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基于RFID的智能仓储
物联网在物流行业中的应用系统设计
郭守昊
南京信息工程大学，南京210044
摘要：
射频识别技术在日常生活的许多方面都具有广泛的应用前景。
可以说射频技术是信息感知和采集的一场
革命，是21世纪最重要的技术之一。
目前国外已有很多文献报道，射频识别技术已经应用于多个领域，并表现出良好的性能。
因此在国内，有着广阔的应用前景和价值，反映了当今通信研究领域的前沿。
传统的仓库管理系统是通过人工记录单据的，这种方式费时费力还会有人为损失，并且劳动成本较高。
随着企业的扩大，物品种类越来越多，因此市场竞争对仓库管理的要求也越来越高。
近年来，物流业得到了快速的发展，处于物流中心环节的仓储系统，也随之加快了发展步伐。
随着计算技术和自动化技术的快速进步，仓储系统已经向自动化、智能化方向发展。
射频识别技术作为新一代自动识别技术，其具有显著的优势，在仓储管理中的应用得到了广泛的关注。
本文详细分析了RFID技术，以RFID技术为核心，在分析仓储管理流程的基础上，提出了仓储管理系统的总体设计和功能设计，并论述了RFID定位计算方法，解决约束RFID系统快速读取的瓶颈，提高商品实时数据的采集，使商品的采购、仓储、配送过程更加便捷。
本文以物流仓库为例设计了仓库管理系统中RFID系
统的总体框架、系统组成和工作流程，对商业应用中大批量物品的识别和管理具有重要意义。
关键词：
RFID；自动识别技术；仓储管理系统；
1绪论
1.1RFID的简述
物联网的理念在1999年提出的后，在世界范围内引起越来越高的关注。
一般认为物联网是在计算机互联网的基础上，通过射频识别技术、传感网络技术等一些信息传感设备与互联网连接，从而从而实现货物的智能化识别和管理，在这个网络中，增强了人与物、物与物的联系。
射频识别技术是属于物联网信息感知层中非常重要的技术。
通过RFID系统，可以在无需人员的干预下，通过现有的网络技术、数据库技术、中间件技术等实现物品的自动识别和信息的互联与共享。
自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条磁卡技术、IC卡技术、光学字符识别、射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、磁、物理、机电、通信技术为一体的高新技术学科。
一般来讲，在一个信息系统中，数据的采集（识别）完成了系统的原始数据的采集工作，解决了人工数据输入的速度慢、误码率高、劳动强度大、工作简单重复性高等问题，为计算机信息处理提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段，因此，自动识别技术作为一种革命性的高新技术，正迅速为人们所接受。
自动识别系统通过中间件或者接口（包括软件的和硬件的）将数据传输给后台处理计算机，由计算机对所采集到的数据进行处理或者加工，最终形成对人们有用的信息。
在有的场合，中间件本身就具有数据处理的功能。
中间件还可以支持单一系统不同的协议的产品的工作。
完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统，应用程序接口或者中间件和应用系统软件。
也就是说，自动识别系统完成系统的采集和存储工作，应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行应用处理，而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口包括数据格式，将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息并进行数据传递。
RFID射频识别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，可工作于各种恶劣环境。
RFID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。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个阅读器和很多标签组成。
1.2RFID的现状
RFID技术涉及信息、制造、材料等诸高技术领域，覆盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。
一些国家和国际跨国公司都在加速推动RFID技术的研发和应用进程。
在过去十年间，共产生数千项关于RFID的技术专利，主
要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。
按照能量供给方式的不同，RFID标签分为有源、无源和半有源三种；按照工作频率的不同，RFID标签分为低频、高频、超高频和微波频段的标签。
目前国际上RFID应用以LF标
签和HF标签为主；UHF标签开始规模生产，由于其具有可远距离识别和低成本的优势，有望在未来五年内成为主流；MV标签在部分国家已经得到应用。
中国已经掌握HF芯片的设计
技术，并且成功地实现了产业化，同时UHF芯片已经完成开发。
目前RFID标签制造以蚀刻、冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜，随着新型导电油墨的开发，印制天线的优势越来越突出。
RFID标签以低温倒装键合工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的标签封装工艺。
中国低成本、高可靠性的标签制造装备和封装工艺
正在研发中。
RFID读写器产品类型较多，部分先进产品可以实现多协议兼容。
中国已经推出了系列RFID读写器产品，小功率读写模块已经达到国外同类水平，大功率读写模块和读写器片上系统
（SOC尚处于研发阶段。
中国在RFID应用架构、公共服务体系、中间件、系统集成以及信息融合和测试工作等方面取得了初步成果，建立国家RFID测试中心已经被列入科技发展规划。
中国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。
1.3RFID的发展趋势
近年来，RFID技术已经在社会众多领域开始应用，对改善人们的生活质量、提高企业经济效益、加速公共安全以及提高社会信息化水平产生了重要的影响。
根据预测，RFID标签
技术将在未来2~5年内逐渐开始大规模应用。
在未来的几年中，RFID技术将继续保持高速发展的势头。
电子标签、读写器、系统集成软件、公共服务体系、标准化等方面都将取得新的进展。
随着关键技术的不断进步，RFID
产品的种类将越来越丰富，应用和衍生的增值服务也将越来越广泛。
芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度与可靠性更高，成本不断降低。
芯片技术将与应用系统整体紧密结合。
RFID标签封装技术将与印制、造纸、包装等技术相结合，导电油墨印制的低成本标签天线、低成本封装技术将促进RFID标签的大规模生产，并称为未来一段时间内决定产业发展的关键因素之一。
RFID技术与条码、生物识别等自动识别技术、以及互联网、通信、传感网络等信息技术
融合，构筑一个无所不在的网络环境。
海量RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成
和应用技术提出了新的挑战。
RFID系统集成将向嵌入式、智能化、可重组方向发展，通过构建RFID公共服务体系，将使RFID信息资源的组织、管理和利用更为深入和广泛。
2RFID系统组成及工作原理
3.1RFID系统组成
3.1.1阅读器
读写器也称阅读器、询问器，是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和
数字信号处理单元两部分。
读写器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返
回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字
信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的
识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。
在上传数据时，读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器事件后再上传，以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如
信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。
未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将具备更加强大的前端控制功能，例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。
在物联网中，读写器将成为同时具有通讯、控制和计算功能的C3
核心设备。
3.1.2天线
天线是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。
RFID系
统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论，另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。
目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。
天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应用中，天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。
高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性，还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。
3.1.3电子标签
RFID标签俗称电子标签，也称应答器，根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，本文主要研究被动式RFID标签及系统。
被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。
RFID标
签中存储一个唯一编码，通常为64bits、96bits甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。
当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作，微
控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。
RFID标签芯片的内部结构主
要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPRO存储单元四部分。
3.1.4RFID中间件
中间件是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。
中间件在RFID应用中除
了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。
中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、聚合和计算，抽
象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布
/订阅和控制请求。
3.1.5RFID应用系统软件应用软件是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。
由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定，因此很难具有通用性。
从应用评价标准来说，使用者在应用软件端的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。
3.2RFID系统工作原理
RFID技术的基本工作原理并不复杂：
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统,是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给电子标签,用以驱动电子标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。
以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成,感应偶合及后向散射偶合两种,一般低频的RFID大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式。
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。
阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。
阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。
在实际应用中，可进一步通过WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理
功能。
应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。
3基于RFID技术的仓储管理系统设计开发
3.1仓储管理现状
在长期的计划经济体制下，仓储业形成了以部门管理为主的管理体制，大部分仓库设备陈旧
落后。
不少仓库仍处在人工作业为主的原始状态，人抬肩扛，工作效率低。
不少仓库处在“货物进
不来出不去”，商品在库滞留时间过长，或保管不善而破损、霉变，损失严重，加大了物流成本。
随着我国经济的高速发展和流通体制改革的不断深化，以及不断扩大开放和对外贸易
的发展，要求物流应有一个高速发展，尤其仓储业更要有一个快速发展，以适应这一新形势
3.2仓储管理的发展方向
充分利用已有的仓储资源的仓储社会化，提高仓储效率和仓储业分工发展的专业化功能，加
速满足社会生产发展和促进物流效率提高的仓储标准化，提高仓储自身效率，实现仓储管理
的现代化。
（1）仓储机械化、自动化
随着生产技术的发展，生产机械化已是现代企业生产的基本要求。
机械具有承重能力强、效
率高、工作时间久、损害低等多种特点。
仓储作业大都负荷重，作业量大，作业环境恶劣，时间紧，存在着众多系统性不安全隐患，因而仓储机械化是仓储业发展的必然。
仓储企业应
通过机械化实现最低的人力作业，加大企业集成度，减少人身伤害和货物损害，提高作业效
率的目标，随着货物运输包装向着大型化，托盘化的发展，仓储也必然要向机械化过渡。
仓储自动化是指由计算机管理控制仓库的仓储。
在自动化仓库中货物仓储管理、环境管理、作业控制等仓储工作，通过住处管理、扫描技术、条形码、射频通信、数据处理等技术，指挥仓库堆垛机、传送带、自动导引车、自动分拣等设备自动完成仓储作业；自动控制空调、监控设备、制冷设备进行环境管理；向运输设备下达运输指令安排运输等；并同时完成单证、
报表的制作和传递。
对于危险品、冷库暖库、粮食等特殊仓储，都有必要采取自动化控制的仓储。
（2）仓储信息化、信息网络化
对于存货品种繁多、存量巨大的物流与配送中心，要提高仓库利用率，保持高效率的存货流
转，实施景区的存货控制，没有计算机的信息管理和处理是不可能实现的。
仓储信息化管理
包括：
对账目处理、结算处理，提供实时的查询；进行货位管理、制作个中单证和报告表，进行存粮控制，甚至与进行自动控制等。
可以说，仓储要实现提高效率、降低损耗，从而降低成本就必须实现信息化。
仓储是物流的节点，是企业存货管理的核心环节。
企业生产、经营的决策需要仓储及时地把存货信息反馈给管理部门，在充分掌握物品的存粮、储备、存放地点、消费速度的情况下，才恩能够惊醒准确的生产和经营决策。
高效的物流管理是建立在对物流进行控制和组织，要
想实现高效的物流管理就需要仓库、厂商、物流管理者、物流需求者、运输工具之间建立有
效的信息网络，实现仓储信息共享，通过信息网络控制物流，做到仓储信息网络化。
3.3基于RFID技术的智能仓储管理系统总体设计方案
RFID物流仓库系统的目标是在仓库体系中建立一条基于RFID技术的快速通道，实现库房高
效管理，收发货高速自动记录，形成一个完整的基于RFID自动识别技术的仓库管理系统。
具体的流程如下：
1供应商将商品出库信息提前发送到仓储中心的仓储管理系统，由仓储管理系统自动处理，
生成预入库信息。
2货物被放置在带有感应器的托盘上，入库时通过在入库口通道处的RFID读取机，不需要
拆包装，即可将货物相关信息自动输入到仓库管理系统。
3系统将实际入库信息与预入库信息进行比较，如果无误或误差在规定范围以内，则准许入库并将预入库信息转换成库存信息；如果出现错误，则由系统输出提示信息，由工作人员解决。
4仓储管理系统按最佳的储存方式，选择空货位，通过叉车上的射频终端，通知叉车司机，并指引最佳途径，抵达空货位，扫描货位编码，以确定货物被放置在确定的货位。
货物就位后，再扫描货物的电子标签，仓储管理系统即确认货物已储存在这一货位，可供日后按定单发货。
5定单到达仓库后，仓储管理系统按预定规则分组，区分先后，合理安排。
例如：
交由快运的，要下午2时前发货；需由公路长途运输的，要5时前发货；有些货物需特别护送等。
仓储管理系统按这些需要，确定安排如何最佳、及时地交付定单的货物，并在系统内生成拣货方案。
6仓储管理系统按照拣选方案，安排定单拣选任务。
拣选人由射频终端指引到货位，显示需拣选数量。
经扫描货物的电子标签和货位的条码，仓储管理系统确认拣选正确，货物的存货状态转换成待出库。
7货物出库时，同入库一样，通过出库口的通道处的RFID读取机，货物信息传入仓库管理系统并与定单进行对比，若无误，则顺利出库，货物的库存量相应减除；若出现错误，则由仓库管理系统输出提示信息。
3.3.1RFID技术系统的硬件结构硬件系统由RFID标签、固定式/移动读写器、固定式天线、以及通信网络系统等组成。
1RFID标签：
根据不同的应用需求，采用高频和超高频的产品。
分为托盘标签、仓库定位标签、单品标签等。
2读写器：
用于识读及写入标签数据，分为固定式读写器和手持移动式读写器两类。
固定式读写器支持四天线并联同时工作，其强大的防冲撞算法允许每秒扫描多达40个标签；手持式读写器集成条码和RFID读取功能，适用于室外和恶劣工业环境。
两类读写器均支持
RS232以太网和无线局域网等多种通信方式。
其主要功能是：
查阅RFID电子标签中当前贮
存的数据信息；向空白RFID电子标签中写入欲贮存的数据信息；修改（重新写入）RFID电子标签中的数据信息；与后台管理计算机进行信息交互。
3固定式天线：
天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。
在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。
包括超高频全向平板、垂直平板和水平平板天线，能够适应多路径高散射的复杂环境，能够增强接收信号；尺寸较小，构造出无盲区的局域网络。
4RFID中间件系统：
是整个系统的运营支撑平台，具有数据采集、过滤、排序、封装和转
发等功能，并提供数据流、文件和XML等多种数据交换方式，可以实现与管理信息系统和仿真系统等的平滑连接，使各不同功能包或流程包的数据在整个平台上平滑流动。
它既可以作为单独实施的功能包的数据采集支持平台，也可以作为多个功能包同时运转的支撑平台，也是与仿真系统、管理信息系统和ERP系统等外界系统的连接和数据交换平台。
5各种应用系统：
例如企业的管理信息系统、ERP等应用系统相连。
3.3.2RFID技术系统的软件结构它是以收货、入库、盘点、配装、出库等多个流程包为基础组成。
各流程包之间可以灵活组合，定制成为新的功能包。
（1）收货子系统
现阶段绝大多数供货商的商品和包装上都还没有RFID标签，但是随着RFID技术的广泛应用,
越来越多的供货商都会在其产品或包装上粘贴RFID标签。
为了满足现阶段的应用要求同时
能够适应未来的应用发展，收货流程包中包括两种应用流程，可以根据实施的具体情况选择其中的一种操作方式。
第一、到货有RFID标签
1后端系统接收到发货方的送货单后，预排货位使用计划，根据业务要求生成收货指令。
2货物到达后，后端系统通过无线网络检索空闲叉车，并向其下达收货作业单。
3前端系统接收收货作业单。
司机驾驶叉车搬运货物到待检区，当其通过天线场域时，固定读写器批量读取容器的标签，取得容器中的全部货物信息。
如：
送货单号、发送地、到货地、订单明细等，并将数据传输给后端系统。
后端系统得到实际到货信息。
4进入待检区后，司机通过移动设备读取容器和待检区货位标签并将其传输给前端系统。
5前端系统核对采集到的数据与系统指令是否相符。
如果相符，则指示司机将货物搬运到指定的待检区货位。
6前端系统将确认后的数据传输给后端系统。
7后端系统取得数据后更新相关的系统数据，标明容器当前所在位置。
8司机完成操作后，按“确认”键，表示收货完毕。
后端系统将此叉车归入“空闲叉车”队列，等待下一个指令。
第二、到货没有RFID标签
1后端系统接收到发货方的发货单后，预排货位使用计划。
2货物到达后，在后端系统录入实际到货信息。
后端系统生成RFID标签数据并下达收货指
令。
3RFID系统根据后端系统产生的数据，生成RFID标签。
由收货员将标签悬挂到货物上。
4后端系统通过无线网络检索空闲叉车，并向其下达收货作业单。
前端系统接收收货作业单。
5司机驾驶叉车搬运货物到待检区，当其通过天线场域时，固定读写器批量读取容器的标签，取得容器中的全部货物信息。
如：
送货单号、发送地、到货地、订单明细等，并将数据传输给后端系统。
后端系统得到实际到货信息。
6进入待检区后，司机通过移动设备读取容器和待检区货位标签并将其传输给前端系统。
7前端系统核对采集到的数据与系统指令是否相符。
如果相符，则指示司机将货物搬运到指定的待检区货位。
8前端系统将确认后的数据传输给后端系统。
9后端系统取得数据后更新相关的系统数据，标明容器当前所在位置。
10司机完成操作后，按“确认”键，表示收货完毕。
后端系统将此叉车归入“空闲叉车”队列，等待下一个指令。
（2）入库子系统
1后端系统根据业务要求生成入库指令。
2后端系统通过无线网络检索空闲叉车，并向其下达入库作业单。
3前端系统接收入库作业单。
司机通过移动设备读取待检区货位标签和容器标签或货物代码，并将其传输给前端系统。
4前端系统核对采集到的数据与系统指令是否相符。
如果相符，则指示司机将货物搬运到指定的库区货位。
5进入库区后，司机通过移动设备读取库区货位标签和容器标签或货物代码，并将其传输给前端系统。
6前端系统核对采集到的数据与系统指令是否相符。
如果相符，则指示司机将货物送入该库区货位。
RFID系统同时更新货位标签中的数据。
7司机完成操作后，按“确认”键，表示入库完毕。
前端系统将操作结果通过无线网络传输给后端系统。
后端系统更新系统中的相关数据，并将此叉车归入“空闲叉车”队列，等待下一个指令。
（3）盘点子系统不同类型的仓库，不同的盘点方式，不同的盘点要求，决定了采用不同的设备和不同的作业流程。
盘点流程包支持平面仓、立体仓等不同类型的仓库，支持手持移动式和固定式盘点设备，支持人工、堆跺机和高位叉车等自动、半自动盘点方式，支持分货区、分货架的实时盘点。
第一、平面仓人工盘点
1后端系统根据业务要求生成盘点指令。
并向前端系统下达盘点作业单。
2前端系统接收配装作业单。
盘点员通过移动设备读取库区货位标签，取得当前货位中货物的帐面数量，并将其传输给前端系统。
3前端系统核对采集到的数据与系统指令是否相符。
如果相符，则指示盘点员使用移动设备读取该货位中货物的条码，并将其传输给前端系统。
4前端系统核对采集到的数据与系统指令是否相符。
如果相符，则指
升级会员 