仪器仪表在当今工业生产中起着重要作用, 仓储管理是仪表企业整个供应链中的重要环节。仪表产品具有种类多、更新快的特点, 因而其仓储管理面临着巨大压力。仪表仓库的高效化管理是企业服务质量的保证, 更是企业形象和企业竞争力的重要保障。当今的仓库进出存作业十分复杂化多样化, 传统的人工管理模式和简单的静态仓储管理系统已无法保证仪表企业各种资源的高效利用。

在这种情况下, 特别是在当今的物联网背景下, RFID (Radio Frequency Identification) , 即射频识别技术呈现出了得天独厚的优势。RFID[1]是一种非接触式的自动识别技术, 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据, 识别工作无须人工干预, 可高效地工作于各种恶劣环境。同时该技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签, 操作快捷方便。基于RFID的仓库管理将为解决上述问题提供有效的途径。本文将RFID技术引入到了仪表仓库的自动化识别管理当中, 提出了一种新型仪表仓库自动识别管理系统的设计方案, 具有很高的实用价值。

新型仪表仓库自动识别管理系统的整体结构如图1所示, 整体系统分为RFID货架标签、RFID手持读写器和RFID管理中心3个子系统。其中RFID货架标签置于仓库个种类仪表架上, 采用有源主动式设计;RFID手持端基于嵌入式系统, 为移动读写端, 一方面可以对各个RFID货架标签信息进行读出和写入, 另一方面可以实现和RFID管理中心端的双向联络;RFID管理中心端为整体系统的控制核心, 采用上位机/下位机模式, 基于MCU的信号收发器通过USB总线[2]与上位PC机通信, 上位PC机基于数据库系统完成仓库信息管理。

图1 自动识别管理系统的整体方案  下载原图

系统的硬件设计分为RFID货架标签硬件设计、手持读写器硬件设计和管理中心硬件设计三部分, 考虑到基础硬件的相似性, 对货架标签和手持读写器采用了相同的硬件设计方案, 功能差异用软件实现。整体系统的硬件结构如图2所示。

图2 RFID系统的硬件结构图  下载原图

无线射频通信是RFID系统的基础, 因此射频通信电路设计是整体硬件子系统的首要设计重点。此外, 数据显示电路、USB接口电路设计也是系统的重点硬件支撑, 设计框图如图3所示。

图3 无线通信电路原理图  下载原图

采用2.4GHz低功耗无线射频芯片nRF2401进行了RFID货架标签、手持读写器和管理中心三端中的射频通信电路的设计与实现。其中, nRF2401[3]工作于2.4～2.5GHz ISM频段, 芯片内置了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块, 输出功率和通信频道可通过程序进行配置。在RFID货架标签和手持读写器中, 设计了LCD液晶显示屏, 用来实时显示仪表信息和参数数据。采用了工业字符型液晶LCD1602, 能够同时显示2行×16列即32个字符信息。RFID管理中心端的信号收发器通过USB总线与上位PC机通信, 设计中采用了具有本地模式的8位数据总线及中断输出的USB接口芯片CH372。

系统软件设计也分为货架标签端软件设计、手持端软件设计和管理中心端软件设计三部分。标签端和手持端的软件设计主要基于C语言实现, 管理中心端PC主机软件基于Java和数据库编程实现。

货架标签端设置为多个, 按类别固定在各仪表货架上, 标签端程序流程如图4所示。采用主动方式, 定时广播含有自身ID信息以及仪表种类信息的数据, 未检测到手持端时循环广播。当检测到有手持端进入广播区域后, 接收手持端信息并向其发送握手应答信号。然后对接收到的信息进行解析, 判断是否有操作请求, 有则执行操作;操作完成后或未接到请求时, MCU会扫描键盘请求, 必要时对键盘事件进行及时处理。

图4 标签端软件流程图  下载原图

手持端同时面向中心端和标签端进行无线连接通信, 其软件流程如图5所示。所有操作均安排在一个主循环中完成。循环过程中首先监测中心端, 当收到指令后进行校验、解析和操作执行;然后检测有效区域内的标签, 若匹配成功则执行操作;最后检测键盘请求。研发过程中, 手持端软件基于C语言代码编程实现。

图5 手持端软件流程图  下载原图

中心端软件主要负责仪表库数据的核心管理任务。设计过程中采用了RFID中间件技术, 软件成序的结构如图6所示, 可分为应用程序层、服务接口层、RFID中间件和信号收发器驱动层。

图6 管理中心主机程序结构框图  下载原图

中间件[4]介于底层RFID硬件设备与应用软件中间, 对来自RFID信号收发器传来的与标签相关的事件、数据进行过滤、汇总和计算, 减少从收发器传往应用层的巨量原始数据。中间件主要完成硬件设备的协调控制、标签数据的过滤与事件处理和数据路由等功能[5]。

顶层应用程序的开发基于Java语言和PB数据库编程, 采用了B/S结构实现[6], 其功能拓扑如图7所示。能够很好地完成客户及仓库基础信息的管理、仓库操作信息及仪表信息的管理等功能。

图7 管理中心主机程序功能框图  下载原图

为检验方案性能, 我们采用实验室模拟和仓库现场试用的方法对系统进行了大量的性能测试实验。对测试结果进行汇总分析表明, 该系统的功耗较传统装置降低了26.9%, 平均识别管理效率提高了18.2%, 系统运行稳定, 能够很好地满足仪表仓库的进出存管理要求。

本文提出了一种基于RFID技术的仪表仓库自动识别管理系统设计方案, 基于2.4GHz无线通信和嵌入式计算机技术构造了系统的硬件平台, 基于嵌入式编程和数据库编程技术完成了各子系统的软件程序设计。该系统可以显著提高仪表仓库的进出存管理效率, 节省管理成本;另外, 本设计方案的提出对增强仪表仓库管理的自动化和智能化水平具有积极的推动作用。综上所述, 该系统具有较高的实用价值。