基于手持RFID设备的信息管理应用系统设计

◎四川大学计算机学院 罗健瑞

互联网、物联网等相关技术的发展正在改变着人们的生活方式，今天足不出户可以购买全世界的商品，商品货物的管理和转运发生着巨大的变化，仓库提供了货物的存储功能，为满足日益增长的各种需求，其管理也在进行彻底的改变[1-2]。实现仓库信息的快速与精确的管理是供应链中十分重要的一个环节，并在企业管理和日常生活中发挥着巨大的作用[3]。

传统情况下，货物生产出来要放在仓库中保管，保管员对入库和出库进行登记管理，并建立货物台账定期进行盘点，以保证存储在仓库中的货物的信息的正确性。其缺点是操作繁琐、出错率高、查询困难、统计困难，随着企业的生产规模和产品种类的不断的扩展，其仓库中的原材料及其产品的种类越来越多、出入库操作的频率越来越频繁，人工在大面积仓库中准确查找物品越来越困难。而基于RFID 技术[4]的仓库信息管理系统[5]设计与应用方案为解决上述问题提供了可用的途径，借助RFID 技术设计和开发相应的仓库信息管理应用系统，通过手持读写器实现货物数据的批量、实时采集与高效准确获取，可以实现仓库人员与货物的管理、使用RFID 标签对货物进行贴标签和存放位置管理、使用移动的RFID读写器来扫描货物的信息进行货物的出入库管理[6]、实现货物的动态统计汇总、并对物品进行分类管理、分析流量和进出的频率等，为企业的整体管理与运营提供辅助决策支持[7]。

为此，本文针对仓库货物的信息管理，借助于RFID 相关设备与技术，设计实现了仓库信息管理系统[8]。该系统通过无线信号识别标签数据从而获得货物的详细信息，电子标签中包含了物品详细信息而且是唯一货物的标识，使用手持移动读写器扫描标识获得货物的详细信息，由计算机网络把货物及其RFID 标签的信息传输到仓库信息服务器上进行存储和管理，并按照仓库的位置进行存放，实现仓库货物的快速与精确管理。

一、仓库信息管理系统总体结构

（一）仓库信息管理系统的逻辑架构

仓库信息管理系统的逻辑架构图如图1 所示。仓库信息管理系统对要存放的货物使用RFID 技术进行定制货物的电子标签[9]，标签中记录货物的标识、名称、所属类型、尺寸大小、用途等信息，读写器可以安装在移动终端或固定位置上，读写器包括传送器、接收器和微处理器等部件，读写器的工作原理由自身的天线发出射频信号，电子标签的天线按照频率来接收，电子标签发射内部存储的货物标识信息[10]，电子标签记录了货物的详细信息，是处理的货物信息载体，固定读写器先读电子表情信息、写入货物信息到标签、打印标签贴到货物上，这样就建立了货物信息与电子标签的联系，通过管理标签来追踪货物的情况，要求完成标签即仓库物品的入库、管理、出库、盘点、移交等业务活动。

仓库信息管理系统的逻辑结构主要分为三个层次，最下层是仓库货物的数据采集，对应于系统中使用的物理设备。数据传输网络即系统的网络层。业务应用用户API 即系统的应用层。采用RFID 技术来采集记录在标签上的货物的基本信息，包括电子标签的生成、打印及其和货物的关联、仓库存放的位置等，固定读写器用来对货物的电子标签进行写入，即对每一个仓库管理系统中的物品进行唯一的标签生成，根据应用的不同需要存储的信息也不同，例如把货物的标识及其完整的描述信息写到对应的标签上。手持读写器是仓库人员在出入库、盘点等场合用来采集货物的详细信息，需要通过天线把标签中的数据读出发射给读写器，读写器通过自己的天线接收数据，这样货物的数据就进入到读写器的存储中，读写器和计算机要设置网络环境保证读写器的数据能够正确的传输到管理的计算机上，读写器可以和计算机直接连接或者通过一些专用的通讯（WIFI、蓝牙、RFC 等）模块来完成数据的传输，利用事件处理组件完成RFID 数据的交互工作。本系统使用的读写器提供了WIFI 通讯模块，进行适当的配置就可以使用，其部署方便且满足系统中数据传输的性能要求。应用层上开发网页版的客户端应用API 和手持与固定读写器的应用程序。客户端应用程序的功能包括系统的初始化、用户与角色管理（包括数据库管理员、系统管理员、仓库操作员、统计分析员、固定读写器用户、移动读写器用户等）、系统管理包括网络配置管理、基础数据与日常业务数据的备份与恢复等功能，仓库的终端业务提供可以在计算机上实现仓库的日常动态的出入库操作、报表的生成、各种复合的查询响应等功能。手持移动RFID读写器提供的功能有通讯、货物标签的扫描、传输来配合完成出库、入库、盘点、移交等仓库日常工作的功能；固定读写器上需要在完成移动读写器的功能基础上，完成和计算机连接起来为每个货物生成电子标签并记录到仓库数据库中，通过使用RFID 的相关设备进行数据采集、通过RFID 设备与服务器相连接的网络或者直连通道进行数据传输和仓库管理中的货物日常出入库及其客户与人员的信息管理的业务应用的三个不同层面的数据交互，完成仓库货物的快速与准确的自动化管理工作。

图1 仓库信息管理系统的逻辑结构

（二）仓库信息管理系统网络拓扑图

在仓库信息系统逻辑结构的基础上，设计仓库信息系统物理实现的模式及系统网络拓扑图。系统网络拓扑图包括了四个部分如图2 所示，分别是数据中心部分、标签制作管理部分、手持RFID 操作部分和用户客户端API 部分。数据处理中心部分是仓库信息系统的数据库服务器和WEB 服务器，提供数据存储和应用发布，标签制作是使用固定读写器制作写入标签并管理，手持RFID 用来扫描仓库货物进行出入库和盘点操作，客户端API 实现仓库信息管理，这四个部分通过网络相互通讯。从系统的体系结构上可以把整个系统的各个层次定为物理设备、网络设备与协议、数据存储与展现和应用界面操作。网络链接的系统设备包括RFID 相关设备，如固定读写器、移动读写器、标签打印设备；数据存储与处理设备例如数据中心备份中心等、数据库与WEB服务器、网络设备路由器交换机等、安全设备例如防火墙等、应用客户端等，它们通过网络互连起来组成整个系统运行的物理平台。网络设备是整个系统数据传输的载体，包括仓库内部的无线网络、链接各个部分的局域网络等，系统中信息可以通过网络协议进行传输。手持读写设备通过无线网络来访问数据库，各个功能设备之间的链接是通过TCP/IP 来进行的。数据库服务器用来管理和存储仓库信息管理的关系表包括系统用户信息表、系统角色表、权限表、货物种类表、货物信息表、货物库存表、货物出入库登记表、货物盘点表、电子标签信息表、仓库区域分布表、仓库管理职责表、系统日志表等，为系统的正常运行提供数据支撑；Web 服务器进行编程实现客户端API 应用界面，设计和开发手持设备读取货物详细信息的功能（扫描的货物信息要通过网络在计算机上显示等），固定读写器生成货物的电子标签的功能即通过界面输入货物的详细信息标识（可以设置不同的策略自动生成标识）、名称、所属类型、尺寸大小、用途等信息生成货物的唯一的电子标签数据，并提供方便的查询功能，还有在计算机终端上的仓库货物的管理功能。

二、RFID 相关设备的技术原理与应用设计

（一）RFID 与仓库信息

电子标签、读写器、天线是RFID的三个基本组成部分。电子标签包含电子编码，它的组成是耦合元件、芯片及微型天线三个部分。读写器用来读取和编辑电子标签中写入的货物相关的数据。传送器、接收器和微处理器封装起来的组合器件是读写器的主要部件，RFID 技术借鉴了雷达技术的工作原理，电子标签和读写器都要使用射频信号，通过耦合元件实现射频信号的空间耦合，根据时序关系实现能量的传递和数据的交换；读写器用天线发出射频信号，电子标签根据设定的频率接收读写器发出的射频信号识别后就发射标签中存储的标识与货物信息，读写器通过天线接收来自电子标签发回的信息并识别标签内容，读写器可以和计算机直接连接或者通过一些专用的通讯（WIFI、蓝牙、RFC、GPRS 等）模块建立网络链接来完成把读写器识别的结果发给计算机或服务器。本系统的电子标签使用无源标签，工作频率为900MHz 左右,其体积小成本低、工作环境要求适合用在仓库管理系统中。

图2 系统网络拓扑图

手持RFID 读写器设备是由多个模块组成的，主要的模块有主控制、射频收发、数据显示、实时时钟、扩展存储、与计算机通讯模块（有线的通讯包括USB 接口、串行通讯接口、以太网络接口等， 无线的通讯包括WIFI、蓝牙、RFC、GPRS 等）、键盘及电源等组成，并提供二次开发接口供用户完成不同应用的数据采集模式。读写器通过天线产生高频的发射功率，电子标签根据频率的设置接收读写器发出的射频信号，使用磁场感应电流的能量发出存储在标签芯片中的货物相关信息，读写器天线收到射频信息就可以得到货物的信息。由用户设置读写器是否存储收到的货物信息，如果需要存储，就把扫描得到的货物数据暂存到读写器的扩展存储中，通过网络（有线或无线的通讯接口或网络链接）把货物的信息实时传送到数据库服务器上。在本项目中，使用了凯泰集团的CS8000 采集器，该读写器是多功能的移动数据采集终端， 具有WIFI 和GPRS 无线传输功能，进行必要的配置后就可以很好的完成数据的采集功能。货物的相关信息写入数据库服务器后通过客户端应用程序实现仓库中货物的管理。固定的读写器需要和计算机相连后在界面上输入货物的详细信息加上读写器读出的电子标签(读卡操作)的唯一标识信息写入到电子标签（写卡操作），然后打印出粘贴到货物上的电子标签，并把打印好的标签贴到货物上，完成了货物入库的准备工作。仓库信息管理系统对应的RFID 系统的结构示意图如图3 所示。

图3 仓库信息管理系统对应的RFID系统的结构

（二）货物的电子标签制作

每一个在仓库中的货物要有一个对应的电子标签，标签制作是固定读写器MHCX-12U 完成的。货物电子标签信息的生成，包括读出电子标签的标识、把货物信息与标签的标识一起写入标签、打印标签生成货物入库的标识。通过固定读写器读出出厂的地址标签信息，把货物的信息打包到电子标签上写入标签，然后为每个货物打印出标签，粘贴到货物上，建立标签与货物的一一对应关系。需要把固定读写器和用户API 连接起来，用户采集的货物信息和标签信息结合起来。仓库中每个货物都要有一个对应的电子标签，每个RFID 标签是唯一的，标签的制作就是把标签的唯一标识和货物的信息一一对应起来。仓库的管理人员登录系统，打开货物入库管理界面，用手持读写器读出标签信息到计算机或者录入的货物的电子标签及其相关信息，利用固定读写器把电子标签的标识和货物的详细信息结合打包组成电子标签的写入信息，由固定读写器写入后打印对应货物的标签，这样就完成了货物标签的准备工作，货物到达就信息粘贴标签后入库了。

（三）移动手持读写器的功能设计与实现

移动手持阅读器需要通过标准网 关（WIFI、GPRS）、RD232、或 者USB 等接口和服务器主机相连，阅读器通过天线和电子标签进行通讯来实现数据的交换。阅读器设备扫描电子标签读出货物数据后通过网络（这里是WIFI）写入数据库中，在数据库中对这个货物进行管理，这里给出一个用C++语言开发的地址标签卡号发给服务器端的例子， 本系统是基于采用的CS8000 采集器提供的二次开发的接口实现的。操作过程是手持移动读写器扫描货物的电子标签，由电子标签把记录的货物信息发送给读写器，读写器通过配置好的网络把读出的内容发送给服务器，整个过程分成5 步。具体过程如下：

第一步：选用的设备提供了WIFI协议实现手持移动RFID 阅读器和服务器的链接，打开手持设备上的WIFI 模块，在服务器上配置相关的参数，选择相关的参数来验证手持读写器和服务器的数据通讯，用户的密码验证， 使用读写器提冲的二次开发接口函数InputPassword, 调用InputPassword(Password)函数并输入密码，根据函数的执行结果来判断输入的密码是否正确，正确时结果为1 否则为0。

第二步：调用读标签数据函数ReadCardData 得 到RFID 的 卡 号，ReadCardData(SectorNo,BlockNo,CardData)读取RFID 的卡号，参数的含义为SectorNo 默认是 0，BlockNo块号，CardData 是存储块号的字符指针。

第三步：将第二步读取到的卡号发送到已经配置好的连接的服务器上进行存储使用UartWrite 函数，保存标签号到字符数组，调用UartWrite (port,buffer, length, timeout)，其中port 使用的端口号，buffer 数据缓冲，length 数据长度，timeout 超时等待时间。

第四步：在读写器把读取的数据发送完后， 使用UartClear 函数清空数据，准备读取新的数据。形式调用UartClear(port)清空缓冲数据，发送完成。

第五步：如果需要接受服务器发送给读写器的数据，使用UartRead 函数完成读写器接收服务器发来的数据，调用函数UartRead (port, buffer, length,timeout)， 其中port 参数端口号，buffer数据缓冲，length 数据长度，timeout超时等待时间。

三、仓库系统的设计与实现

仓库关系信息系统是基于 RFID技术与互联网技术相结合，对所有的货物配备RFID 标签，用户可以通过移动的RFID 读写器感知仓库中的货物，实现对仓库货物、出入库记录、仓库人员及其各种相关资源的快速准确的自动化和科学化管理。

仓库信息管理系统的设计包括仓库数据库设计、货物管理功能设计、用户界面设计、固定读写器的标签卡管理功能设计、手持读写器的货物信息获取与查询功能设计及其相关管理功能设计、系统综合性能的设计等方面，仓库管理API 采用浏览器服务器模式，在WEB 服务器上编程实现了仓库信息管理API 完成从PC 端的功能；移动手持读写器上实现货物标签扫描及其与客户端的数据交互完成货物的出入库等功能，固定读写器的功能包括货物标签读入、生成和打印及其和客户端的数据交互， 仓库信息的统计分析是为用户提供各种统计分析的功能。仓库管理API 端完成的功能有系统管理、角色管理、用户管理、权限管理、仓库信息管理、出入库管理、盘点管理、客户关系管理、仓库数据统计分析等功能。在货物出入库时，使用RFID 的信息快速准确生成相关的数据处理结果。系统的功能界面如图4 所示。

图4 系统功能模块界面

主要的业务实现过程为：仓库管理员通过界面录入货物的详细信息后，利用网络从固定读写器获得对应的货物的电子标签，组合这些信息写入电子标签，生成入库单，贴好电子标签，手持读写器来扫描货物的电子标签进行检验，检验合格在货物上粘贴标签后放置在指定位置，设置到库状态，通过客户端软件可以记录货物的入库、出库、移动、盘点、损坏等情况，出库流程是客户端进入出库界面，选中要出库的货物后形成出库单，仓库管理人员扫描货物上的标签，将货物信息的标志位改为已出库状态，回收电子标签，并完成货物的实际出库工作。系统的权限管理用来规定不同的用户可以操作的模块，保证仓库信息系统数据的正常访问和运行。系统权限管理如图5 所示。

图5 系统权限管理界面

四、结语

本文基于移动的RFID 设备设计和实现了一个仓库管理信息系统，分析了RFID 的相关技术及其需要物理设备配置，给出了系统整体架构和网络拓扑结构，设计和开发了货物的电子标签制作、RFID 电子标签的数据采集、系统应用客户端等模块，并详细描述了应用软件的工作流程， 基本上达到了预期的目标。下一步将根据企业的需求进一步完善相关的功能，例如进行批量信息的标签制作，给货物增加 GPS 定位功能，增加系统预警功能等。