术前身可以追溯到第二次世界大战 当时该技术被英军用于识别 敌我双方的飞机 其原理是在英方飞机上装有识别标签 类似于今天的主动标 签 当雷达发出微波查询信号时 装在英方飞机上的识别标签就会做出相应的 回执 使得发出微波查询信号的系统能够辨别出飞机的身份 此系统 IFF Identify Friend or Foe 敌我识别 目前世界上的飞行管制系统仍是在此 基础上建立的 从概念上来讲 RFID 类似于条码扫描 对于条码技术而言 它是将已编码 的条形码附着于目标物 并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形码 传送到扫描读写器 而 RFID 则使用专用的 RFID 阅读器及专门的可附着于目标 物的射频标签 利用射频信号将物品相关信息由射频标签传送至 RFID 阅读器 射频标签中载有关于目标物的各类相关信息 如 该目标物的名称 目标物运 输起始 终止地点 中转地点及目标物经过某一地的具体时间等 还可以载入 诸如温度等指标 RFID 与传统条形码技术相比 具有快速扫描 体积小 易封装 抗污染能 力强和使用寿命长 识别高速运动物体 可重复使用 穿透性好并且可以无屏 障阅读 数据的记忆容量大以及安全性好的技术优势 同时 RFID 技术与互联网 通讯等技术相结合 可实现全球范围内物品跟 踪与信息共享 RFID 技术应用于物流 制造 公共信息服务等行业 可大幅提 高管理与运作效率 降低成本 随着相关技术的不断完善和成熟 RFID 产业将 成为一个新兴的高技术产业群 2 2 RFID 的分类 根据射频系统的特征 可以将 RFID 系统进行多种分类 1 按照工作方式划分为全双工 半双工系统和时序系统 全双工系统中数据在阅读器和电子标签之间的双向传输是同时进行的 并 且从读写器到电子标签的能量传输是连续的 与传输的方向无关 半双工系统中数据传输是交替进行的 并且能量传输是连续的 时序系统中从电子标签到阅读器的数据传输是电子标签的能量供应间歇时 进行的 而从阅读器到电子标签的能量传输总是在限定的时间间隔内完成 2 按照数据载体可以划分为只读系统和可读写系统 只读系统中阅读器只能读取电子标签内的数据 不能将数据写入电子标签 内 在可读系统中 阅读器可以改写电子标签内存储的信息 可以将数据动态 写入电子标签内 3 按照能量供应可划分为无源系统和有源系统 在无源系统内 无源标签没有自己的电源 工作能量从阅读器发出的射频 波束中获取 读写器更要发射更大的射频功率 识别距离比较近 在有源系统中 电子标签内装有电池 为电子标签的工作提供全部或部分 能量 无源电子标签内无电池 其识别距离更远 阅读器需要的功率较小 4 按照工作频率可以划分为低频系统 中高频系统 超高频和微波系统 低频系统的工作频率一般为 30 300KHz 典型的工作频率为 125KHz 133KHz 特点是标签的成本较低 标签内保存的数据量较少 阅读 距离较短 阅读天线方向性不强等 一般适用于短距离 低成本的应用中 如 门禁管理 校园卡 动物监管等 中高频系统的工作频率一般为 3 30KHz 典型的工作频率为 13 56MHz 基本特点是电子标签及阅读器成本较高 标签内保存的数据量较大 阅读距离 较远 适应物体高速运动 性能好 一般应用于需传送大量数据的场合 其典 型的应用是电子身份系统 物流管理系统 超高频和微波系统简称微波系统 微波系统的工作频率一般为 300MHz 3GHz 或大于 3GHz 其典型的工作频率为 433 92MHz 862 902 928MHz 2 45GHz 和 5 8GHz 应用于较长的读写 距离和高速读写场合 如火车监控 高速公路收费等 5 按照耦合类型分为电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统 在电感耦合系统中 阅读器和电子标签之间的射频信号的实现为变压器模 型 通过空间高频交变磁场实现耦合 其依据是电磁感应定律 在电磁反相散射耦合系统中 阅读器和电子标签之间的射频信号的实现为 雷达原理模型 发射出去的电磁波 碰到目标后被反射 同时携带目标信息 其依据的是电磁波的空间传输规律 2 3 RFID 的基本组成部分 1 RFID 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域 就可以根据电感耦 合原理 近场作用范围力 或电磁反向散射耦合原理 远场作用范围力 在天 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 度超过一个阀值 就可以激活 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 读写器 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在上传 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段 控制功能 例如直接与工业现场的其他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 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 它和 RFID 标签集成为一体 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受功能的集成 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 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受 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的问题 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的过滤 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 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中间件的逻辑设置 逐渐将 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 2 4 RFID 系统的基本工作原理 RFID 系统的基本工作原理是在耦合通道内 阅读器和标签之间通过耦合元 件实现射频信号的空间耦合 且根据时序关系 完成数据的交换和能量的传递 其基本工作模型如图 2 1 所示 射射频频标标签签 阅阅读读器器 耦耦合合元元件件 线线圈圈 微微波波天天线线 数数据据 能能量量 时时序序 图 2 1 阅读器与应答器信息传递示意图 阅读器向电子标签提供工作能量 对于无源标签 当标签离开射频识别场 时 标签由于没有能量的激活而处于休眠状态 当标签进入射频识别场时 阅 读器发射出来的射频波激活标签电路 标签通过整流的方法将射频波转换为电 能存储在标签中的电容里 从而为标签的工作提供能量 完成数据的交换 对 于半有源标签来讲 射频场只起到了激活的作用 有源标签始终处于激活状态 处于主动工作状态 和阅读器发射出的射频波相互作用 具有较远的识读距离 时序指的是阅读器和标签的工作次序问题 即阅读器主动唤醒标签 这时 标签首先自报家门 对于无源标签 一般是阅读器先讲的形式对于多标签同时 识读 可以采用阅读器先讲的形式 也可以是标签先讲的形式 阅读器和标签之间的数据通信包括阅读器向标签的数据通信和标签向阅读 器的数据通信 在阅读器向标签的数据通信中 又包括离线数据写入和在线数 据写入 对于标签向阅读器的数据通信过程 其工作方式包括以下两种标签收 到阅读器的射频能量时 即被激活并向阅读器发射标签存储的数据信息标签被 激活后 根据阅读器指令转入数据发送状态或休眠状态 在这两种工作方式中 前者属于单向通信 后者属于半双工双向通信 图 2 2 可以看出 在射频识别 系统的工作过程中 始终以能量为基础 通过一定的时序方式来实现数据的交 换 因此 在工作的空间通道中存在三种事件模型以能量提供为基础的事件模 型 以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型 以数据交换为目的的事件 模型 2 5 RFID 的关键技术 RFID 的关键技术包括产业化关键技术和应用关键技术 1 RFID 产业化关键技术主要包括 标签设计与制造 例如低成本 低功耗的 RFID 芯片设计与制造 适合标 签 芯片实现的新型存储技术 防冲突算法及电路实现技术 芯片安全技术 以及 标签芯片与传感器的集成技术等 天线设计与制造 例如标签天线匹配技术 针对不同应用对象的 RFID 标 签 天线结构优化技术 多标签天线优化分布技术 片上天线技术 读写器智能波 束扫描天线阵技术 以及 RFID 标签天线设计仿真软件等 RFID 标签封装技术与装备 例如基于低温热压的封装工艺 精密机构设计 优化 多物理量检测与控制 高速高精运动控制 装备故障自动诊断与修复 以及在线检测技术等 RFID 标签集成 例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配 技术 标签加工过程中的一致性技术等 读写器设计 例如密集读写器设计 抗干扰技术 低成本小型化读写器集 成技术 以及读写器安全认证技术等 2 RFID 应用关键技术主要包括 RFID 应用体系架构 例如 RFID 应用系统中各种软硬件和数据的接口技术 及 服务技术等 RFID 系统集成与数据管理 例如 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 RFID 公共服务体系 提供支持 RFID 社会性应用的基础服务体系的认证 注册 编码管理 多编码体系映射 编码解析 检索与跟踪等技术与服务 RFID 技术检测与规范 例如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 标签与读写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 2 6 RFID 的标准与技术规范 RFID 标准体系分为技术标准和应用标难 技术标准主要包括接口规范 物 理特性 读写器协议 编码体系 测试规范 应用规范 数据管理 信息安全 等标准组成 应用标准主要分为动物识别 身份识别 商业 交通 军事等 目前常用的国际标准主要有 ISO IEC18000 标准 包括 7 个部分 涉及 125KHz 12 56MHz 860 960MHz 2 45GHz 等频段 用于对动物识别的 ISO11784 和 ISO1178 用于非接触智能卡的 ISO10536 15693 14443 用于集 装箱识别的 ISO10374 等 目前国际上制定 RFID 标准的组织比较著名的有三个 ISO 国际组织 以美国为首的 EPC global 以及日本的 Ubiquitous ID Center 而 这三个组织对 RFID 技术应用规范都有各自的目标与发展规划 下面简单介绍 一下本文相关的 EPC global 国际标准 8 EPC Electronic Product Code 标准使用的频率有 13 56MHz 以及 902 928MHz 由 EPC global Inc 所推动提出 EPC 的目标主要就是推动让生活中的 每项物品都有一个唯一的编码 且相互连接形成一个即所谓的物联网概念 使 用者可以利用物联网的 EPC 编码名称解析服务 ONS Object Name Service 让 使用 EPC RFID 标签的货品可以流通全球 在 2004 年 6 月 EPC global 正式公布 了全球第一的 RFID 标准 让全球不同的企业在使用 RFID 上有个共通标准 其 中 EPC Tag 所设定的 5 个不同等级为 1 Class0 只供读取 简单被动式 仅提供在出厂时以制订号码的唯读标 签 标签在出厂时即写入一组不可更改的号码 提供简单的服务辨识 2 Class1 只写一次 简单被动式 可供一次写入 3 Class2 重复读写 具有可重复读写功能 被动式标签 4 Class3 内设感应器的半被动标签 有重复读写功能 更包含额外的感 应器 可侦查温度 湿度 动向变化等并记录在标签中 内建电池增加读取距离 5 Class4 属于天线 是一种半被动标签 可主动与其他标签沟通 还 在研发过程中 2 7 RFID 的技术应用 RFID 技术以其独特的优势 逐渐被广泛应用于工业自动化 商业自动化和 交通运输控制管理系统等领域 随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模 的不断扩大 RFID 产品的成本将不断的降低 其应用将越来越广泛 在物流领域 RFID 的大规模应用提升了物流能力 可应用过程包括 物流 过程中的货物跟踪 信息自动采集 仓储管理应用 港口应用 邮政包裹 快 递等 在零售领域 有沃尔玛 麦德龙等大超市一手推动的 RFID 应用 可以 为零售业带来包括降低劳动成本 商品的可适度提高 降低因商品断货造成的 损失 减少商品偷窃现象等好处 可应用的过程包括 商品的销售数据实时统 计 补货 防盗等 在制造业领域 RFID 应用于生产过程的生产数据实时监控 质量追踪 自动化生产 个性化生产等 在贵重及精密的货物生产领域应用更 为迫切 在服务业领域 可以应用于服装的自动化生产 仓储管理 品牌管理 单品管理 渠道管理等过程 随着标签价格的降低 这一领域将有很大的应用 潜力 在医药领域 可以应用于医院的医疗器械管理 病人身份识别 婴儿防 盗等领域 医疗行业对标签的成本比较不敏感 所以该行业是 RFID 应用的先 锋之一 在身份识别领域 RFID 技术由于天生的快速读取难于伪造 而被广泛 应用于个人的身份识别证件 在汽车领域 可以应用于机车自动化 个性化的 生产 汽车的防盗 汽车的定位 可以作为安全性较高的钥匙 航空领域里面 应用于旅客机票 行李包裹追踪等 还可以应用于飞机的制造 飞机零部件的 保养及质量追踪 快速登机等 在军事领域 可进行弹药 枪支 物资 人员 卡车等识别与跟踪 2 8 本章小结 本章主要介绍了 RFID 的相关概念以及 RFID 的应用前景 RFID 作为一种 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 同时 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 目前 在仓储管理中 货物 的信息采集主要采用条码技术 但条码技术具有记录信息无法更改 存储容量 相对较小的的缺点 条形码扫描仪必须看到条形码才能读取 这样 工作人员 必须亲手扫描每件商品的条形码 如果条形码被撕裂 亏损或丢失 扫描仪将 无法扫描 识别货物 如果需要改进信息需要重新贴上条形码标签 既增加了 工序 浪费了人力资源 又增加了成本 降低了效率 因此 我们研究设计基 于 RFID 的仓储管理系统 充分发挥 RFID 技术的独特优势 弥补传统仓储管理 系统的一些不足 从而降低物流费用 提高仓储效率 第三章 基于 RFID 的仓储管理系统实现关键技术 3 1 Alien RFID 系统 3 1 1 Alien RFID 系统概述 本次研究所用到的 RFID 系统为 Alien RFID 系统 它便于管理 功能强大 是业界最为领先的 RFID 系统 Alien RFID 系统主要有三个部分组成 1 Alien ALR 9900 阅读器 Alien ALR 9900 阅读器用于读取和处理任何 EPC 标签 然后将事件信息 报告给主机系统 主机可以在本地通过 RS 232 连接到阅读器或者在远程通过网 络连接 Alien ALR 9900 阅读器具有高性能 操作简单 易于管理 抗干扰能 力强等一系列优点 2 Alien RFID 天线 Alien RFID 天线用来广播 RFID 阅读器内部产生的射频信号 同时可以接 受一定范围内电子标签的应答信号 3 Alien RFID 无源电子标签 Alien RFID 无源电子标签类似于条形码 都包含了标记信息 然而 Alien RFID 电子标签跟条形码相比包含了更多的信息 同时它可以在更远的距离 更 复杂的环境下被阅读器识别 3 1 2 Alien RFID 系统的工作原理 Alien RFID 系统最基本的功能就是读取 RFID 标签的信息 然后提供给用 户 或应用程序一个接口将标签信息列表显示出来 因此 我们首先必须将 Alien RFID 阅读器与计算机主机连接起来 Alien RFID 系统提供了两种连接方式 一 种是在本地通过 RS 232 串行通信端口 一种是通过网络 为了方便网络管理 Alien RFID 阅读器提供了 heartbeats 机制 即心跳 机制 它允许应用程序在局域网内方便地发现阅读器 在局域网内操作 Alien RFID 阅读器 我们必须知道阅读器的 IP 地址才能 够与阅读器进行连接 通过 heatbeats 机制 我们可以在局域网内监听 heatbeats 信息来得到阅读器的 IP 地址 当一个阅读器成功启动后 它会在局域网内通过 UDP 协议定时地广播 heartbeats 信息 这些 heartbeats 信息可以被局域网内的应用程序拦截 同时它 提供了足够的信息在局域网内定位阅读器 与阅读器进行通信 Heatbeats 机制有四个配置选项 可通过阅读器提供的命令来设置 HeatBeatTime 这个命令用来指定阅读器广播 heartbeats 信息的时间间 隔 HeatBeatPort 这个命令用来指定一个端口信息 heatbeats 信息将发送 到 HeatBeatAddress 命令所指定 IP 地址的这个端口上 HeatBeatAddress 这个命令用来指定一个特定的 IP 地址 heartbeats 信 息将发送到这个 IP 地址 HeatBeatAddress 这个命令指定一个数值 代表 heartbeats 信息所发送 的总数 同时 Alien RFID 阅读器提供了两种读取标签信息的方式 Interactive Mode 和 Autonomous Mode 1 Interactive Mode 读取电子标签信息在 Interactive Mode 下非常简单 只需向阅读器发送一 条 taglist 或者 t 命令 当 taglistformat text 的时候 读到的电子标签 信息如下 Tag E200 3411 B801 0108 Disc 2007 06 29 08 30 49 Last 2007 06 29 10 38 12 Count 292 Ant 0 Proto 2 Tag 4461 7669 6445 2E4B Disc 2007 06 29 10 38 13 Last 2007 06 29 10 38 13 Count 187 Ant 1 Proto 2 2 Autonomous Mode Autonomous Mode 是一种需要配置和操作的模式 它可以自动检测和处理 数 据 在这种工作模式下 首先需要配置一下信息 例如 AutoMode 命令必须置 成 On 一旦设置在这种模式下工作 阅读器可以自主的进行标签的读取等操作 主机上的应用程序可以设置监听事件来读取阅读器上的电子标签信息 这种操作模式最主要的优势在于它可以让许多阅读器同时向一个主机发送 信息 这样 一个应用程序可以监听并处理局域网内多个阅读器发来的 taglist 信息 此外 为了更好地接受多个阅读器广播的 taglist 信息 我们需要对标签信 息进行一些简单的配置 Taglist Commands 主要有以下几种 PesistTime 这个命令用来指定标签的数据信息在阅读器内部的活跃标 签列表中存在的时间长度 缺省值为 1 TagListFormat 这个命令用来指定 taglist 信息的显示格式 主要有四 种 Text 格式 Terse 格式 XML 格式和 Custom 格式 TagListAntennaCombine 这个命令用来打开或者关闭天线组合模式 当该命令为 On 时 阅读器会将多个相同的标签 ID 值用一个单一的标 签信息来标识 即使这是 ID 值被不同的天线读到 反之 当 TagListAntennaCombine 命令为 OFF 时 阅读器会保存每个天线发现的 标签 ID 信息的多个副本 TagStreamMode 这个命令用来打开或者关闭阅读器的 TagStream 功能 当 TagStreamMode 命令为 On 的时候 每个被读到的标签信息都会直 接发送给 TagStreamAddress 命令所指定的 IP 地址 没有数据缓冲 TagStreamAddress 这个命令用来指定 TagStream 事件中数据信息应该 发送到的地址 TagStreamFormat 这个命令用来指定 TagStream 事件中数据的显示格 式 区别于 TagListFormat 3 2 C 多线程技术 使用 C 编写任何程序时 都有一个入口 Main 方法 程序从 Main 方法 的第一条语句开始执行 直到这个方法返回为止 这样的程序结构非常适合有 一个可识别的任务序列的程序 但程序常常需要同时完成多个任务 例如在使 用文字处理软件的时候 用户在输入文字的同时 软件能同步进行拼写检查而 不需要用户的等待 再如在本文基于 RFID 的仓储管理系统中 后台需要有一 个线程不断的接受阅读器广播的 taglist 数据信息并对这些数据进行压缩 然后 存储到本地数据库中 与此同时用户还可以进行物品的出库 入库 库存盘点 等相关操作 这时我们就需要能让程序具有同时处理多个任务的能力 这就是 C 的多线程技术 在 C WinForm 程序中创建一个新的线程是非常容易的 可以通过一下语 句来完成 Thread t new Thread new ThreadStart ThreadFuc t start 第一条语句创建一个新的 Thread 对象 并指明一个该线程的方法 ThreadFuc 当新的线程开始执行时 该方法也就被调用执行了 该线程对象 通过一个 System Threading ThreadStart 类的一个实例以类型安全的方法来调用 它要调用的线程方法 第二条语句正式开始执行该新线程 一旦方法 Start 被调用 该线程就保 持在一个 alive 的状态下 不过 线程对象的 Start 方法只是启动了该线程 而并不保证其线程方法 ThreadFuc 能立即执行 它只是保证该线程对象能被分 配到 CPU 时间 而实际的执行还要有操作系统根据处理器时间来决定 同时 C 的公共语言运行时 Common Language Runtime CLR 能区分两 种不同类型的线程 前台线程和后台线程 这两者的区别是 应用程序必须运 行完所有的前台线程才可以退出 而对于后台线程 应用程序则可以不考虑其 是否已经运行完毕而直接退出 所有的后台线程在应用程序退出时会自动结束 因此 我们可以将基于 RFID 的仓储管理系统中实时接受阅读器广播的数据信 息的线程设置为后天线程 这样用户就可以同时进行一些其他的库存操作 假设有这样一种情况 两个线程同时维护一个队列 如果一个线程向队列 中添加元素 而另外一个线程从队列中取出元素 那么我们称添加元素的为生 产者 称取用元素的为消费者 生产者和消费者问题看起来简单 但却是多线 程应用中一个必须要解决的问题 它涉及到线程之间的同步和通讯问题 每个 线程都有自己的资源 但是代码区是共享的 即每个线程都可以执行相同的函 数 但是在多线程环境下 可能带来的问题就是几个线程同时执行一个函数 导致数据混乱 产生不可预料的后果 因此我们必须避免这种情况发生 C 提 供了一个关键字 lock 它可以把一段代码定义为互斥段 critical section 互斥 段在一个时刻只允许一个线程进入执行 而其他线程必须等待 例如 定义一个队列 Private Queue TagStreamQueue new Queue 一个线程 Tread A 要执行入队列操作的代码如下 Lock TagStreamQueue SyncRoot TagStreamQueue Enqueue msg 同理 当另外一个线程 Tread B 要执行出队列操作时 代码如下 Lock TagStreamQueue SyncRoot TagStreamQueue Dequeue msg 第四章 基于 RFID 的仓储管理系统的实现 4 1 基于 RFID 的仓储管理系统的需求分析 传统的仓储管理 一般依赖于一个非自动化的 以纸质文件为基础的系统 与人工记忆相结合来实现库存管理 这种方式不仅费时费力 而且容易出错 使得货物仓储环节效率低下 给企业带来不可估量的损失 为了弥补传统仓储 管理系统的缺点 我们设计基于 RFID 的仓储管理系统 根据对实际仓储管理流程的分析 基于 RFID 的仓储管系统应满足以下几 个方面的需求 1 具有通常信息管理系统的用户权限管理 数据查询 统计管理等功能 2 利用 RFID 技术提高货物查询的准确性 3 利用 RFID 技术提高盘点作业的质量 4 帮助企业减低库存管理的成本 5 在货物库存量低于安全库存量或者货物过期时 系统能够提供警示 6 系统的运动能够加快货物出入库速度 从而增加库存中心的吞吐量 7 能够给管理员和用户提供及时准确的库存信息 8 能够对库存信息自动化采集 从而实现库存管理的无纸化作业 4 2 基于 RFID 的仓储管理系统的系统结构 本文所设计的基于 RFID 的仓储管理系统采用三层体系结构 如图 4 1 所示 1 用户界面层是系统的管理界面 它处理用户交换的信息 调用业务处 理层的方法同后台交换数据 2 业务处理层通过 ADO NET 来实现 它接受用户界面层的调用 通过 SQL 语句来调用数据存储层的数据 3 数据存储层是数据库 它接受 ADO NET 的调用 执行 SQL 语句 并 将执行的结果返回 ADO NET 用户界面层 业务处理层 数据存储层 图 4 1 三层体系结构 4 3 基于 RFID 的仓储管理系统实现的任务流程 1 RFID 海量数据压缩算法的设计与实现 2 Alien RFID 系统接口软件的设计与实现 3 基于 RFID 的仓储管理系统的具体实现 4 4 Alien