仓储管理手持终端的设计与实现

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

近年来，随着物流管理的日益发展，仓储管理已经成为物流管理中的重要环节。注重引进先进的、无纸化的物流作业和建立高效的物流中心仓储管理至关重要[1-2]。所以开发并设计一个高效而又贴合企业需求的仓储管理手持终端具有重要的社会价值。无线射频识别技术(radio frequency identification，RFID)作为新一代非接触式自动识别技术[3-4]，配合WiFi无线数据传输，能够在采集数据与传输方面提高仓储管理的效率，从而推动仓储管理的发展。

手持终端设计包括两部分：①数据采集与处理部分，RFID模块采集仓储货物标签信息(商品种类、厂商名称、生产日期、库位信息等)，并将信息送入ARM9处理器进行预处理；②数据传输部分，信息经过ARM处理器处理成适合WiFi传输的数据格式，经WiFi传给上位机，或者上位机经过WiFi将数据发送到手持终端。

1 硬件系统设计

整个无线数据采集与传输系统由数据采集处理系统和数据传输服务系统组成。其中，数据采集处理系统主要由S3C2440处理器和RFID无线采集模块组成，其作用是当RFID模块接收到命令后，通过模块内阅读器与电子标签的通信发射部件——天线及其匹配电路发出调制信号进行寻卡，与电子标签建立通信。阅读器与电子标签结构如图1所示。RFID模块将接收到的射频卡内的信息传输给S3C2440进行处理，处理后的信息显示在LCD，并由处理器对数据采集模块发送控制命令，实现采集模块的复位、工作、休眠和关闭。数据传输服务系统的WiFi模块及其无线网络的主要作用就是识别处理器发送过来的控制指令，并根据指令完成对数据的传输。

图1 阅读器与电子标签结构图

1.1 处理器

本手持终端的设计主要满足仓储管理过程中数据的采集、处理及显示，本硬件设计处理器选用ARM9S3C2440处理器。三星公司的S3C2440为16/32位ARM9TDMI，内核带有16 kB cache的 RISC处理器,被设计用来为手持设备等提供一个低成本、高性能的方案；集成了UART、ISP等串行接口控制器、8通道10位ADC转换器、存储单元控制器、时钟和电源控制器、DMA控制器、LCD控制器、I2C控制器等外围控制器，可以实现丰富的外围接口功能；130个可编程通用GPIO口，处理速度高达533 MHz[5]。核心处理器包括专门为诸如移动电话、数字多媒体、GPRS通信系统和嵌入式设备等移动设备消费型产品设计的高性能、低成本处理器，其开发技术已经相对成熟。

1.2 阅读器硬件设计

RFID阅读器的任务是控制射频发射射频信号，通过射频收发器接收来自标签的信息。由于高频段数据传输率相对较高且通信质量较好，对移动终端网络不会产生影响，有利于手持读写器的进一步研发；此外，射频收发芯片MFRC522具有低电压、低功耗、低成本和便于手持设备开发等优点，所以本系统采用NXP公司的MFRC522作为RFID模块电路开发的核心芯片。MFRC522利用调制和解调的原理，在13.56 MHz频段集成了各种非接触式通信方法和协议。芯片内部集成的发送器部分可以驱动读写器的天线部分与ISO14443A/Mifare卡和应答机之间的通信而不需要另外的电路；数字电路部分可以处理完整的ISO14443A帧和错误检测。MFRC522芯片内部连接27.12 MHz的晶体；具有64 B的发送和接收FIFO缓冲区、灵活的中断模式和低功耗硬件复位功能；通信距离高达50 mm，但这取决于天线的长度和调谐；支持SPI、I2C和串行UART接口，供电电压为3.3 V，封装形式为HVQFN32。本系统采用SPI接口方式完成S3C2440处理器与MFRC522之间的数据传输，处理数据的速率达到10 Mbit/s。

本系统通过MFRC522芯片提供的5个引脚来实现SPI接口电路。这5个引脚分别为：D5(MISO)、D6(MISI)、D7(SCK)、RST、SDA。MFRC522作为从机与S3C2440进行SPI通信。数据可以通过D5引脚从MFRC522发回到S3C2440处理器，通过D6引脚从S3C2440处理器发送到MFRC522处理。D7引脚为时钟引脚，由S3C2440处理器产生。处理器可以通过使能RST引脚为低电平来产生硬掉电。在硬掉电模式下，MFRC522内部所有消耗能量的部件全部关闭(包括振荡器)。

1.3 WiFi模块的电路设计

本设计中WiFi模块使用的是Murata公司的LBWA18HEPZ模块。该模块内部采用88w8686芯片，提供SDIO和GSPI接口；内置一块38.4 MHz的晶体振荡器，内置的8 kbit EEPROM和1.8 V稳压器可以用3.3 V或1.8 V供电，使用方便。88w8686芯片适用于IEEE 802.11a/g/b标准，它具有传输速率高、覆盖范围广、功耗低、集成度高等特点；WiFi的覆盖半径基本上能达到100 m，而普通的蓝牙技术基本上只能覆盖15 m的半径区域；支持WEP 64/128、WPA、TKIP和AES等无线网络加密方式。芯片内置RF到基带的转换电路，同时支持19.2 MHz、20 MHz、24 MHz、26 MHz、38.4 MHz和40 MHz的晶振作为时钟源；采用68脚QFN封装，提供SDIO和GSPI两种接口方式；内置用于存放Tx帧队列和Rx缓冲数据的SRAM和Boot ROM。WiFi模块接口电路图如图2所示。

图2 WiFi模块接口电路图

本设计采用SDIO的方式将LBWA18HEPZ连接在S3C2440的SDIO接口上。图2中，SD_DATA0、SD_DATA1、SD_DATA2、SD_DATA3分别为SDIO接口通信的4个数据位；SD_CLK为来自于主处理器的同步时钟信号；SD_CMD为命令/回复信号。WiFi模块采用3.3 V供电，也可以直接由SDIO接口提供。ANT1引脚接天线，根据最大功率传输定理，ANT1引脚与天线之间需进行50 Ω阻抗匹配。

1.4 其他模块设计

数据和程序存储器模块主要有Flash和SDRAM，供电电压采用3.3 V供电。Flash采用三星公司的SST39VF1601，大小为2 MB，为数据的存储提供便利，并且可以作为Bootloader、Linux系统文件的存储。SDROM为HY57V641620，大小为8 MB，主要作为程序存储使用。由于本手持终端主要是和上位机通信并及时将数据和上位机进行交换，所以对于所选用的存储模块空间的大小已经足够。

S3C2440内部集成了LCD控制器，其逻辑功能是将LCD的图像数据从主存的视频缓冲区域传送到外部LCD设备。LCD显示器的主要作用是将上位机下达给手持终端的货物出入库或者盘点的命令加以显示，供工作人员执行；或者将由手持终端具体执行的操作显示在LCD上，供工作人员参考。

2 软件设计实现

软件系统包括嵌入式系统的移植、无线模块各接口的驱动和无线通信传输协议。手持终端的无线通信功能主要分为以下几个层次：①驱动层，包括WiFi模块驱动、RFID模块驱动、USB接口驱动及LCD驱动等；②协议层，包括RFID通信协议、WiFi通信协议等；③应用层，包括网络相关的应用程序等。软件整体结构如图3所示。

图3 软件整体结构图

2.1 RFID模块的软件实现

手持设备选择u-boot引导操作系统uclinux内核和根文件系统，在软硬件环境搭建好的情况下，进行RFID驱动程序的设计。RFID[6-10]的驱动主要是对MFRC配置寄存器进行设置，并将发送接收数据的字节、地址和工作模式等写入MFRC寄存器。RFID对标签进行数据读取的流程图如图4所示。

图4 RFID阅读器采集标签数据流程图

2.2 WiFi模块的数据传输过程

WiFi无线终端的数据通信方式是主从通信方式。当通过SDIO对工业现场的数据进行读取时，WiFi作为主机；当传送读取的数据时，WiFi又会作为AP接入点的从机。无线通信采用网络套接字进行编程。WiFi传输数据的具体流程图如图5所示。

图5 WiFi传输数据流程图

3 功能测试

RFID功能的测试主要是测试手持设备的RFID模块能否对标签信息进行读写等操作。首先将RFID驱动加载到手持设备上，然后通过串口终端secrue CRT输入命令cat /dev/rfid ，即可得到标签信息的读写结果。

WiFi功能测试主要是测试手持WiFi能否接入到无线网络skd-office。通过串口终端secrue CRT即可查看测试结果。首先使用ifconfig eth0 up命令激活WiFi模块，然后使用iwlist eth0 scan命令搜索无线网络。在终端通过命令iwconfig eth0 essid “skd-office”选择skd-office网络，再执行iwconfig eth0 ap auto；将ifconfig eth0 10.250.32.233 netmask 255.255.224.0作为目标板指定IP地址和默认网关，此时可以看到WiFi模块的LED指示灯亮起；用iwconfig eth0查看无线网络连接状态，即可成功接入“skd-office”无线网络。由于手持终端的IP地址和测试所用PC机的IP地址在同一网段，所以可以用ping命令验证无线通信功能。PC机的IP地址是10.250.32.174，使用ping 10.250.32.174来检验WiFi功能是否已经成功实现。

4 结束语

本文所设计的手持终端采用RFID无线射频识别技术，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。该手持终端具有非接触、读取数据及时准确等特点。仓储作业管理应用表明，该终端减少了人力资源的浪费，有效避免了错误率的发生。与此同时，结合WiFi技术对阅读器采集到的数据进行实时传输，可以有效解决传统仓库中布线难、实时性要求高、干扰较强的问题。

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