基于ARM的RFID智能物流管理系統設計與實現

葉 鵬，馬 俊，王 威

（青海師范大學 計算機學院，青海 西寧810000）

0 引 言

隨著電子商務等領域的高速發展，每天需要處理的快件數量日益增多，越來越多的商品需要通過物流的渠道傳遞到消費者的手中，因此，便捷、高效的收發快件的重要性日益提高，成為物流管理發展的核心部分［1］。在國內，物流行業廣泛使用條形碼技術來標識快件，該技術成本較低，但在使用過程中常常會受到識別距離、工作環境以及反應速度等方面的限制，影響工作效率，不能滿足客戶和物流公司的需求［2］。在本系統中，采用RFID技術標識快件，RFID技術能夠有效克服條形碼技術在以往應用中存在的諸多不足，提高在物流管理中登記取件、快件配送環節的工作效率，以適應飛速發展的物流行業。

1 基于RFID技術的智能物流管理系統架構

RFID稱作無線射頻識別或者智能電子標簽，是一種通信技術，以非接觸的方式，自動的讀寫一個或多個運動或者靜止的電子標簽，讀寫距離依據工作頻率不同而不同，分為幾十厘米到幾十米，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢等，在條形碼無法正常使用的惡劣環境來閱讀標簽［3］，并且閱讀速度快，讀寫過程無需人工干涉，操作便捷。一個完整的RFID系統包括電子標簽 （tag）、閱讀器 （reader）、管理軟件［4］。電子標簽由耦合元器件和芯片組成，具有唯一的識別編碼，附著在物體上用作標識該目標對象；閱讀器用于讀取 （有時候可寫）電子標簽上的識別編碼，讀取到電子標簽上的識別編碼發送給管理軟件；管理軟件用于解析電子標簽的識別編碼，并管理目標對象的相關信息。目前，RFID技術已經得到了廣泛的應用：在生產、倉庫管理、運輸、醫療、工業自動化、道路收費、航空行李管理以及城市一卡通等領域，它的優點已經得到社會的認可和關注，促使該技術向其他領域不斷滲透，具有廣闊的研究和應用前景［5］。

管理系統由RFID讀卡器和PC機信息管理系統組成，其整體結構如圖1所示。RFID讀卡器是管理系統中快件信息采集的終端，是管理系統的核心部分，讀卡器包含射頻模塊、顯示模塊、Wi－Fi模塊等功能模塊：射頻模塊負責讀取電子標簽上的識別編碼并發送給后臺管理系統；顯示模塊包括LCD和觸摸屏，提供給用戶友好的人機交互界面，處理快件信息；Wi－Fi模塊用于實現RFID讀卡器與遠程服務器之間的網絡通信。PC機信息管理系統在管理系統中扮演者重要的角色，是系統內所有信息的管理中心，實現管理員對遠程服務內用戶信息與快件信息的管理，同時也可以分析和統計快件的相關信息并且做成報表，由管理人員分析。

圖1 系統結構

2 系統的硬件設計

RFID讀卡器是智能管理系統的核心部分，系統的硬件設計主要就是針對讀卡器設計進行的。RIFD讀卡器具體硬件框圖如圖2所示。讀卡器作為快件信息處理的移動終端，應該具備豐富的功能，并能夠獨立的工作，所以在以ARM11為核心的嵌入式平臺上擴展了射頻模塊、顯示模塊、通信模塊等。這些模塊的協同合作，實現RIFD讀卡器的功能。

圖2 RFID讀卡器硬件框架

2.1 主要芯片的介紹

RFID讀卡器的硬件設計是以搭載ARM11處理器的嵌入式平臺為主，在外圍擴展功能模塊來實現的。ARM11是ARMv6架構的新一代RISC處理器，采用了三星公司的S3C6410X芯片，工作頻率更高，性能更穩定，非常適合移動終端的推廣與使用。S3C6410X提供了豐富的硬件資源：4路UART、32路DMA、5路32位定時器、24位真彩LCD控制器、IIS接口以及IIC接口等［6，7］。依靠 ARM11強大的硬件資源，設計很方便地在其外圍電路中擴展了射頻模塊、顯示模塊、通信模塊，以滿足閱讀器功能的需要。

射頻模塊主要由微控制器 （MCU）、射頻芯片、電源濾波、模擬信號濾波等部分組成。本設計選用的射頻模塊使用的是TX125系列的射頻芯片，該芯片采用125K的射頻基站，讀寫距離最大可以達到20cm。TX125芯片以UART方式鏈接模塊內MCU時，可以工作在主動模式和被動模式。在主動模式的工作方式下，當有電子標簽靠近天線區，芯片會自動讀取電子標簽上的識別編碼并發送給模塊內的MCU。MCU擁有豐富的外圍接口，除控制射頻模塊的正常工作，還完成射頻模塊與外圍電路的通信。該芯片完全支持EM、TEMIC、TK等格式的電子標簽。TX125芯片體積小、簡單易用，功耗低等特點滿足設計需求，所以優先選擇TX125射頻芯片作為射頻識別芯片。

2.2 硬件接口介紹

ARM與射頻模塊的接口電路

圖3 ARM與射頻模塊的接口框架

射頻模塊的功能是讀取電子標簽的識別編碼并傳送給讀卡器的控制芯片S3C6410X。本設計采用串口的方式，將射頻識別模塊連接在嵌入式平臺的COM2口上，實現射頻模塊與S3C6410X的通信，保證在S3C6410X上準確讀取到電子標簽的識別編碼。COM2口是S3C6410X在UART總線基礎上擴展的，方便連接外圍的功能模塊。在射頻模塊中，根據設計需要，將TX125芯片的MODE3、MODE4引腳懸空，使芯片TX125與模塊內MCU采用串行 （UART）方式通信，工作模式為主動模式，可對電子標簽進行自動識別，此時，CLK引腳也可以懸空不接；在數據總線部分，TX125的TXD引腳分別接接模塊內MCU的RXD引腳，完成兩芯片模塊內的串行通信；MAX3232是一種電平轉換芯片，將MCU輸出的TTL與串口RS232電平的相互轉化，完成與嵌入式平臺上COM2口的通信。在TX125芯片中，TX1引腳、TX2引腳用來連接環形天線，增加讀寫的距離，提高TX125芯片工作的穩定性。該部分電路設計，設置了射頻模塊的工作方式，實現了射頻模塊與主控芯片S3C6410X的通信，保證后續功能的完成。ARM與射頻模塊的接口框架，如圖3所示。

2.3 ARM與顯示模塊、通信模塊的接口

顯示模塊實現用戶與RFID讀卡器間的人機交互，完成數據信息的處理。模塊上搭載了八寸的TFT LCD顯示屏和四線電阻式的觸摸屏，LCD顯示屏的分辨率為640×480，滿足設計和使用的需要。在S3C6410X嵌入式平臺上預留了LVDS接口，用來連接八寸的TFT LCD顯示屏，通過24位LCD真彩控制器，控制圖形界面在顯示屏上的顯示。顯示模塊中的AD7873芯片，是一款款逐次逼近的ADC，在觸摸屏上操作時，它將會把觸摸屏上產生的模擬信號轉換為數字信號，通過GPIO口傳遞給S3C6410X，由S3C6410X內部控制器解析觸摸屏上的操作，響應用戶的請求。

通信模塊由網絡通信和串口通信組成。在讀卡器上，除嵌入式平臺上的以太網卡口可以進行有線通信外，設計中還添加Wi－Fi模塊來完成無線通信。該無線模塊是一款USB直插的模塊，在S3C6410X內擁有一個USB2.0的主口，在嵌入式平臺通過使用USB Hub芯片將其擴展了4個下行口，Wi－Fi模塊通過該USB擴展接口完成與S3C6410X的通信，實現無線網絡通信的功能。通過USB接口鏈接無線模塊用方便，免去了對模塊驅動的開發。串口通信不僅可以實現讀卡器與上位機的通信，同時還方便讀卡器擴展功能模塊，S3C6410X的UART總線通過MAX3232芯片擴展符合RS232標準的串行接口：COM1和COM2。

3 系統的軟件設計

系統的軟件設計分為RFID讀卡器程序設計、PC機信息管理程序設計兩部分。RFID讀卡器程序運行在嵌入式終端Linux操作系統上，該操作系統內核精簡，運系統行節約硬件資源，非常適合嵌入式平臺的使用［8］，程序協同各個功能模塊完成讀卡器的功能，主要由三部分組成：讀標簽識別編碼、修改快件信息、完成網絡通信，設計流程圖如圖4所示。PC機信息管理程序則運行在Windows平臺的PC機，是系統的信息管理中心，保證系統穩定運行。系統的軟件程序在Qt環境下設計開發，Qt是一款跨平臺的程序開發框架，提供給開發者建立圖形用戶界面所需要所有功能。依靠優良的跨平臺性，開發者不僅可以開發復雜的Windows程序，也能夠開發嵌入式平臺上的GUI程序。

在開發中可供選用的嵌入式數據庫有很多，比如Oracle、MySQL、SQLite等，設計選用的是SQLite數據庫。SQLite是一款輕型的數據庫，它占用資源非常的低，并且支持支持 Windows、Linux、Unix等主流的操作系統，目前已經大量應用于嵌入式設備中。SQLite兼容大多數SQL語句，支持跨平臺，操作簡單，能夠使用多種語言直接創建數據庫［9］。

在Qt開發環境下，利用QSQLITE來指定程序綁定的數據庫類型為SQLite數據庫，并添加數據庫的連接驅動，代碼如下：

圖4 閱讀器程序設計流程

用戶登陸讀卡器首先需要驗證身份信息，驗證成功后才能開啟讀卡器上的服務程序，用戶信息由管理員進行注冊管理。

射頻模塊中識別芯片TX125工作在主動模式下，當帶有電子標簽的快件進入天線區，射頻模塊將自動讀取到該電子標簽的識別編碼發送給嵌入式平臺上的COM1口，讀取識別編碼就是讀取COM1口上接收的數據。讀卡器服務程序啟動后，會創建一個線程ComPthreadMonitorStart（），該線程負責實時檢測COM1口，等待射頻模塊發送數據。當有數據數據到達COM1口時，ComPthreadMonitorStart（）線程內會創建一個新的線程RFIDRevPthread（），在該線程內讀取并記錄保存COM1口中接受到的識別編碼。

TX125發送的數據格式：5字節數據和1字節校驗。例如：卡號數據為0B00D5F0C7，則射頻模塊輸出為0x0B、0x00、0xD5、0xF0、0xC7、0xE9，最后一位0xE9為校驗位，在數據部分，第一個字節0x0B是廠家碼，中間4個字節0x00、0xD5、0xF0、0xC7是卡片的序列號，程序將序列號轉化為十進制數，既得即得001402807。每個電子標簽的識別編碼是不同的，唯一標識一個標簽。程序將從串口上讀取到識別編碼轉換十進制數，保存為運單號，用于標識一個快件。

每次讀取識別編碼時，程序會依據運單號查詢數據庫中已保存的快件信息，判斷對應的信息是否已錄入數據庫。如果數據庫沒有該運單號的快件信息，用戶需要填寫快件相關的基本信息，操作界面如圖5所示，主要包括收件人與發件人的姓名、聯系電話、地址等個人信息；如果運單號對應的快件信息已經錄入數據庫，用戶可以選擇信息查詢，查看該快件的相關信息，如果需要派送，用戶選擇“快件派送”，該快件的狀態信息將由 “在庫”變為 “已派送”，表示派送成功。

圖5 快件信息修改界面

PC機信息管理程序由管理員登陸使用，由用戶信息管理、快件信息管理等部分組成。在用戶信息管理部分，管理員對使用RFID讀卡器的用戶進行信息注冊、管理，避免非法用戶使用RFID讀卡器；在快件信息管理部分，管理員負責管理數據庫中的快件信息，完成快件信息的修改、查詢，也可以根據不同的需求統計、分析快件信息，做成報表，供相關人員使用。

設計中，RFID讀卡器程序和PC機信息管理系統都是采用的C／S架構，遵循TCP／IP網絡傳輸協議。在Qt中提供了QTcpSocket類來實現讀卡器上以及PC機端的網絡通信的功能，完成與遠程服務器間的通信［10］。

4 系統測試與分析

設計完成后進行了一系列的測試驗證系統預期的設計目的：

（1）讀卡器識別RFID電子標簽。測試RFID電子標簽放置的距離不同對讀寫的影響和讀卡器上對快件信息的操作，經實測，讀寫距離最大可達到15cm。

（2）RFID讀卡器、PC機信息管理系統的網絡通信。測試讀卡器通過Wi－Fi連接互聯網完成數據庫信息與遠程服務器進行同步，測試PC管理系統對數據庫信息的查詢統計操作。

測試表明，本系統成功地完成預期功能，RFID識別率與讀寫距離都很理想，RFID讀卡器通過網絡通信，成功的完成終端數據與遠程服務器信息的同步；通過PC管理系統準確地進行數據庫信息管理和查詢。測試結果如圖5、圖6所示：分別為RFID讀卡器對快件信息的添加和PC機信息管理系統對快件信息的查詢。

圖6 PC機信息管理系統對快件信息的查詢界面

5 結束語

本文介紹了采用RFID技術的智能物流管理系統的設計與實現，該系統包括RFID讀卡器與PC機信息管理系統兩部分，RFID技術的使用克服了條形碼技術在傳統物流行業中表現出的不足，提高物流管理中收發環節的工作效率，滿足了物流行業發展的需要。在RFID讀卡器中，以ARM11為核心，擴展了射頻模塊、顯示模塊以及通信模塊，既能幫助用戶讀取電子標簽，也能實現讀卡器上數據信息的處理與網絡通信；PC機信息管理系統的設計，實現了管理員對用戶信息與快件信息的有效管理，保證整個系統運行的穩定。本設計體現了RFID技術的在物流行業中的優越性，對RFID技術在其他領域如安全識別、電力等領域的推廣與應用有參考作用。

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