儀器儀表在當今工業生產中起著重要作用, 倉儲管理是儀表企業整個供應鏈中的重要環節。儀表產品具有種類多、更新快的特點, 因而其倉儲管理面臨著巨大壓力。儀表倉庫的高效化管理是企業服務質量的保證, 更是企業形象和企業競爭力的重要保障。當今的倉庫進出存作業十分復雜化多樣化, 傳統的人工管理模式和簡單的靜態倉儲管理系統已無法保證儀表企業各種資源的高效利用。

在這種情況下, 特別是在當今的物聯網背景下, RFID (Radio Frequency Identification) , 即射頻識別技術呈現出了得天獨厚的優勢。RFID[1]是一種非接觸式的自動識別技術, 它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據, 識別工作無須人工干預, 可高效地工作于各種惡劣環境。同時該技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽, 操作快捷方便?；赗FID的倉庫管理將為解決上述問題提供有效的途徑。本文將RFID技術引入到了儀表倉庫的自動化識別管理當中, 提出了一種新型儀表倉庫自動識別管理系統的設計方案, 具有很高的實用價值。

新型儀表倉庫自動識別管理系統的整體結構如圖1所示, 整體系統分為RFID貨架標簽、RFID手持讀寫器和RFID管理中心3個子系統。其中RFID貨架標簽置于倉庫個種類儀表架上, 采用有源主動式設計;RFID手持端基于嵌入式系統, 為移動讀寫端, 一方面可以對各個RFID貨架標簽信息進行讀出和寫入, 另一方面可以實現和RFID管理中心端的雙向聯絡;RFID管理中心端為整體系統的控制核心, 采用上位機/下位機模式, 基于MCU的信號收發器通過USB總線[2]與上位PC機通信, 上位PC機基于數據庫系統完成倉庫信息管理。

圖1 自動識別管理系統的整體方案  下載原圖

系統的硬件設計分為RFID貨架標簽硬件設計、手持讀寫器硬件設計和管理中心硬件設計三部分, 考慮到基礎硬件的相似性, 對貨架標簽和手持讀寫器采用了相同的硬件設計方案, 功能差異用軟件實現。整體系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 RFID系統的硬件結構圖  下載原圖

無線射頻通信是RFID系統的基礎, 因此射頻通信電路設計是整體硬件子系統的首要設計重點。此外, 數據顯示電路、USB接口電路設計也是系統的重點硬件支撐, 設計框圖如圖3所示。

圖3 無線通信電路原理圖  下載原圖

采用2.4GHz低功耗無線射頻芯片nRF2401進行了RFID貨架標簽、手持讀寫器和管理中心三端中的射頻通信電路的設計與實現。其中, nRF2401[3]工作于2.4～2.5GHz ISM頻段, 芯片內置了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊, 輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。在RFID貨架標簽和手持讀寫器中, 設計了LCD液晶顯示屏, 用來實時顯示儀表信息和參數數據。采用了工業字符型液晶LCD1602, 能夠同時顯示2行×16列即32個字符信息。RFID管理中心端的信號收發器通過USB總線與上位PC機通信, 設計中采用了具有本地模式的8位數據總線及中斷輸出的USB接口芯片CH372。

系統軟件設計也分為貨架標簽端軟件設計、手持端軟件設計和管理中心端軟件設計三部分。標簽端和手持端的軟件設計主要基于C語言實現, 管理中心端PC主機軟件基于Java和數據庫編程實現。

貨架標簽端設置為多個, 按類別固定在各儀表貨架上, 標簽端程序流程如圖4所示。采用主動方式, 定時廣播含有自身ID信息以及儀表種類信息的數據, 未檢測到手持端時循環廣播。當檢測到有手持端進入廣播區域后, 接收手持端信息并向其發送握手應答信號。然后對接收到的信息進行解析, 判斷是否有操作請求, 有則執行操作;操作完成后或未接到請求時, MCU會掃描鍵盤請求, 必要時對鍵盤事件進行及時處理。

圖4 標簽端軟件流程圖  下載原圖

手持端同時面向中心端和標簽端進行無線連接通信, 其軟件流程如圖5所示。所有操作均安排在一個主循環中完成。循環過程中首先監測中心端, 當收到指令后進行校驗、解析和操作執行;然后檢測有效區域內的標簽, 若匹配成功則執行操作;最后檢測鍵盤請求。研發過程中, 手持端軟件基于C語言代碼編程實現。

圖5 手持端軟件流程圖  下載原圖

中心端軟件主要負責儀表庫數據的核心管理任務。設計過程中采用了RFID中間件技術, 軟件成序的結構如圖6所示, 可分為應用程序層、服務接口層、RFID中間件和信號收發器驅動層。

圖6 管理中心主機程序結構框圖  下載原圖

中間件[4]介于底層RFID硬件設備與應用軟件中間, 對來自RFID信號收發器傳來的與標簽相關的事件、數據進行過濾、匯總和計算, 減少從收發器傳往應用層的巨量原始數據。中間件主要完成硬件設備的協調控制、標簽數據的過濾與事件處理和數據路由等功能[5]。

頂層應用程序的開發基于Java語言和PB數據庫編程, 采用了B/S結構實現[6], 其功能拓撲如圖7所示。能夠很好地完成客戶及倉庫基礎信息的管理、倉庫操作信息及儀表信息的管理等功能。

圖7 管理中心主機程序功能框圖  下載原圖

為檢驗方案性能, 我們采用實驗室模擬和倉庫現場試用的方法對系統進行了大量的性能測試實驗。對測試結果進行匯總分析表明, 該系統的功耗較傳統裝置降低了26.9%, 平均識別管理效率提高了18.2%, 系統運行穩定, 能夠很好地滿足儀表倉庫的進出存管理要求。

本文提出了一種基于RFID技術的儀表倉庫自動識別管理系統設計方案, 基于2.4GHz無線通信和嵌入式計算機技術構造了系統的硬件平臺, 基于嵌入式編程和數據庫編程技術完成了各子系統的軟件程序設計。該系統可以顯著提高儀表倉庫的進出存管理效率, 節省管理成本;另外, 本設計方案的提出對增強儀表倉庫管理的自動化和智能化水平具有積極的推動作用。綜上所述, 該系統具有較高的實用價值。