毕业设计电子标签RFID在仓储出入库管理系统中的运用探究.docx
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毕业设计电子标签RFID在仓储出入库管理系统中的运用探究
电子标签（RFID）在仓储出入库管理系统中的应用研究
摘要
自动识别技术是利用计算机进行信息化数据自动采集﹑处理和辨认的一种新技术。
射频识别（RFID）技术是自动识别技术的一种高级形式，它通过射频信号自动识别对象并获取相关数据，无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，因而具有独特的技术优势。
近年来RFID已成为业界关注的焦点，在物流和供应链管理中得到空前广泛的应用，效益彰显，成为物流和供应链管理发展的巨大推动力。
本文选择电子标签作为研究对象，目的在于探讨电子标签在仓储物流出入库管理中应用的方法和可行性。
在阅读相关文献和参观物流企业的基础上，根据现有条件，开发一个RFID仓储应用实验系统，并使用该系统进行电子标签出入库管理的模拟实验。
本文中作者的主要贡献是：
1.比较使用条形码和RFID方法的差别，着重对RFID在出入库管理中的应用进行了详细研讨。
2.针对电子标签在出入库的应用，自行设计和研制了一个可用于测试的实验系统。
实验表明使用电子标签进行出入库管理可以获得一定的效益。
3.
研究电子标签在货物出入库中的实际应用情况，对上海现代物流长桥仓库的EPC-RFID项目进行了调研，并按照调研情况，对该项目进行结论，提出建议。
关键字：
自动识别，电子标签，条形码，读卡器，出入库管理
RFIDAPPLICATIONSTUDYINWAREHOUSE&STORAGEIN-OUTMANAGEMENTSYSTEM
Abstract
Auto-recognitiontechnologyisanewkindoftechnologywhichusescomputerstododataprocessingandrecognizingautomatically.TheRadioFrequencyIdentification（RFID）isahighlevelformofthistechnology.Itrecognizestargetsthroughradiofrequencysignals,withoutanyinterventionofmankind.Itcanworkatanykindofadverseenvironment.Forthesereasons,RFIDgotmuchattentiontothepeopleandgotwideapplicationincargotransportationandsupplychainmanagementsystemrecently.Thisapplicationissuccessful,andbecomesastrongerforcetopushforwardthedevelopmentinallrelatedfields.
Inthisthesis,IselecttheRFIDtagasresearchtarget，aimingatdiscussingthepossibilityofapplicationinwarehousecargotransportationmanagementsystem,whichincludsincomingandoutgoingprocesses.InthispaperIadoptaresearchmethodwhichcombinestheorywithpractice.Onthebasisofreadingalotofliteraturesandvisitingsomefamouslogisticcompanies,IdevelopedanRFIDwarehouseexperimentsystemfortesting.Iusethissystemtodosomeanalogexperimentstoexploretheapplicationmethods.
Mymaincontributionsareasfollows,
1.IcomparedthedifferencesbetweenBarcodeandRFID,anddiscussedhowtoapplyRFIDintothewarehouseandstoragemanagementsystem.
2.Idevelopedananalogtestingsystemforcheckingthepossibilityofthisapplication.Theexperimentresultsshowthatthissystemcanbeusedtoanalogtheprocessofincomingandoutgoingprocessforanenterpriseingoodstransportationsuccessfully.
3.IinvestigatedShanghaiChangQiaoLogisticsCompanyLtd,whereIgatheredalotofpracticalinformationforRFIDapplication.Icomparedthesematerialswithmyexperimentresultsandmyexperiences，andfinallygaveoutmyopinionsandsuggestions.
Keywords:
Auto-recognition,RFIDtag,Barcode,Reader,In-outwarehousemanagement
1.
前言
1.1
电子标签概述
射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术[1]。
它通过射频信号自动识别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。
此外，RFID技术可识别高速运动物体并可识别多个标签[2]。
射频识别系统的组成一般包括三个部分：
（1）电子标签（Tag，或称射频卡、应答器等）：
由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。
（2）阅读器（Reader，或称读写器或读出装置）：
主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。
阅读器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。
（3）
数据交换与管理系统（Processor）：
主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制等[3]。
1.2工作原理
RFID系统的基本工作原理是：
电子标签进入电磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发出存储在芯片中的产品数据信息，或者主动发送某一频率的信息，阅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[4]。
基本原理框图如图1所示。
图1RFID系统的基本原理框图
1.3
电子标签的标准和分类
为了实现对世界范围内的物品进行统一管理，必须对RFID技术进行规范。
当前主要的规范有欧美的EPC（ElectronicProductCode）规范、日本的UID（UbiquitousID）规范和ISO系列标准[5]。
EPC是存储在电子标签中的唯一信息，提供对物理对象的唯一表示，即EPC编码只分配给一个物品使用。
大致分为64bit和96bit两种，96bit的EPC码较为成熟。
UID编码长度为128位，根据需要能扩展为256、384或512位。
ISO11784是基于动物识别的RFID国际标准。
图2各种各样的电子标签
根据不同的标准，标签有不同的分类，各种各样的RFID标签如图2所示。
一般来讲，电子标签可以按照以下方式进行分类[6][7]。
（1）根据标签的供电形式分为——有源标签和无源标签
有源标签，自带电池，使用标签内的电池能量才能工作。
无源标签，不含电池，利用耦合的阅读器发射的电磁场能量作为自己的能量进行工作。
二者特点比较如表1所示。
表1有源标签和无源标签特点比较
性能指标
有源标签
无源标签
电池
自带
无
识别距离
远
近
使用寿命
短
长
体积
大
小
重量
重
轻
价格
高
低
（2）根据标签的数据调制方式分为——主动式、被动式和半主动式
一般来讲，有源标签为主动式，无源标签为被动式，电池支持式反向散射调制标签为半主动式。
主动式标签信号传输距离远，但使用寿命受到限制；被动式标签具有永久的使用期，但识读距离近；半主动式标签虽然本身自带电池，但只起到对标签内部数字线路提供电的作用，不主动发送能量，只能被“激活”时才传送数据。
表2为主动式标签和被动式标签的特性比较。
表2主动式标签与被动式标签的特性比较
性能指标
主动式标签
被动式标签
能量来源
自身电池供电，可持续供电
通过电磁感应获取
工作距离
可达100m
通常20～40cm，可达3～5m
存储容量
16K字节以上
小于128字节
信号强度要求
低
高
平均价格
高
低
工作寿命
2～4年
长
3．根据标签的工作频率可以分为——低频、高频、超高频、微波系统
阅读器发送无线信号时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率，基本上可分为：
低频（30～300KHz）、高频（3～30MHz）、超高频（300～968MHz）、微波（2.45～5.8GHz）。
低频系统常见的工作频率有125kHz、134.2kHz；高频系统常见的工作频率为13.56MHz；超高频常见的工作频率为869.5MHz、915.3MHz；还有些系统工作在2.45GHz的微波段。
4．根据标签的可读写性分为——只读、读写和一次写入多次读出
根据射频标签内部使用的存储器类型的不同可分成三种：
只读卡（ReadOnly,RO）、读写卡（ReadWrite,RW）和一次写入多次读出卡（WORM）。
RW卡一般比WORM卡和RO卡贵得多，如信用卡等。
WORM卡是用户可以一次性写入的标签，写入后数据不能改变。
RO卡存有一个唯一的号码ID，不能修改，这样提供了安全性，RO卡最便宜。
5．根据标签中存储器数据存储能力分为――标识标签与便携式数据文件。
1.4电子标签的应用现状
二十世纪九十年代以来，射频识别技术得到了快速的发展。
主要应用领域有：
交通运输控制管理、高速公路自动收费系统、停车场管理系统、物品管理、流水线生产自动化、安全出入检查、仓储管理、动物识别、车辆防盗、门禁管理等领域[8]。
目前，RFID在我国已取得了应用成效，如：
铁道部的车辆调度系统（ATIS）；上海华联便利配送中心无线条码数据终端系统；深圳白沙集团、昆明烟草公司的物流管理；以及第二代身份证、车辆管理、票证管理和门禁管理等。
据相关机构调研报告显示：
2002年全球RFID年市场销售额已达到9.65亿美元，并保持着每年22.6%的增长率。
而我国2005年RFID市场规模也达到了16亿人民币，预计到2008年，将突破80亿人民币[9]。
随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断的降低，应用也将越来越广泛[10][11]。
1.5主要工作及论文结构
本文将通过理论联系实际的方法来完成对电子标签在仓储出入库管理中的应用研究。
在理论方面主要研究有：
电子标签工作原理、电子标签的应用和发展、仓储物流出入库管理等相关知识；在理论研究的基础上，设计了小型的自动识别仓储出入库管理系统，并针对出入库管理分别对条形码和电子标签做出入库管理模拟实验，以及对长桥物流的电子标签应用情况进行了调研。
论文的结构也将按照上面的思路来安排。
2.
物流出入库管理原理
2.1
入库管理
入库业务包括收货、验货和入库记账。
2.1.1入库流程图（如图3所示）
图3入库流程图
2.1.2入库流程描述
如入库流程图所示，仓库收到货时先查询收货通知单（到货通知），验收员手工作收货记录并验收，完毕后系统中生成入库单，在入库单上将验收质量情况填写完整，确定保存的同时系统自动生成收货处理方案，遇到特殊情况需由采购员分解收货处理方案。
验收员或采购员勾兑相应收货处理方案生成各自的单据，打印后将一联交仓库保管员做入库记保管帐，在入库记保管帐之前保管员要复核入库单确定货位信息后才能入库记保管帐。
2.2出库管理
出库分为销售出库、移库出库、报损出库和进退出库等。
2.2.1出库流程图（如图4所示）
图4出库流程图
2.2.2出库流程描述
如出库流程图所示，货物出库时配货员在考虑运输车辆的调度及路线的安排，指定拣货顺序和拣货区、备货区、发货区，系统根据销售单按照指定的配货模式自动配货，如果在配货过程中散件仓房不够，系统自动产生移位单，仓房保管员定时看到移位单后打印移位单及时将货送到散件仓房并将移位单交散件保管员保管。
对于非正常出库情况，在系统中做单向移库处理并打印移库单，关联相关单位，区分不同的类型，如果为质管部留样、送检领用、报损，其他领用等，财务按相关费用处理。
报损出库后的货品则由相关人员请求审批后销毁[12][13]。
3.物流出入库管理模拟实验
为了更好的研究电子标签在出入库管理中的应用，本课题通过理论基础结合实际操作的方式，分别采用条形码和电子标签对货物的出入库进行了模拟实验。
3.1用条形码管理
条形码作为一种及时、准确、可靠、经济的数据输入手段已被物流信息系统所采用。
早已在许多国家普及应用，是到目前为止商品独有的世界通用的“身份证”。
3.1.1编码软件
实验使用的条形码编码软件为条码标签设计与打印软件。
该编码软件支持如：
标准25码、交叉25码、矩阵25码、UPC-A码、UPC-E、EAN-13和EAN-8码等多种常用条形码的制作和打印。
图5为用编码软件制作UPC-A条形码。
图5用条形码编码软件制作的条形码
3.1.2Barcode读码器
本课题中条形码管理模拟实验采用的读码器是CMC－300B条码扫描器，外形如图6所示。
它是一款低端手持型条码扫描器，可识读目前国内可能用到的全部一维条码，并且可以进行多种设置以满足不同的应用环境。
主要特点有[14]：
图6CMC-300B条码扫描器
•拥有多种接口，包括键盘、RS232、USB等
•光学系统2160点CCD
•扫描速度每秒约扫描50次或100次
•扫描解析度0.1mm
•解码种类UPC/EAN/JAN、Code93、Code128、ITF25、中国邮政码等多种类型的编码
•读取角度前仰角30度，后仰角37度
•读取宽度可读取70—89mm宽的条码
•扫描距离25mm（EAN1.0，PCS=90%）、30mm（EAN2.0，PCS=90%）
3.1.3用条形码实现出入库管理的模拟实验
条形码模拟实验分为两部分。
第一部分为条形码在各种条件下的应用情况测试。
第二部分采用贴有条形码的货物模拟出入库情况。
1．分别假设以下几种情况来测试条形码的实际应用情况：
（1）在黑暗的情况下用读码器对贴有条形码的货物扫描
（2）标签破损的情况
（3）标签被污染的情况
（4）标签表面有阻隔物遮挡
（5）读码器能否脱离人工操作自动读码
（6）读码器可否远距离扫描条码
（7）一次能否识别多个条形码
（8）条形码能否辨认具体商品
实验证明，条形码仍存在许多无法克服的缺点：
如在黑暗的条件下读码器无法正常扫描条码，必须在看得见的情况下才能读取；条形码必须靠激光来读取信息，且一次只能有一个条形码受到扫描；条码容易被撕裂、污损或脱落，如果标签被划破，污染或是脱落，扫描器就无法辨认目标；而且条形码扫描器必须在近距离且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码，反之，则会导致读码失败；扫描仪只能接收它视野范围内的条形码，必须在人的指导下工作，所以仍需投入大量人力；条码只能识别一类产品，并不能辨认具体的商品，贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样，所以，这里就有个麻烦，它无法辨认哪些产品先过期。
2．贴有条形码的货物进行出入库模拟实验
在条形码的模拟实验中，贴有条形码的货物（如图7所示）要进行出入库，就必须在库门处停留足够的时间，通过人工手持CMC－300B条码扫描仪进行条码扫描核对，且条形码读码距离较近，这样做则加大了作业时间并导致作业效率降低；由于工作量之大，在扫描过程中就需要更多的人力投入。
从作业效率来看，数据采集效率至关重要，而由于条码要一个一个扫描，平均扫描一个需要2～3秒，这样会大大降低出入库效率；如果等待出入库的货物上所帖的条码有所损坏或污染，则会影响出入库进程，延长货车排队等待的时间，给仓储管理带来麻烦。
图7贴有条码的货物
3.2用电子标签管理
由于实验环境、设备等因素的局限性，无法做到现实仓储的规模大等特点。
所以本实验中将不采用可读写的IC卡（IntegratedCircuitCard），而改用不可写入的ID卡（IdentificationCard）及ID卡读卡器。
3.2.1电子标签
实验中采用的电子标签为THRC13非接触式ID卡（如图8所示），它靠读卡器感应供电并读出存储在芯片EEPROM中的唯一卡号，卡号在封卡前一次写入，封卡后不能更改。
无源和免接触是该芯片的两个最突出的特点，射频接口电路为关键的核心技术，它从读卡器接收射频能量，为芯片产生电源和时钟，并采用相移键控和加载调幅等技术实现卡与读卡器间的无线通讯。
主要可应用于门禁、保安、考勤、门票、防伪标志、一次性票证等领域。
主要特点有：
•载波频率：
13.56MHz（THRC13）
•卡向读卡器传送数据的调制方式为加载调幅
•卡内数据编码采用抗干扰能力强的BPSK相移键控方式；
•卡向读卡器数据传送速率为6.62kbps（THRC13）
•数据存储采用EEPROM，数据保存时间超过10年
•数据存储容量共64位，包括制造商、发行商和用户代码
工作原理[15]：
（1）读卡器将载波信号经天线向外发送。
（2）卡进入读卡器的工作区域后，由卡中电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，卡中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片“激活”。
（3）芯片读取控制模块将存储器中的数据经调相编码后调制在载波上，经卡内天线回送给读卡器。
（4）读卡器对接收到的卡回送信号进行解调、解码后送至计算机。
（5）计算机根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。
3.2.2读卡器
实验中采用的读卡器是HCE-406感应式ID卡读卡器，如图8所示。
它是利用无线电感应模块读取ID卡信息，并进行信号处理后通过接口送往计算机或其它终端设备（读卡成功后，绿色指示灯闪亮以下，同时蜂鸣器响一声表示读卡成功）。
可应用于身份辨认、一卡通、出入控制等身份识别系统；银行、商检、邮电、交通等各类查询系统；各种自助终端系统；会员卡系统等实时系统。
主要特点有[16]：
图8ID卡及感应式ID卡读卡器
•工作状态声、光双重指示
• RS-232串口输出，取电无需外接电源
•读卡无接触、无损耗，是取代接触式磁卡、条形码设备的最佳选择
•ID卡标准：
125KHz EM ID
•读卡距离：
≤5cm
•电源：
DC 5V±5% 35mA
•工作环境：
温度0۫C~45۫C 湿度10%-90%RH
3.2.3PC端应用软件
为了更好的实施电子标签在出入库管理的模拟实验，本课题通过编写小型的基于RFID技术的自动识别仓储出入库管理系统来作为PC端应用软件。
本系统通过RS232接口和PC机进行通讯；通讯参数设置为9600,n,8,1；所有有关电子标签所对应的信息则是通过数据库来管理的。
主要信息包括托盘号码、货物名称、生产厂商、货物数量、包装类型、货位、入库时间、备注等，另外还附有该托盘上装载货物的图片。
对于数据的管理，主要设有查询等功能。
应用程序运行后初始界面如图9所示。
图9系统初始界面
本系统采用VisualBasic6.0开发环境编写，数据库采用MicrosoftAccess，软件操作简单，性能可靠。
接通读卡器和PC机后，系统即开始工作，当有带有电子标签的托盘进入读卡器的工作范围时，读卡器读取信号并进行信号解码，把所获取的信息通过RS232上传到PC机，在自动识别仓储出入库管理系统中显示该对应信息，进行处理，使用数据库进行管理等。
系统查询功能：
将设备和PC端通过RS232相连后，启动程序，点击菜单中的“查询”按钮，系统将会出现下拉菜单，管理员可按“托盘号”或“货位”来查询仓库中相应信息的货物，该托盘上货物的信息会显示在电脑屏幕上，包括托盘号码、货物名称、生产厂商、货物数量、包装类型、货位、入库时间、备注等，另外还附有货物的图片。
如图10所示，以按“托盘号”查询为例，管理员按“托盘号”查询仓库中的货物，若成功，则系统显示该托盘号对应的所有货物信息。
（a）查询界面
（b）查询失败
（c）查询成功
图10查询界面及结果显示
3.2.4用电子标签实现出入库管理的模拟实验
电子标签模拟实验分为两部分。
第一部分为电子标签在各种条件下的应用情况测试。
第二部分采用模拟托盘来模拟货物出入库情况。
1．分别假设以下几种情况来测试电子标签的应用状况（如图11所示）：
（1）多张标签重叠
（2）标签贴在含水物体包装上
（3）标签贴在金属包装上
（4）标签贴在纸质包装上
（5）标签在黑暗的条件下
（6）一次能否识别多个标签
（7）电子标签能否辨认具体商品
图11电子标签在各种条件下
实验证明：
在HCE-406感应式ID卡读卡器进行读卡时，多张标签不能重叠摆放，这样会导致读卡失败，但是如果多张标签交替扫描，这样则可读卡成功；读卡器可同时辨别读取数个电子标签；抗污染能力和耐久性强，传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但电子标签对水、纸等物质具有很强抵抗性，此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损，但RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损；在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、塑料等物质，并能够进行穿透性通信，但是遇到金属物质，则会导致读卡失败；在黑暗的条件下，读卡器仍可正常读取标签内的数据。
2．模拟托盘进行货物出入库模拟实验
本实验中，托盘和模拟出入库环境如图12所示，储物箱上贴有电子标签和条形码模拟带有电子标签和条码的托盘，手推车模拟叉车，桌壁上挂有读卡器模拟及pc机模拟库门处设置的阅读器和显示屏。
图12托盘出入库模拟实验
实验过程中，当允许入库的货物放置在托盘上，叉车将装有货物的托盘运至库门附近时，阅读器可以读取托盘及其上的货物的RFID信息，将采集到的数据传送至出入库管理系统处理单元，并在库门处放置的显示屏上显示该图托盘装载货物的所有信息，如图13所示。
图
升级会员 