基于RFID和ZigBee的快遞管理系統①

鐘 亞，劉 瑛

(成都理工大學 信息科學技術學院，成都 610059)

網上購物熱潮興起，高校快遞日益成為各物流企業的主要市場.但隨著校園快遞業務量的迅速增長，人工取件效率未得到相應的提升，導致取件排隊時間長，取件擁擠等現象層出不窮.

傳統快遞取件模式通常使用紙質單據、條形碼等方式，工作人員須在有效的距離內將紅外線對準條形碼才能掃描成功，條形碼必須保持整潔，且不能批量讀取[1]，貨物出入庫效率低.同時，依靠人工錄入信息，工作量大且效率低，增加物流環節的人工成本.在取件時，還需核對身份證、電話號碼、取貨碼等個人信息，取件流程繁瑣導致排隊等候時間長，用戶體驗感差.并且驛站工作人員需每天對貨物出入庫信息進行統計，對貨物位置信息重新歸類移動，依靠現有的快遞管理系統工作量巨大.條形碼在使用中，受環境影響大，易破損導致無法識別，而RFID 標簽抗損壞能力強.另一方面，條形碼存儲少量信息量，只能標識一類物品，不能攜帶物品的差異信息.電子標簽可以攜帶物品名稱、姓名、地址等具體屬性信息[2，3].

目前，RFID 技術主要應用于物流管理、數據采集、物體定位等場景[4，5]，因此，本文提出了一種基于RFID 的快遞管理系統，利用RFID 技術來實現自動化管理快遞，將 RFID 標簽貼在每個貨物的包裝，在標簽中寫入貨物的地址、姓名、電話等信息，在驛站貨架上設置固定式讀寫器，獲取貨物位置等信息，生成相應的二維碼，自動發送到用戶手機，用戶可在出口閘機通道掃描快遞上的 RFID 標簽及手機上的二維碼，進行匹配，完成自主取貨，提高快遞出入庫效率.

作為嵌入式簽收設備和上位機軟件的連接方式，通信工具的選擇會影響到通信的高效性和穩定性.在本系統中，需在快遞驛站的各個貨架上放置RFID 讀寫器，對通信方式的靈活性和可擴展性有一定的要求.有線通信一般是利用金屬電纜、光纖等有形媒介進行信息傳遞[6]，其靈活性受到一定的限制，因此選擇無線通信作為主要的信號傳輸方式.WiFi 是現在使用最為廣泛的無線通信技術，成本較低，缺點是易受其他信號的干擾，造成信號傳輸質量的不穩定，因此會影響數據的準確性.藍牙，是一種短距離的低功耗的無線傳輸技術，但信號易受干擾、傳輸距離較近等，適用于個人網絡，不適合各讀寫模塊之間的通信.Z-wave 是一種基于射頻的高可靠、低成本、用于短距離的通信技術，但它的標準是并不完全開放[7，8].ZigBee 技術是一種新的無線傳感網絡技術，效率高、時延短、安全性高[9]，通過多個節點之間相互連接、相互協調來實現通信.與其他通信方式相比，ZigBee 有一個顯著的特點，它具有強大的組網能力，可以通過拓撲結構中的主節點來管理子節點，從而延伸單個節點的傳輸范圍.

1 快遞管理系統組成

快遞管理主要分為：入庫管理、庫存管理、出庫管理3 個部分[10]，系統結構圖如圖1所示.在貨架上安裝固定式閱讀器，對各個區域的貨物進行檢測，當貨物到達驛站后，RFID 標簽進入讀寫器的掃描范圍，貨物的信息都會被自動記錄，通過局域網將信息發送給數據庫管理系統進行數據比對，可以節省大量的時間，并且記錄的信息完整準確.數據庫管理系統的架構主要由SQL Server 2016 和My SQL 組成，本部分主要負責處理快遞信息，核對用戶，實時更新快遞信息.

快遞取件系統示意圖如圖2所示，本系統利用RFID 標簽代替條形碼識別，在RFID 標簽中寫入貨物的收件人姓名、快遞單號、聯系方式、地址等信息，將RFID 標簽貼在每個貨物的包裝上.當RFID 標簽進入讀寫器的掃描范圍，讀寫器進行自動編碼形成貨物唯一的識別號.數據庫管理系統將標簽信息生成二維碼，發送到用戶手機.用戶可根據位置信息和驛站內部結構示意圖，方便快捷地找到自己的快遞.貨物出庫時，在驛站出口處的平臺式讀寫器上掃描快遞，讀寫器讀取標簽信息，發送至平臺后端，在顯示屏上掃描二維碼進行信息匹配，平臺后端將匹配信息發送至數據庫存儲.同時，帶有標簽的快遞可實現防盜報警，減少快遞丟失現象的發生.

圖1 系統結構圖

圖2 快遞取件系統示意圖

2 系統硬件設計

快遞管理系統主要實現快遞信息的采集、處理和傳輸功能，系統總體硬件設計框圖如圖3所示，主要由上位機系統、射頻識別系統、閘機通道系統、ZigBee 無線傳輸模塊構成.

上位機系統主要由PC 端和數據庫管理系統組成，對快遞信息進行保存和更新.射頻識別系統包括RFID 讀寫模塊、MCU 控制模塊、電源模塊，RFID 讀寫模塊負責數據的采集和傳輸.MCU 控制模塊作為系統的控制終端，控制射頻識別系統的數據采集，電源模塊為射頻識別系統提供穩定的工作電壓，保證設備持續穩定地工作.閘機通道系統主要由平臺式RFID 讀寫模塊、MCU 控制模塊、電源模塊、防盜模塊、LCD顯示模塊組成，平臺式RFID 讀寫模塊對快遞上的RFID 標簽進行標志位的清除，以MCU 控制模塊的繼電器模擬閘機通道的打開，防盜模塊可對未清除標志位的標簽發出警報，LCD 顯示模塊用于顯示平臺式RFID 讀寫模塊接收的快遞信息，便于用戶進行確認.ZigBee 系統包括協調器和終端節點，終端節點將閱讀器采集的信息經過ZigBee 無線網絡傳輸到協調器，經過協調器處理后上傳到上位機系統.

圖3 硬件設計框圖

2.1 射頻識別系統

射頻識別系統包括RFID 讀寫模塊、MCU 控制模塊、電源模塊，其框圖如圖4所示.

圖4 射頻識別系統框圖

2.1.1 MCU 控制模塊

MCU 控制模塊芯片采用基于Cortex-M4 內核的STM32F407ZGT6 處理器，與Cortex-M3 相比，其內部集成了優化的單指令多數據指令、飽和算法指令、可選擇的浮點運算單元和雙循環乘法累計單元等[11，12].該模塊主要負責處理接收RFID 讀寫模塊的數據，并通過串口送至ZigBee 終端節點.

MCU 外圍電路主要包括復位電路、通信接口電路、JTAG 調試接口電路.

2.1.2 RFID 讀寫模塊

基于快遞的運輸特性及快遞數量的龐大，在選取RFID 標簽時需要考慮標簽讀寫距離、耐受工作環境、標簽頻段、標簽類型等性能指標.

本系統的RFID 讀寫模塊選擇了奧地利的專用UHF 射頻識別讀寫器集成芯片AS3992，覆蓋大部分UHF 頻段，其接收靈敏度高達-86 dbm，支持多通信協議[13，14].讀寫器的主控制電路主要負責控制發送和接收數據，處理MCU 發送的數字信息，通過射頻信號利用天線發送給電子標簽，并將電子標簽反射回來的射頻信號經天線接收后進行混頻、放大、濾波、數字化等處理后傳輸給MCU[15]，RFID 讀寫模塊主要通過GPIO 口與MCU 進行通信.

AS3992 芯片可分為兩部分：射頻模塊和MCU 接口模塊.AS3992 可通過8 位并行線或4 線串行和MCU連接通信，接收來自MCU 的指令并反饋對應信息.

2.2 電源模塊

電源模塊主要實現穩壓即電壓轉換功能，MCU 控制模塊所用芯片STM32F407ZGT6 的典型工作電壓是3.3 V，電路中的一部分元器件也需要3.3 V 的工作電壓，通過低壓差線性調整器AMS1117-3.3 設計出BUCK降壓電路，電路圖如圖5所示.

圖5 電源電路

2.3 閘機通道系統

閘機通道系統主要由平臺式RFID 讀寫模塊、MCU 控制模塊、電源模塊、防盜模塊、LCD 顯示模塊組成，框圖如圖6所示.用繼電器模擬閘機通道，用蜂鳴器模擬防盜模塊.取件成功，繼電器開，表示閘機通道打開.取件不成功，蜂鳴器響，表示防盜模塊啟動.

圖6 閘機通道系統框圖

2.3.1 MCU 控制模塊

此處所用的MCU 控制芯片與射頻識別系統一致，外圍電路主要由報警器電路、繼電器電路構成，報警電路如圖7所示.

圖7 報警電路

2.3.2 液晶顯示模塊

LCD 顯示屏選擇電容式觸摸屏ATK-4.3’ TFTLCD[16]，其分辨率為800×600，采用NT555IO 驅動.LCD 采用使用16 位并口與外部進行連接，觸摸屏采用IIC 接口，供電電源為3.3 V.用戶在閘機通道處掃描快遞，液晶顯示屏能夠顯示快遞數量、姓名等信息，便于用戶確認信息.

2.4 ZigBee 無線傳輸模塊

本部分主要實現讀寫器設備和上位機系統之間的通信.ZigBee 傳輸模塊是整個系統的核心模塊，采用CC2530 芯片作為ZigBee 的核心控制器[17，18]，使用CH340 電平裝換芯片連接上位機軟件，再通過串口直接和射頻識別系統連接.RFID 讀寫模塊采集的信息通過ZigBee 終端節點傳到協調器[19，20]，按照ZigBee 規范組建網絡，實現RFID 數據傳輸.CC2530 核心的電路圖及其外圍電路如圖8所示.

3 系統軟件設計

3.1 RFID 讀寫模塊軟件設計

閱讀器上電復位后，模塊初始化，不斷被發送到外界，閱讀器會一直檢測是否有RFID 標簽在其讀寫范圍內，直到有RFID 標簽進入讀寫范圍，進入接收模式.讀取RFID 標簽發來的數據信息并檢測碰撞情況，若發生碰撞，則調用防碰撞算法對其中一個標簽進行讀寫.信息讀完后，閱讀器會發送確認接收信號標志位，存儲讀到的標簽信息，并通過與 ZigBee 終端節點的通信上傳到上位機.程序流程圖如圖9所示.

圖9 RFID 讀寫模塊流程圖

3.2 閘機通道系統軟件設計

在平臺式讀寫器上放置帶有RFID 標簽的貨物，用戶掃描二維碼，只有當二維碼中的信息與標簽中的信息匹配，讀寫器將RFID 標簽中的標志位清除，同時閘機通道打開，用戶取件成功；否則，若未清除標志位的貨物經過閘機通道，防盜模塊將啟動報警信號，程序流程圖如圖10所示.

4 實驗結果分析

4.1 成功率測試

對安裝在每一層貨架上的讀寫器讀寫電子標簽的能力分別進行測試，共測試了60 次，測試結果如表1、表2所示.

測試結果表明，射頻識別系統讀取和寫入標簽的能力存在差異，讀取標簽的成功率更高，平均寫入速度為33 張/s，平均讀取速度為41 張/s.隨著距離的增大，讀取和寫入數據的能力逐漸降低，影響快遞信息傳遞的準確性，最佳距離在3.5 米左右.

圖10 閘機通道系統流程圖

表1 寫入標簽能力測試

表2 讀取標簽能力測試

4.2 并發測試

上位機系統能支持多個終端設備，當讀寫器的作用范圍內存在多個標簽，并有兩個或者以上的標簽同時響應，讀寫器將會產生沖突.針對這種問題，目前主要采用的解決方式為基于TMDA (Time Division Multiple Access)的樹分叉算法，該方法應用簡單，識別速度快，平均識別一個標簽約為8 ms，可以實現大量標簽的讀取，從而實現讀寫器可以與多個標簽通信，進行數據傳輸，再經過ZigBee 網絡的多個節點，傳輸到上位機系統.系統分別對設備內不同數量的快遞進行測試，得到的測試結果如表3所示.

表3 不同數量的快遞并發測試

測試結果表明，在進行并發測試時，隨著設備內快遞數量的增加，查詢速度在減慢，系統處理能力也呈下降趨勢.

5 結語

利用RFID 技術管理快遞取件系統，一方面，不再使用暴露姓名、電話的紙質單據，減少了用戶個人信息的泄露，另一方面，入庫自動化減少了物流環節的人工成本，提高快遞入庫效率；出庫自動化減少了用戶排隊等候的時間，用戶體驗感增強，并且快遞系統的容錯率提高.