毕业设计电子标签系统在plc物流系统中应用的.docx
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毕业设计电子标签系统在plc物流系统中应用的
上海开放大学
毕业设计（论文、作业）
毕业设计（论文、作业）题目：
电子标签系统在物流系统中应用的设计
分校（站、点）：
年级、专业：
机电一体化专科
教育层次：
大专
学生姓名：
学号：
指导教师：
完成日期：
目录
内容摘要和关键词………………………………………………………………………Ⅰ
一、引言…………………………………………………………………………………1
二、系统总体设计………………………………………………………………………1
（一）移动物流数据终端………………………………………………………………2
1.电子标签识别装置……………………………………………………………………2
2.GPS定位装置………………………………………………………………………2
3.IC卡身份识别模块……………………………………………………………………2
4.GPRS模块………………………………………………………………………………
（二）基地控制中心……………………………………………………………………2
1.GPRS通信处理机………………………………………………………………………2
2.基地控制中心管理系统………………………………………………………………2
三、RFID电子标签简述………………………………………………………………………3
（一）基本定义…………………………………………………………3
（二）工作频率…………………………………………………………………3
（三）基本组成………………………………………………………………3
（四）特性…………………………………………………………………3
（五）发展历史……………………………………………………………………3
（六）中国标准…………………………………………………………………4
（七）应用范围………………………………………………………………4
1.防伪………………………………………………………………4
2.生产流水线管理………………………………………………………………4
3.仓储管理………………………………………………………………4
4.销售渠道管理………………………………………………………………5
5.贵重物品管理………………………………………………………………5
6.图书管理、租赁产品管理………………………………………………………………5
7.其他……………………………………………………………5
（八）中国电子标签市场……………………………………………………………5
（九）未来发展…………………………………………………………5
四、电子标签识读模块设计……………………………………………………………6
五、通信协议的设计……………………………………………………………………7
六、系统软件设计………………………………………………………………………7
七、结束语………………………………………………………………………………8
参考文献…………………………………………………………………………………9
致谢……………………………………………………………………………………10
内容摘要
提出了一种基于RFID电子标签的物流控制管理系统，系统采用RFID电子标签、GPRS、GPS及IC卡对重要货物进行全程监控。
利用RFID电子标签做货物识别，利用IC卡做有关人员的身份识别，利用GPS技术做货其他物实时定位，利用GPRS系统短信传输货物信息。
给出了系统的总体设计，分析了系统中的通信协议，讨论了系统设计中的关键技术，系统是一种全面解决物流控制的整体解决方案。
关键词：
物流控制RFID电子标签GPRSGPSIC卡
电子标签的物流控制系统的设计
一．引言
物流（logistics）指商品在空间和时间上的位移，包括采购配送、生产加工和仓储加工包装等流通环节中的物流情况，强调以满足顾客的需求服务为目标，追求物流过程的持续改进和创新。
在电子商务环境下，物流管理建立在现代信息技术和先进管理思想基础之上，成为一种集成化的运作模式。
随着供应链管理（SCM，SupplyChainManagement）的兴起，物流管理被纳入到其中。
在供应链概念中强调营销、物流及产品之间的相互关系和互动作用。
物流不再是作为一个单一的实体存在，而成为现代化管理体系中的重要环节。
物流管理也不再局限于自身范围，而是与整个生产、流通过程息息相关。
物流的管理离不开信息技术的应用。
RFID电子标签是时下最为先进的非接触感应技术，因其独有的非接触、阅读速度快、无磨损、寿命长、便于使用等特点，现正广泛应用于各个行业、领域。
采用RFID电子标签技术，货场可以收集进出的货柜车的各种信息，并将数据通过互连网综合传送到物流控制中心。
有些重要的货物，如剧毒品、危险品等，需要对货物从装载、运输、出库和入库等作全程的物流监测与控制，及时掌握货物的信息，出现不安全的因素时能够及时报警并记录位置信息，便于人员进行追找。
因此，不仅仅需要读取标签信息，更重要的是需要和局域网、Internet、GPS、GPRS等连接，构成完整的监控系统。
传统物流控制系统的问题是技术分散，数据库控制部分往往和货物进出系统脱节，而货物的运输检测是独成一体。
本系统以电子标签记录货物信息，IC卡装载人员身份信息，系统通过GPRS与互连网相连，数据库能实时刷新数据，监控整个物流的过程，与传统物流控制系统相比，大大提高了系统的效率和安全性。
二．系统总体设计
整个系统分为移动物流数据终端和基地控制中心两部分，其中移动物流数据终端安装在货物的进（出）库处及运输货车上，通过GPS获得位置信息，通过GPRS实时向基地控制中心发送位置信息，中心通过互连网将数据转送至物流控制中心数据库，见图1。
各部分模块功能如下：
图1物流控制系统结构图
（一）移动物流数据终端
移动物流数据终端由中央控制器及RFID识读模块、GPS接收模块、IC卡身份识别模块、GPRS模块组成。
1．电子标签识别装置
每个货物上分配一个电子标签，电子标签上携带的信息具有唯一性。
当货物入或者出库时及在运输过程中，电子标签识别装置通过天线对标签上的数据进行读取，把货物的信息记录下来，利用GPRS短信服务传递给远程监控系统。
2．GPS定位装置
GPS定位装置的功能是通过接收卫星信号计算出货物的具体位置，这是货物的全程监控的基础数据。
3．IC卡身份识别模块
IC卡身份识别模块主要完成对货物的操作人员的身份和权限的认证，以及操作日志的记录。
要求对货物进行操作的人员必须有明确的身份和合法的权限，对特种货物的全程监控包括从货物登记、出入库、上下火车、途中押运等，当非法用户或不具备权限的用户强行操作货物（如火车偷盗事件）时，将产生实时报警信息。
合法用户的操作将记录操作的时间、操作类型信息。
4．GPRS模块
系统的GPRS模块利用手机模块和SIM卡，进行短消息的发送，发送的短消息包括货物的登记信息、运输人员、上下车、位置信息、报警信息等。
（二）基地控制中心
1．GPRS通信处理机
GPRS通信处理机负责接收各货物发来的短消息，通过互连网将数据传给控制中心。
2．基地控制中心管理系统
基地控制中心管理系统采用了客户机/服务器和浏览器/服务器结构相结合的体系结构。
B/S结构部分提供非专业人员通过INTERNET或INTRENET网络进行信息查询。
为使网络查询系统更加人性化，B/S结构软件前端界面采用了地理信息系统，把各种数据信息放在地图上，当货物不断送来定位信息时，货物在地图上的位置也在不断改变，通过WEB服务器和GIS发布服务器把各种信息发布出去。
C/S结构部分主要完成用户管理、卡管理、设备管理、图纸管理、地理信息管理等系统维护功能，同时完成控制命令的下达功能，客户端放在监控中心，每个功能操作都有权限的限制。
三.RFID电子标签简述
电子标签又称射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。
电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据交换。
（一）基本定义
电子标签是RFID的俗称，RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，术语为射频识别。
（二）工作频率
-125KHZ
-13.56MHz
-915MHz
-2.45GHz
-5.8GHz
（三）基本组成
最基本的电子标签系统由三部分组成：
标签（Tag）：
由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，高容量电子标签有用户可写入的存储空间，附着在物体上标识目标对象；
阅读器（Reader）：
读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
天线（Antenna）：
在标签和读取器间传递射频信号。
（四）特性
数据存储：
与传统形式的标签相比，容量更大（1bit—1024bit），数据可随时更新，可读写。
读写速度：
与条码相比，无须直线对准扫描，读写速度更快，可多目标识别、运动识别。
使用方便：
体积小，容易封装，可以嵌入产品内。
安全：
专用芯片、序列号惟一、很难复制。
耐用：
无机械故障、寿命长、抗恶劣环境。
（五）发展历史
1937年，美国海军研究试验室（U.S.NavalResearchLaboratory（NRL））开发了敌我识别系统（IdentificationFriend-or-Foe（IFF）system），来将盟军的飞机和敌方的飞机区别开来。
这种技术后来在50年代成为现代空中交通管制的基础。
并且是早期RFID技术的萌芽，而优先地应用在军事、实验室等。
60年代后期和70年代早期，电子物品监控（electronicarticlesurveillance（EAS））系统，就是常见的商场防盗系统。
80年代，早期商业应用，包括铁路和食品。
90年代，开始标准化，并提出了EPC的理念，全球每个物品唯一识别。
（六）中国标准
中国电子标签标准的问题一直是国内外关注的焦点问题，也是关乎到能否尽快推动中国RFID产业快速发展的核心问题。
2006年6月26日在北京召开的电子标签标准工作组工作会议上获悉：
2007年经过共同的努力，中国电子标签组已经提出了13.56MHz射频识别标签基本电特性、13.56MHz射频识别读/写器规范、RFID标签物理特性，三个标准的技术文件。
2008年准备完成工作包括：
840-845MHz、920-925MHz频率的标签的标准草案、13.56MHz/射频识别标签基本电特性的测试方法、13.56MHz射频识别读/写器测试方法、RFID标签物理特性测试方法的标准草案。
出席本次电子标签工作组会议的有工信部科技司和产品司有关的主管领导。
会议由电子标签标准工作组组长张琪女士主持。
各专题组负责人均在会议上对2007年工作进行了全面的总结，并报告了2008年电子标签标准制定的工作。
在会议的总结发言中，张琪组长明确指出：
电子标签的标准问题是关乎到RFID产业和整个行业发展的核心问题，在过去的一年里，大家求真务实地做了很多的工作，付出了大量的努力。
虽然，在工作过程中碰到了很多问题，但是，中国具有广阔的RFID应用市场，所以，必须要制定出自己的标准。
2008年电子标签工作组的各专题组必须要加快推进各项工作。
出席本次会议的工业和信息化主管产业和标准的有关司局的领导，也在会上表示：
会积极支持电子标签工作组的各项工作，以推进中国RFID产业的快速发展。
会上电子标签工作组下发了“关于发布电子标签标准工作组技术指导文件的通知”以促进加速电子标签标准制定的工作。
（七）应用范围
电子标签作为数据载体，能起到标识识别、物品跟踪、信息采集的作用。
在国外，电子标签已经在广泛的领域内得以应用。
电子标签、读写器、天线和应用软件构成的RFID系统直接与相应的管理信息系统相连。
每一件物品都可以被准确地跟踪，这种全面的信息管理系统能为客户带来诸多的利益，包括实时数据的采集、安全的数据存取通道、离线状态下就可以获得所有产品信息等等。
在国外，RFID技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化等众多领域。
应用范围包括：
1、防伪：
通过扫描，详尽的物流记录就生成了。
2、生产流水线管理
电子标签在生产流水线上可以方便准确地记录工序信息和工艺操作信息，满足柔性化生产需求。
对工人工号、时间、操作、质检结果的记录，可以完全实现生产的可追溯性。
还可避免生产环境中手写、眼看信息造成的失误。
3、仓储管理
将RFID系统用于智能仓库货物管理，有效地解决了仓储货物信息管理。
对于大型仓储基地来说，管理中心可以实时了解货物位置、货物存储的情况，对于提高仓储效率、反馈产品信息、指导生产都有很重要的意义。
它不但增加了一天内处理货物的件数，还可以监看货物的一切信息。
其中应用的形式多种多样，可以将标签贴在货物上，由叉车上的读写器和仓库相应位置上的读写器读写；也可以将条码和电子标签配合使用。
4、销售渠道管理
建立严格而有序的渠道，高效地管理好进销存是许多企业的强烈需要。
产品在生产过程中嵌入电子标签，其中包含惟一的产品号，厂家可以用识别器监控产品的流向，批发商、零售商可以用厂家提供的读写器来识别产品的合法性。
5、贵重物品管理
还可用于照相机、摄像机、便携电脑、CD随身听、珠宝等。
贵重物品的防盗、结算、售后保证。
其防盗功能属于电子物品监视系统（EAS）的一种。
标签可以附着或内置于物品包装内。
专门的货架扫描器会对货品实时扫描，得到实时存货记录。
如果货品从货价上拿走，系统将验证此行为是否合法，如为非法取走货品，系统将报警。
买单出库时，不同类别的全部物品可通过扫描器，一次性完成扫描，在收银台生成销售单的同时解除防盗功能。
这样，顾客带着所购物品离开时，警报就不会响了。
在顾客付账时，收银台会将售出日期写入标签，这样顾客所购的物品也得到了相应的保证和承诺。
6、图书管理、租赁产品管理
在图书中贴入电子标签，可方便的接收图书信息，整理图书时不用移动图书，可提高工作效率，避免工作误差。
7、其他
如物流、汽车防盗、航空包裹管理等。
（八）中国电子标签市场
中国电子标签市场处于启动期，各地纷纷开展基于电子标签的应用工作，主要应用于物流管理领域，医疗产业，货物和危险品的追踪管理监控，民航行李包裹管理，强制性的检验产品，证件防伪，路桥的不停车收费，电子门票等方面。
电子标签产业链包括标准制订、芯片设计与制造、天线设计与制造、芯片封装、读写设备开发与生产系统集成和数据管理软件平台以及应用系统开发等7个方面。
在标准制订方面，到2006年中国已经制定了《集成电路卡模块技术规范》、《建设事业IC卡应用技术》等应用标准。
2006年12月，关于RFID动物应用的推荐性国家标准《动物射频识别代码结构》正式实施。
2007年4月20日，信息产业部《关于发布800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用试行规定的通知》出台。
（九）未来发展
电子标签技术（射频识别）是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
射频识别系统通常由电子标签（射频标签）和阅读器组成。
电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。
应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。
阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。
这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。
实际应用中，电子标签根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将电子标签分为无源标签（passive）、半无源标签（semi-passive）和有源标签（active）三种类型。
有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能量,采用有源标签的系统的特点是可以达到比较远的识读距离。
距离甚至可达到至100m左右。
比较适合应用于高速公路不停车收费，车辆管理，车辆流量统计等应用领域。
射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展。
所涉及的关键技术大致包括：
芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。
随着技术的不断进步，射频识别产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。
可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的势头。
射频识别技术的发展将会在电子标签（射频标签）、阅读器、系统种类等方面取得新进展。
总而言之，射频识别技术未来的发展中，在结合其它高新技术，比如GPS、生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技术，实现跨地区、跨行业应
四.电子标签识读模块设计
读取RFID电子标签中的设备信息可由ASIC芯片RI-R6C-001A来实现。
RI-R6C-001A是TI公司最新开发的针对RFID读写的多协议收发器，支持的协议包括：
Tag–it协议，ISO15693-2，ISO14443-2（TYPEA），因此可读写多种电子标签，适用范围广。
由于RI-R6C-001A对外只提供四个引脚：
SCLOCK（串行时钟）、DIN（串行数据输入）、DOUT（串行数据输出）和M-ERR（Manchester协议错误标志）,其硬件接口电路相对简单，SCLOCK、DIN和DOUT分别连接MCU的SPI串行接口SCK、MOSI和MISO上。
时钟线是双向的,发送数据时由MCU控制,接收数据时则由ASIC控制，ASIC在时钟的上升沿锁存数据。
DOUT除了具有在接收数据期间的数据输出功能外,还有表征ASIC内部FIFO的功能。
M-ERR线用于在同时读多张卡的时候表征数据的冲突情况，平时为低电平,冲突时此线会升为高电平。
将该引脚连接到MCU的中断输入端上，用于检测数据输入是否有错误。
Tag-it电子标签与移动物流控制器之间的通信是半双工的，首先MCU通过RI-R6C-001A主动发送一个请求（包含命令和参数），电子标签被动发回一个应答（包含发送的数据和状态）。
在软件设计上，通过同步串行接口（SPI），并遵照RI-R6C-001A的命令应答协议就可实现RFID电子标签的读写操作。
RI-R6C-001A的基本命令/应答时序如下：
图2RI-R6C-001A芯片基本命令/应答时序
S1表示命令传输开始，ES1表示命令传输停止，长度均为1位。
CMD为命令字节，长度为8位（普通模式）或1位（寄存器模式），用于规定ASIC与电子标签通讯时的有关参数，包括支持的射频协议、调制方式、调制深度、波特率等。
本系统中CMD为30H，表示系统支持的射频协议是ISO15693（256选1）,采用FM调制方式,调制率10%,返回数据波特率为6.67kb/s。
data为发送给电子标签的数据，其长度由需要传送的信息而定，因此数据长度是任意的，数据位的顺序则依据射频协议ISO15693而定。
S2用于表示电子标签响应数据的开始,ES2则表示电子标签响应数据的结束。
TAGdata为电子标签的响应数据，包括FLAGS、响应内容和CRC16。
五．通信协议的设计
系统是典型的主从分布式系统，协议的中心思想是轮流查询。
所传递的信息为绝对量信息，绝对量信息是指货物编号、运送人、位置等数据；所传递的信息分为数字量和开关量，数字量为32位正整数，表示IC卡、RFID卡、位置等数据；开关量为一位二进制数，表示货物的运送状态。
图3帧结构
完整的帧格式如图3所示。
网络节点之间所有的通信都以包的形式进行，包的长度固定，每个包前可以选择若干个前导字节（Preamable），以稳定传输线路的状态。
第一字节为（8，4，4）汉明编码的从站地址，在网络传输该字节时，应将其第9位设置为,1，以引发接收方的接收中断，该地址指明欲访问的从接点地址（SNA）。
第二字节为网络信息流控制信息。
第三个字节为数据场，数字量在前，开关量在后。
上行传输的数据帧包括32字节的数字量；下行传输的数据帧包括4字节的控制信息和4字节的状态信息。
数据场后面是校验字段（PCS），校验方法采用CRC16。
上行传输数据场数字量中第1-4字节数据为IC卡身份数据，第5-8字节为RFID货物数据，第9-13字节为位置数据，第14-16字节为预留数据，第17-20字节为软件纠错数据，包括是否重发、重发的数据编号等，第21-24字节为控制数据，包括切断汽车油路、关闭仓库出入道闸等控制信息。
其他信息在上行数据的开关量中做了相应定义，包括货物
的控制处理等。
GPS到控制器，RFID到控制器，包括IC卡到控制器，都按照这种格式传送数据，以保证传输的透明性。
通信的最大问题在于噪声干扰，为此，在系统设计中除了硬件的抗干扰处理外，在协议设计和和软件设计上采取了软件纠错方法，保证数据的正确传输。
六．系统软件设计
系统设计的关键是保证货物的安全，虽然使用了RFID，IC卡进行双重验证，但是，必须对整个系统进行安全策略的设计，以保证物流系统的安全性。
首先，系统读取RFID，如果有信号，接收货物的数据保存，接着，读取IC卡数据并通过GPRS传给基地，以验证货物运送人的身份。
GPS模块一直接收卫星信号以计算位置数据，并间隔2分钟（可调节）通过GPRS传给基地中心，软件流程示意图见图4。
一些特殊的货物，需要实施多重检验，包括需要主管部门IC卡签名等。
当货物在运输过程中，如果遇到特殊情况，如抢劫、原料泄露时，司机可以按下紧急开关，基地控制中心可以第一时间知道货物状况，自动报告给各级部门进行
紧急处理。
图4移动物流控制器程序工作示意图
七．结束语
系统在设计中综合运用了各种技术，特别是RFID和IC卡身份的双重认证，保证了系统的安全性，今后需要研究的是，运用指纹识别结合RFID的技术，运用GPS加CDMA的技术，以及多种物流控制数据库与前端RFID数据兼容的问题。
参考文献：
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西安电子科技大学出版社,2004
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