向安軍，毛旭陽，王思杰，黃乙航，孫益鑫，徐素莉

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著目前我國經(jīng)濟(jì)互聯(lián)網(wǎng)化和網(wǎng)絡(luò)購物的蓬勃發(fā)展，高校學(xué)生逐漸發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)購物的主要消費(fèi)群體，高校物流也成為了各大校園快遞物流企業(yè)至關(guān)重要的市場。目前傳統(tǒng)化的校園快遞物流公司，貨物入庫取件的工作模式通常為使用多種不同紙質(zhì)條形碼、一次掃描條形碼取件處理方式，一次掃描方式只能對一個條形碼進(jìn)行一次單據(jù)掃描，不能多次重復(fù)，入庫取件排隊工作時間相對較長，效率低下。由于該類條形碼在實際生活使用中，受環(huán)境影響大，若發(fā)生包裝破損，可能會直接導(dǎo)致該類物品本身無法準(zhǔn)確進(jìn)行識別。另一方面，條形碼本身，只能存儲少量的物品相關(guān)信息量，只能顯示標(biāo)識一類的具體類型物品。

因此，引進(jìn)RFID技術(shù)來提高貨物的出入庫效率、物流追蹤信息的自動化是有必要的。RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，例如在高速公路上、在交通管理中、在快遞跟蹤中、在貨物記錄中、在航空行李管理中、在防盜車系統(tǒng)中。人們需要標(biāo)簽，以獲得更多的信息，追蹤標(biāo)簽的位置，也就是說，如果將物聯(lián)網(wǎng)與人體相比較,RFID可以被看作是"眼睛"，用讀卡器識別物體，實現(xiàn)對整個物體的監(jiān)控?；诖?，我們設(shè)計了基于RFID的校園快遞管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快遞實時追蹤，快速入庫、盤點以及位置引導(dǎo)，方便學(xué)生快速、準(zhǔn)確的完成取件。

1 快遞管理系統(tǒng)

系統(tǒng)主要管理功能可以分為：驛站快遞管理入庫配送業(yè)務(wù)管理，庫存發(fā)貨業(yè)務(wù)管理，出庫發(fā)貨業(yè)務(wù)管理三個組成部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 快遞管理系統(tǒng)基本組成

在大型驛站儲物貨架上通過內(nèi)部安裝固定式閱讀器，對各個驛站管理區(qū)域的貨品信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實時自動檢測。當(dāng)多個驛站貨品被同時運(yùn)輸?shù)竭_(dá)驛站后，RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入驛站貨品信息讀寫器讀寫范圍，讀寫器便會自動掃描，將獲得的貨品相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞到驛站系統(tǒng)進(jìn)行自動記錄入庫。貨品入庫登記后，通過貨架上的固定式讀寫器完成貨物的自動清點，并對貨物的庫區(qū)位置信息進(jìn)行編碼并上傳數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫對貨物的位置信息以及存儲情況進(jìn)行處理，自動向用戶發(fā)送貨物存取位置，實現(xiàn)智能化庫存管理。并且在出口處設(shè)立出庫閘口，用戶憑借短信內(nèi)的貨物存取位置可以快速的找到貨物并進(jìn)行確認(rèn)，貨物進(jìn)入出口處的固定式讀寫器范圍后，讀寫器采取貨物電子標(biāo)簽信息并上傳數(shù)據(jù)庫，用戶通過在接觸式讀卡器匹配校園卡或掃描二維碼等措施進(jìn)行貨品配對，在數(shù)據(jù)庫完成出庫管理。通過驛站管理局域網(wǎng)，將驛站貨品相關(guān)信息數(shù)據(jù)及時自動發(fā)送給各個驛站貨品數(shù)據(jù)庫，并由驛站管理員與驛站管理系統(tǒng)一并對驛站貨品信息數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可以有效地節(jié)省大量貨物運(yùn)輸管理時間，并且可以使所需要記錄的驛站貨品相關(guān)信息完整準(zhǔn)確[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要分為控制模塊，ZigBee無線通信模塊，射頻模塊等。通過射頻模塊讀取快遞信息，再由無線通信模塊ZigBee技術(shù)與控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制模塊對快遞信息進(jìn)行錄入以及整理。

當(dāng)快遞進(jìn)入平臺射頻產(chǎn)品磁場后,硬件系統(tǒng)內(nèi)射頻模塊將自動讀取到由轉(zhuǎn)寫器控制驅(qū)動主機(jī)發(fā)出的一個產(chǎn)品有關(guān)射頻磁場能量控制信號,憑借通過射頻磁場感應(yīng)器的射頻電流所控制驅(qū)動發(fā)出獲得的產(chǎn)品射頻磁場能量從而自動發(fā)送或直接輸出當(dāng)時已經(jīng)存儲在平臺主機(jī)內(nèi)部芯片中央硬盤系統(tǒng)中的產(chǎn)品有關(guān)中央產(chǎn)品中的射頻能量信息,讀取轉(zhuǎn)寫器通過主機(jī)讀取有關(guān)產(chǎn)品射頻信息并對其進(jìn)行射頻解碼后,通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送至STM32W108控制芯片硬盤中央產(chǎn)品射頻信息處理系統(tǒng)中并同時進(jìn)行其他人的有關(guān)產(chǎn)品射頻信息數(shù)據(jù)處理。原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 控制模塊

控制模塊系統(tǒng)核心模塊控制核心芯片采用ST公司最新技術(shù)推出的完全實現(xiàn)人機(jī)交互集成的一個HZSTM32W108系統(tǒng)核心控制級別的核心模塊芯片，該控制系統(tǒng)核心模塊芯片，其技術(shù)成本區(qū)別于其他2.4ghzsoc控制核心模塊芯片的主要技術(shù)成本。優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：1) 在始終能夠保持低功耗的技術(shù)成本優(yōu)勢前提下，采用了32位HZSARMCORTEX-M3處理器模塊作為整個控制系統(tǒng)核心,具有更強(qiáng)大的通信數(shù)據(jù)處理性和運(yùn)算控制能力。2) 控制核心模塊芯片內(nèi)部直接額外帶有一個8 dpa的射頻信號功放,發(fā)射功率最高精度可達(dá)+7 dbm,不再需要在外部添加射頻信號功放，就可以使其具有較大的通信網(wǎng)絡(luò)性和通信數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行距離。3) 核心模塊芯片內(nèi)部已經(jīng)固化了802.15.4 mac、ZigBee、Rf4CE等多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,擺脫了WIFE、藍(lán)牙的傳統(tǒng)局限性。直接使用芯片內(nèi)部的多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與射頻模塊進(jìn)行通信，傳遞速度更快，傳遞精準(zhǔn)度更高[2]。STM32W108的引腳定義如圖3所示。

圖3 STM32W108電路圖

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊利用STM32W108芯片內(nèi)部固化了經(jīng)過ZigBee Alliance認(rèn)證的ZigBee 2007Pro協(xié)議棧，通過屏蔽部分的寄存器，直接利用協(xié)議棧提供的API進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，實現(xiàn)與上位機(jī)的無線通信。ZigBee能在15 ms內(nèi)激活，時間延遲非常低，因此ZigBee能從在睡眠狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，將射頻模塊收集到的信息迅速地傳遞到主機(jī)中，控制模塊對信息進(jìn)行處理并發(fā)出命令。

2.3 射頻模塊

射頻芯片模塊主要設(shè)計采用以IMPINJ-R2000芯片模塊為主的超高頻數(shù)據(jù)讀寫處理模塊，將文字?jǐn)?shù)據(jù)從射頻數(shù)據(jù)采集處理模塊中高速讀出，再經(jīng)由射頻無線通信控制模塊高速傳輸送到上位機(jī),存入系統(tǒng),完成數(shù)據(jù)處理的核心工作[3]。R2000芯片,其器件體積小,功耗低,所需最大輸入功率小,具有超高載波靈敏度，使用ALOHA防抖動碰撞控制算法,具有超高載波抖動抑制保護(hù)能力的超高頻數(shù)字讀寫控制能力[4]。

2.4 功率放大模塊

功率放大模塊電路圖如圖4所示。IMPINJ-R2000芯片內(nèi)部自帶功率放大器，但輸出功率只有+5dBm，因此讀寫距離無法達(dá)到實際應(yīng)用的需求。本讀寫器系統(tǒng)設(shè)計了外部功率放大模塊，用來提高射頻電路的輸出功率，提高后的輸出功率最大約為+30 dBm，讀寫范圍大大增加，能很好的滿足實際需求。

圖4 功率放大模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序流程

選用C語言作為應(yīng)用開發(fā)工具。系統(tǒng)軟件主要由六個模塊組成，分別是：快遞信息管理模塊，出入庫管理模塊，閱讀器閱讀管理模塊，設(shè)備及標(biāo)簽檢測模塊，庫存報警模塊和庫存信息查詢模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。根據(jù)用戶信息的不同，在用戶管理模塊有些不同，對于庫存管理模塊則完全相同。

3.2 防碰撞算法

當(dāng)有多個PICC(RFID電子標(biāo)簽)在PCD天線有效探測范圍內(nèi)時將會發(fā)生沖突。此時運(yùn)行防碰撞程序，可確保每個PICC均能被準(zhǔn)確識別。假設(shè)在PCD的檢測范圍內(nèi)有N個數(shù)PICC，PCD可以檢測到它們序列號的沖突位，并通過發(fā)送防碰撞指令的方式使N-1個PICC保持屏蔽狀態(tài)，最后一個PICC得到發(fā)出全部序列號并與該P(yáng)CD保持通訊的權(quán)限，然后在PCD的控制下使該P(yáng)ICC處于幾秒鐘的HALT(暫停)狀態(tài)。至此，第一次防碰撞循環(huán)完成。依此類推，經(jīng)過N-2次防碰撞循環(huán)即可完成其余N-1個PICC的讀操作。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié)論

本文利用RFID技術(shù)代替條形碼識別來提高快遞的識別效率,同時采用集成度較高的R2000讀寫器芯片，該芯片功能強(qiáng)大，內(nèi)部集成了大多數(shù)的元器件，也是唯一具有載波抑制功能的讀寫芯片，滿足了對產(chǎn)品小型化的需求。對在校園快遞管理背景下的快遞出入庫管理、清點、貨位統(tǒng)計、位置引導(dǎo)等方面進(jìn)行設(shè)計,證明了RFID技術(shù)在出入庫、清點等環(huán)節(jié)能夠提高作業(yè)效率,同時可以解決貨位、快遞單次出庫引起的問題。利用RFID技術(shù)對貨品的掃描、查找、統(tǒng)計、查對都是自動進(jìn)行,有效地減少了工作流程，提高了工作質(zhì)量。