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與條形碼等傳統(tǒng)識(shí)別方式相比, RFID 標(biāo)簽抗污染能力強(qiáng)、無(wú)須直接接觸、無(wú)須光學(xué)可視、無(wú)須人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理, 操作方便快捷[1]。超高頻 (UHF) RFID標(biāo)簽的感應(yīng)距離遠(yuǎn)、讀取速度快, 抗干擾能力強(qiáng), 適當(dāng)?shù)臈l件下識(shí)別率高[2], 可識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽[3], 廣泛地用于物品追溯[4,5]、供應(yīng)鏈[6,7]和人員跟蹤等。RFID技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管理的快速入庫(kù)和出庫(kù), 大幅度降低庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)人力資源[8,9]。

當(dāng)前UHF RFID標(biāo)簽的價(jià)格仍然較高, UHF RFID閱讀器價(jià)格昂貴, 這制約了RFID技術(shù)在中小型倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物品信息編碼, 入庫(kù)時(shí)關(guān)聯(lián)RFID標(biāo)簽, 出庫(kù)后更新管理數(shù)據(jù)并解除關(guān)聯(lián), 使RFID標(biāo)簽得以循環(huán)重復(fù)使用, 降低RFID標(biāo)簽使用成本;利用靜態(tài)字典編碼和線性表順序存儲(chǔ)在RFID閱讀器同步保存?zhèn)}儲(chǔ)數(shù)據(jù), 提高倉(cāng)儲(chǔ)管理的靈活性。從而有效促進(jìn)RFID技術(shù)在中小型倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域內(nèi)的規(guī)模應(yīng)用。

如圖1所示為基于超高頻RFID標(biāo)簽的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng), 它由倉(cāng)儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)庫(kù)和RFID系統(tǒng)組成, 包含RFID閱讀器對(duì)入庫(kù)/出庫(kù)物品信息采集和同步數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)過(guò)程。RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽和閱讀器終端組成, 讀寫(xiě)器和標(biāo)簽都帶有天線, 閱讀器可以搜索一定范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽并通信。不同于低頻和高頻RFID的能量耦合, 超高頻無(wú)源RFID標(biāo)簽采用反向散射方式工作[10], 標(biāo)簽利用接收到的由讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻能量, 將編碼信息利用反向散射調(diào)制回去, 其工作距離較遠(yuǎn)[11]。以Ti公司EPC Gen2標(biāo)簽為例, 使用導(dǎo)電銀漿印制天線, 響應(yīng)距離可達(dá)7米[12]。

物品入庫(kù)時(shí), RFID標(biāo)簽粘貼于物品外包裝紙箱, RFID閱讀器讀取RFID標(biāo)簽的EPC存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù) (UII碼) , 建立RFID標(biāo)簽和物品信息編碼關(guān)聯(lián)。物品出庫(kù)時(shí), 回收粘貼于物品外包裝的RFID標(biāo)簽, 便攜式終端讀取RFID標(biāo)簽的EPC存儲(chǔ) (UII碼) , 記錄出庫(kù)信息后同步數(shù)據(jù)庫(kù)更新庫(kù)存并解除該物品和RFID標(biāo)簽的關(guān)聯(lián)。解除關(guān)聯(lián)信息后的RFID標(biāo)簽備循環(huán)重復(fù)使用。

圖1 基于超高頻RFID標(biāo)簽的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)  下載原圖

倉(cāng)儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)庫(kù)作為倉(cāng)儲(chǔ)管理的服務(wù)器, 通過(guò)USB連接RFID閱讀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步, 將RFID閱讀器在物品入庫(kù)/出庫(kù)時(shí)采集信息及時(shí)更新管理數(shù)據(jù)庫(kù)。RFID閱讀器同步其出庫(kù)信息后, 解除RFID的關(guān)聯(lián)信息, 閱讀器上只保留倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)存物品的標(biāo)簽關(guān)聯(lián)信息。

物品信息編碼是RFID閱讀器存儲(chǔ)RFID標(biāo)簽對(duì)應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)物品信息的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)物品信息編碼壓縮, RFID閱讀器高效存儲(chǔ)數(shù)目龐大的入/出庫(kù)物品信息并同步管理數(shù)據(jù)庫(kù)。如表1所示, 為了完整地記錄入庫(kù)物品信息, 物品信息編碼包括類(lèi)別、品名、入庫(kù)時(shí)間、出庫(kù)時(shí)間、貨位號(hào)、供貨方以及提貨方。

表1 倉(cāng)儲(chǔ)物品信息編碼 導(dǎo)出到EXCEL

在物品編碼信息中, 類(lèi)別的劃分是用于方便貨物分類(lèi)存儲(chǔ)的;品名是物品的商品名稱(chēng), 是物流過(guò)程的統(tǒng)一名稱(chēng);入庫(kù)時(shí)間和出庫(kù)時(shí)間是分別對(duì)應(yīng)入庫(kù)附加RFID標(biāo)簽的時(shí)間和出庫(kù)移除RFID標(biāo)簽的時(shí)間, 并據(jù)其分析入庫(kù)和出庫(kù)情況、統(tǒng)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)和管理庫(kù)存;貨位號(hào)是物品堆碼的位置編號(hào), 供貨方和提貨方分別表征物品入庫(kù)來(lái)源和出庫(kù)去向。

字典編碼 (dictionary coding) 是文本壓縮的分支之一, 屬于無(wú)損壓縮。倉(cāng)儲(chǔ)物品編碼信息中的類(lèi)別、品名、供貨方和提貨方都是文本信息。由于倉(cāng)儲(chǔ)管理的特點(diǎn), 在入庫(kù)前入庫(kù)申請(qǐng)已進(jìn)行相關(guān)信息的登記, 也就是說(shuō)這些文本信息是管理數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)先知道的, 可以采用靜態(tài)字典編碼。

具體的編碼方法是將管理數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先知道的文本信息如類(lèi)別、品名、供貨方和提貨方分別按其字符串首字拼音順序排列, 構(gòu)建成靜態(tài)字典, 字符串對(duì)應(yīng)順序的編碼。如類(lèi)別字典中的第一個(gè)條目為“安防器材”, 對(duì)應(yīng)8比特二進(jìn)制編碼為“0000 0001”。

靜態(tài)字典條目的容量取決與編碼的長(zhǎng)度, 8比特編碼最大可以包含255個(gè)條目, 16比特編碼最大可以包含65535個(gè)條目, 能滿(mǎn)足倉(cāng)儲(chǔ)物品的類(lèi)別、品名、供貨方和提貨方的編碼需求。當(dāng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)靜態(tài)字典添加條目及其編碼, 只需要對(duì)RFID閱讀器進(jìn)行同步更新編碼字典。

入庫(kù)時(shí)間和出庫(kù)時(shí)間包含日期和時(shí)鐘兩部分, 日期編碼為16比特, 時(shí)鐘編碼16比特。

日期的編碼方式以過(guò)去的某一天為基準(zhǔn)日, 將當(dāng)前日期減去基準(zhǔn)日來(lái)實(shí)現(xiàn)日期的編碼。如以2010年12月31日為基準(zhǔn)日, 如果入庫(kù)日期為2011年3月1日, 則只需要存儲(chǔ)60;若編碼值為75 則日期為2011年3月15日。存儲(chǔ)16位時(shí), 周期為179年201天。

采用同樣的方法對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行編碼, 以0時(shí)0分作為基準(zhǔn), 當(dāng)前時(shí)鐘減去基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的編碼。如入庫(kù)時(shí)鐘為14時(shí)30分, 則存儲(chǔ)870;若編碼值為575, 則時(shí)鐘為9時(shí)35分。

日期和時(shí)鐘各自使用16比特二進(jìn)制編碼合并得到時(shí)間的編碼, 以2011年3月15日9時(shí)35分為例, 時(shí)間編碼的十六進(jìn)制表達(dá)為“00 4b 02 3f ”。

目前超高頻無(wú)源RFID標(biāo)簽廣泛使用EPC Gen2標(biāo)簽, 它符合ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn), 使用規(guī)模大, 價(jià)格也相對(duì)較低。EPC Gen2標(biāo)簽中, 16比特為1字, 其存儲(chǔ)器空間分為保留內(nèi)存、EPC存儲(chǔ)器、TID存儲(chǔ)器和用戶(hù)存儲(chǔ)器四個(gè)存儲(chǔ)體 (見(jiàn)圖2) 。

圖2 RFID 標(biāo)簽存儲(chǔ)空間  下載原圖

存儲(chǔ)體0是保留內(nèi)存, 包含32位的滅活口令 (Kill Password) 和訪問(wèn)口令 (Access Password) 。訪問(wèn)口令保護(hù)標(biāo)簽鎖存/解鎖操作, 滅活口令保護(hù)標(biāo)簽滅活操作。

存儲(chǔ)體1是EPC存儲(chǔ)器, 其自低地址往高地址依次為CRC-16、協(xié)議控制 (PC) 字和EPC字組。依據(jù)ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn), EPC存儲(chǔ)器容量為128比特, CRC-16為16位冗余效驗(yàn)碼, 協(xié)議控制 (PC) 字指示反向散射的物理層信息, 故可寫(xiě)入數(shù)據(jù)區(qū)為EPC字組, 其容量為96bit。協(xié)議控制 (PC) 字和EPC字組合稱(chēng)UII (Unique Item Identifier) 。

存儲(chǔ)體2是TID存儲(chǔ)器, TID (Tag ID) 電子標(biāo)簽永久不變的唯一標(biāo)識(shí)號(hào), 其內(nèi)容只讀。

存儲(chǔ)體3是用戶(hù)存儲(chǔ)器, 用戶(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)可讀可寫(xiě)。不同標(biāo)簽的用戶(hù)存儲(chǔ)器容量不同, 容量越大價(jià)格越高。通常在需要附加離線信息在標(biāo)簽上時(shí)才選用較大的用戶(hù)存儲(chǔ)器標(biāo)簽。

RFID標(biāo)簽不同于條形碼只標(biāo)識(shí)到類(lèi)別, RFID標(biāo)簽可以標(biāo)識(shí)到單品。RFID閱讀器存儲(chǔ)倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)表包含RFID標(biāo)簽的ID號(hào) (UII碼) 和它標(biāo)識(shí)的倉(cāng)儲(chǔ)物品信息編碼兩個(gè)字段。

由于倉(cāng)儲(chǔ)管理是標(biāo)簽循環(huán)使用的閉環(huán)應(yīng)用場(chǎng)合, 可以利用RFID標(biāo)簽EPC存儲(chǔ)區(qū)的可寫(xiě)入特性, 以順序增計(jì)數(shù)編碼。這樣, 以順序排列的RFID標(biāo)簽UII碼字段就可以省略, 從而使二維表可以以線性表存儲(chǔ)。而且, 由于倉(cāng)儲(chǔ)物品信息編碼長(zhǎng)度固定, 計(jì)算線性表中的偏移就可以讀取相應(yīng)的記錄。

可重用存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中, 入庫(kù)關(guān)聯(lián)RFID標(biāo)簽和出庫(kù)解除關(guān)聯(lián)是在RFID閱讀器上完成的。因而, RFID閱讀器是超高頻RFID可重用存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。文中上節(jié)已述, RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的單一倉(cāng)儲(chǔ)物品編碼信息是以線性表存儲(chǔ)在RFID閱讀器上, 對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行物理地址讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前市售的基于操作系統(tǒng)Windows CE的RFID閱讀器價(jià)格昂貴, 其對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行物理地址讀寫(xiě)存儲(chǔ)線性表的效率低且實(shí)現(xiàn)機(jī)制復(fù)雜, 故而有必要設(shè)計(jì)一種不帶操作系統(tǒng)方便進(jìn)行讀寫(xiě)物理地址的RFID閱讀器, 用于該倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)。

RFID閱讀器在倉(cāng)儲(chǔ)管理是具有鍵盤(pán)輸入和屏幕顯示的便攜式設(shè)備, 需要有必需的圖形用戶(hù)界面。μC/GUI是美國(guó)Micrium公司出品的一款針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀圖形軟件, 其源碼公開(kāi)、可移植、可裁減, 穩(wěn)定性和可靠性高, 故在本系統(tǒng)中采用了μC/GUI來(lái)設(shè)計(jì)RFID閱讀器的圖形用戶(hù)界面, 并在其框架下編程實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)線性表順序存儲(chǔ)。

倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)RFID閱讀器的硬件系統(tǒng)組成如圖3所示, 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)RFID閱讀器由微處理器LPC1768、超高頻RFID模塊、32Mbit SPI Flash存儲(chǔ)和其他外設(shè)組成。LPC1768是NXP公司采用ARM新一代低成本、低功耗Cortex-M3核的32位微處理器, 內(nèi)置512kB Flash存儲(chǔ)、64kB RAM以及8kB 引導(dǎo)存儲(chǔ)。為了能保存足夠多的存儲(chǔ)數(shù)據(jù), 擴(kuò)展32Mbit 串行Flash (如M45PE32) , LPC1768內(nèi)置高速SSP口可以快速讀寫(xiě)SPI Flash。LPC1768連接RFID模塊經(jīng)天線實(shí)時(shí)讀取無(wú)源超高頻RFID標(biāo)簽。讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的倉(cāng)儲(chǔ)編碼信息, 經(jīng)靜態(tài)字典解碼和時(shí)間解壓縮后, 標(biāo)簽關(guān)聯(lián)物品信息在μC/GUI設(shè)計(jì)的用戶(hù)界面上顯示。

圖3 RFID閱讀器的硬件系統(tǒng)組成  下載原圖

基于超高頻RFID的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)利用超高頻RFID標(biāo)簽感應(yīng)距離遠(yuǎn)、讀取速度快的特點(diǎn), 顯著提高了倉(cāng)儲(chǔ)管理的效率。當(dāng)前RFID技術(shù)大多部署在閉環(huán)應(yīng)用場(chǎng)合, 中小型存儲(chǔ)管理系統(tǒng)是典型的閉環(huán)應(yīng)用, RFID標(biāo)簽可重復(fù)使用, 這樣就有效減低了倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

信息編碼可以有效減少數(shù)據(jù)容量和提高存儲(chǔ)效率, 倉(cāng)儲(chǔ)物品信息編碼壓縮成固定長(zhǎng)度的序列, 使RFID閱讀器能夠高效存儲(chǔ)倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù), 提高了倉(cāng)儲(chǔ)管理的靈活性。通過(guò)將RFID閱讀器倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)同步更新管理數(shù)據(jù)庫(kù), 進(jìn)一步提升了倉(cāng)儲(chǔ)管理的效率和質(zhì)量。