基于射频识别技术的智能仓储管理系统研究与设计(硕士毕业论文).doc

分类号：TP331.1 密 级： 公 开 UDC： 单位代码： 10424 硕 士 学 位 论 文基于射频识别技术的智能仓储管理系统研究与设计 申请学位级别：硕士学位 领域名称：计算机技术 指导教师姓名： XXXXXXXX 职 称： 教授 副指导教师姓名： XXXXXX 职 称： 高级工程师 XXXXXXXXXX大学二零一三年五月论文题目：基于射频识别技术的智能仓储管理系统研究与设计 作者姓名： XXXXXX 入学时间： 2010年9月 领域名称：计算机技术 研究方向：嵌入式系统技术 指导教师： XXXXXX 职 称： 教授 副指导教师： XXXXX 职 称：高级工程师 论文提交日期：2012年5月 论文答辩日期：2012年6月 7日授予学位日期： RESEARCH AND DESIGN OF INTELLIGENT WAREHOUSE MANAGEMENT SYSTEM BASED ON RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION TECHNOLOGYA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF ENGINEERINGfromXXXXX University of Science and TechnologybyXXXXXXSupervisor：Associate Professor XXXXXXCollege of Information Science and EngineeringMay 2012声 明本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 工程硕士生签名： 日 期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date:XXXXXXX大学硕士学位论文 摘要摘要传统的仓库管理系统使用的是人工记录单据的方式，这种方式不但费时费力，还容易造成人为损失，而且劳动力成本高。随着企业规模不断扩大，产成品结构越来越复杂，且市场竞争对仓库流动性管理的要求也日益提高，因此，仓库智能化管理的研究具有很高的价值。而一个结合了射频识别技术的智能仓储管理系统可以很好的解决上述仓库管理问题。RFID技术的加入免除了仓储管理过程中的人工干预，而且在大量节省劳动力的同时还大大提高了工作效率。这种智能化的管理系统可以大大的简化库存管理，满足信息数据流量不断增大，处理速度不断提高的需求。论文所设计的智能仓库管理系统由业务管理软件、射频数据识别采集系统和RFID电子标签组成，这几个部分相互联系，共同完成智能仓储管理的各个流程。其中射频识别系统的研究和设计是本论文的重点部分。主要包括射频阅读器设计和智能仓储管理系统软件设计两大模块。论文中从软件和硬件两个方面对阅读器装置的结构和功能分别进行设计。阅读器硬件部分包括各电子电路和芯片的选取和设计；软件方面主要给出软件设计的流程图。计算机智能仓储管理系统软件设计部分主要是计算机前台用户操作界面的设计和数据库的设计。此仓库管理系统是采用组件式开发的三层架构系统。在充分理解库存管理的业务需求的基础上，结合射频识别技术，对传统业务管理流程进行了改造和重新设计。并给出了改造后的系统管理流程图。将仓库管理系统与RFID技术相结合，不仅能够高效地完成各种管理操作，还能提升仓储效率及价值。本论文从射频识别技术的基本概念、特点、基本原理和应用着手，分析了基于RFID技术的智能仓储管理系统典型框架结构、主要功能模块及特点。与传统仓储管理系统中的识别方法相比,RFID技术具有无需物理接触、无需人工干预及无需光学可视即可实现信号输入和处理、操作方便快捷等其他技术所无法比拟的优势。实验证明了本系统设计方案的实用性和可靠性。关键词：智能，仓储管理，射频识别 ，电子标签XXXXXXXXX大学硕士学位论文 ABSTRACTABSTRACTThe traditional warehouse management system use the manual documents to record, this way is not only time-consuming and laborious, but also easy to cause the human loss, and high labor costs. With the expansion of enterprise scale, the product structure become more and more complex, and the market competition requires more flow ability in warehouse management, therefore, research on intelligent warehouse management has very high value. An intelligent warehouse management system combined with radio frequency identification technology can be a very good solution to the problem of warehouse management. RFID Technology not only reduced manual intervention in the process of warehouse management, but also saved a lot of labor and greatly improved the work efficiency. The intelligent management system cans simplify inventory management greatly, meeting the needs of the increasing data traffic and continuously improving processing speed.Intelligent warehouse management system designed in this paper composed of business management software, radio frequency identification data acquisition system and the RFID electronic label; these parts are connected with each other, to complete the process of intelligent warehouse management. The research and design of RFID system is the key part of this paper. It mainly includes the design of two modules of RF reader design and intelligent storage management system software. In this paper the structure and function of the reader device from the two aspects of software and hardware are designed. Hardware part includes the selection and design of the electronic circuit and chip; the software part mainly gives the flow chart of software design. Design of intelligent warehouse management system software mainly includes the design of computer user interface and database. This warehouse management system use three layer architecture use component development method. Reform and redesigned the traditional business management processes, and showed the system management flow chart after the reform. The warehouse management system combined with RFID technology can not only complete the various management operations efficiently, but also can improve storage efficiency and value.This paper mainly introduced the basic principle、basic concepts、characteristics and the application of radio frequency identification technology, discussed the typical frame structure, main function modules and characteristics of intelligent warehouse management system which based on RFID technology. Compared with the traditional identification methods in warehouse management system, RFID technology has incomparable advantages over other techniques such as: don't need physical contact、don't need manual intervention、can realize the signal input and processing without the need of visual optics、convenient operation and so on. Preliminary experiments prove the practicability and reliability of the system design.Keywords: intelligent, warehouse management, radio frequency identification, electronic labelXXXXXXXX大学硕士学位论文 目录目 录1 绪论11.1 项目背景11.2 智能仓储系统国内外研究现状11.3 RFID技术用于智能仓储系统的优点31.4 本文章节内容安排32 系统主要相关理论与技术52.1 射频识别系统52.2 智能仓储管理系统方案82.3 本章小结83 总体设计103.1 智能仓库管理系统的主要结构103.2 智能仓储管理方案设计103.3 系统设计要点133.4 本章小结144 射频识别系统研究与设计154.1 阅读器设计154.2 智能仓储管理系统软件设计394.3 本章小结415 系统搭建与测试425.1 系统搭建425.2 射频识别系统测试435.3 智能仓储管理系统运行445.4 本章小结486 总结与展望49致谢50参考文献51攻读学位期间主要研究成果54XXXXXXXXXX大学硕士学位论文 ContentsContents1 Introduction11.1 Project background11.2 Research status of intelligent storage system at home and abroad11.3 The advantages of RFID technology for intelligent storage system31.4 The content arrangement of this chapter32 System theory and technology52.1 Radio frequency identification system52.2 The scheme of the intelligent storage management system82.3 The summary of this chapter83 Overall design103.1 The main structure of the intelligent warehouse management system103.2 Intelligent warehouse management system architecture103.3 The key points of the system design133.4 The summary of this chapter144 Research and design of RFID system154.1 Design of reader154.2 Intelligent warehouse management system software design394.3 The summary of this chapter415 The system construction and testing425.1 System set up425.2 Radio frequency identification system test435.3 Trial operation of intelligent warehouse management system445.4 The summary of this chapter486 Summary and Outlook49Thanks50Main Reference Documents51Main Research Achievements During Master's Degree54XXXXXXX大学硕士学位论文 绪论1 绪论1.1 项目背景仓储管理在销售管理中占据核心地位。传统的销售业仓储管理是以人工笔录或者使用条形码对仓储物品进行识别记录，随着销售业的快速发展，市场要求销售产品种类多样化，更新速度快，加上承包仓库场地成本的提高，这种依靠笔录或者条形码对仓储产品进行管理的方式越来越显现出其弊端，已经无法满足现实市场高速运转的需要，因此，建立一个能够快速识别及定位库存物品，能够适应产品多样化、更新周期快速化，借助电脑化、信息化将库存物品信息、物品存储量及位置与仓库管理者三者紧密联合的智能仓储系统是市场发展的新需求，是很有必要的1。仓储管理及库存精确定位在整个企业的管理流程中起着十分重要的作用，若不能保证及时的库存控制、准确进货，将可能会给企业带来巨大的损失。这不仅导致企业各项管理费用增加，而且还会使得客户服务质量很难得到保证，而最终影响到企业的市场竞争力。所以本文提出了全新的基于RFID（Radio Frequency Identification）技术的智能仓储管理系统方案来解决传统仓储管理出现的问题。1.2 智能仓储系统国内外研究现状（1）技术概述 RFID射频识别技术是一项很早的技术，在20世纪60年代该技术从理论上已经得到很大发展。经过多年的进步，13.56MHz以下的射频识别技术已相对成熟，而目前业界最为关注的是中高频段的RFID技术，尤其是860MHz到960MHz远距离射频识别技术发展的最快。目前，RFID技术的标准化问题逐渐为人们所重视，射频识别技术产品的种类更加丰富，无源电子标签、有源电子标签以及半无源电子标签都得到了很快发展，电子标签的成本也不断降低。物流仓储行业是RFID技术最有潜力的应用领域之一。物流过程中的信息自动采集，货物追踪，仓储管理应用，快递等均是该技术很好的应用对象2。（2）国外研究现状 从全球范围来看，美国是RFID技术应用的积极推动者，在美国RFID技术标准建立、相关硬件、软件技术的开发以及应用领域均走在了世界前列。欧洲的RFID技术追随美国主导的EPCglobal标准。日本虽然已提出UID技术标准，但主要是本国厂商的支持，要成为国际认可标准还有很长的路。目前，美国、日本、英国、瑞典、德国等国家均有较成熟的RFID技术产品3。目前，从全球的产业格局来看，RFID产业主要集中应用比较成熟的欧美地区。西门子、飞利浦、TI、ST等厂商基本上垄断了RFID芯片市场；微软、IBM、HP、SAP等公司抢占了RFID系统集成研究的有利位置；Intermec、Alien、Symbol等公司则提供RFID电子标签、阅读器、天线等产品设备。在国外，RFID技术主要被用在对货物的识别。由Unified Barcode & RFID开发的仓储管理软件，支持移动计算、RFID阅读和RF(WIFI)网络，其功能包括：便携数据采集应用、多设备测量单元、无纸采集和接收、实物库存和货物跟踪；另外，全球最大的零售商沃尔玛公司曾经有过一项要求前100家供应商在2006年1月之前在单件商品中使用射频识别技术的决议。另据沃尔玛官方表示，截至到2007年已有600多家供应商使用了RFID技术。（3）国内研究现状 与欧美等发达国家相比，我国在射频识别技术产业上的发展还相对落后。目前，我国的RFID企业总数已经超过100家，但是关键核心技术缺乏，尤其是在超高频射频识别技术方面。从包括阅读器、电子标签和天线等硬件产品来看，中低频射频识别技术门槛相对较低，发展较早，技术较为成熟。而超高频射频识别技术门槛相对较高，国内发展比较晚，技术还不够成熟，从事超高频RFID技术产品生产的企业还很少，具有自主知识产权的企业更少。目前，在我国还未形成较成熟的RFID产业链，而且产品的核心技术基本上还掌握在国外的公司手中，尤其是中间件及芯片等方面。国内企业基本上具有RFID天线设计和研发的能力，但是还不具备设计应用于金属材料或液体环境中的可靠RFID标签天线的能力。中国在RFID技术标准化的研究工作上也有一定的基础，已制定了建设事业IC卡应用技术等应用上的标准；在频率规划方面，也已经做了大量试验；在技术标准方面，已经依据ISO IEC 15693标准，基本上完成了国家标准起草工作。我国很多研究人员及研究机构也陆续开展了RFID技术在仓储管理中的应用研究。例如DC软件公司对白沙物流信息管理系统实施RFID技术。DC公司技术人员依据白沙物流的运作特点，结合国内物流行业的发展现状，合理地将RFID技术运用在货物入库、调整、盘点、出库等仓储管理环节，在技术上实现了突破性的进步；另外，西安电子科技大学针对国内仓储管理现状，提出一种基于射频识别技术的仓储管理系统优化方案，并给出了系统设计原理和工程实现的详细描述。1.3 RFID技术用于智能仓储系统的优点RFID技术是兴起于20世纪90年代的一种非接触自动识别技术。该技术利用了射频信号在空间耦合的传输特性，实现对标签的自动识别。其识别过程中不需物理接触或光学可视，也无须人工干预即可完成信息的自动录人和处理。同时，电子标签还具有携带数据量大、可重复读写、保密性强，且不怕灰尘及污渍环境适应力强等的优点。这些优势都是其它识别方式无法比拟的，因此RFID技术可以在物流、交通、生产、防伪等领域有着巨大的发展和应用前景。本系统设计将其运用在智能仓储管理系统中，与传统仓储管理方案相比优势如下： 读取快捷方便：数据读取无需物理接触或光学可视，甚至还能透过货物的外包装来进行数据的读取。而且有效识别的距离更长。 识别速度快：标签一旦进入阅读器有效识别范围就可即时读取其中的数据。穿透性强和无障碍阅读：传统的条形码扫描机要求近距离且没有物体阻挡情况下才能辨读条形码。而无线射频技术能够穿透非金属和非透明材质。数据容量大：RFID电子标签的容量可达数兆字节。随着存储载体的发展，数据容量也会不断的增加。使用寿命长，应用范围广：电磁波通信方式，使其能够应用于高污染和放射性等环境，而且其寿命大大高于印刷的条形码；传统条形码的数据载体是纸张，因此容易被污染，但RFID对油、水或化学药品等物质都具有很强的抵抗能力。标签数据可动态更改：RFID标签的交互式便携数据功能允许用户通过阅读器或编程器方便的向电子标签写入数据，而且操作时间比打印条形码更短。 安全性高： RFID电子标签可将数据的读写操作设置密码保护；另外，RFID承载的是数字信息，其内容可方便的进行密码保护，不易被篡改和伪造，因此具有更高的安全性。1.4 本文章节内容安排本文从智能仓储管理系统项目背景出发，分析了系统国内外研究现状，系统的组成。重点研究了阅读器的设计和智能仓储管理方案设计。主要内容如下：第一章：绪论部分，主要分析了本系统研究项目背景及国内外相关技术研究现状，并突出本系统设计的特点即将RFID技术用于智能仓储系统的优点。第二章：系统主要相关理论与技术分析。本系统主要包括两大技术点，其一是射频识别系统，这部分主要分析了射频识别系统的组成与基本原理；射频识别卡的分类和国家标准；副载波信号调制的原理；ISO14443标准中非接触式智能卡Type A和Type B两类标准的调制方式以及BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）信号解码原理；其二是智能仓储管理系统方案部分，主要分析了智能仓储管理方案与传统的管理方式具有更加方便、快捷、可靠等的优点。将射频识别技术与计算机系统巧妙合理的运用到仓库管理系统当中，使得仓库管理呈现自动定位货物大体库位和及时提醒仓库管理人员补仓、出仓的智能特点。这将使得仓库管理更加合理。第三章：系统总体设计部分，主要分析了整个系统的框架、组成结构，智能仓储管理方案的设计，并对本系统的主要研究重点作简单分析，是整篇论文的设计蓝图部分。第四章：本部分是智能仓储管理系统的射频识别系统的研究和设计，是本论文的重点部分。主要包括射频阅读器设计和计算机智能仓储管理系统软件设计两大模块。阅读器设计部分主要分析射频识别卡基本原理和射频识别卡的标准，并从软件和硬件两个方面对阅读器装置的功能、结构和实现分别进行设计。阅读器硬件部分各电子电路和芯片的选取和设计；软件方面主要给出软件设计的流程图。计算机智能仓储管理系统软件设计部分主要是计算机前台用户操作界面的设计和数据库的设计。第五章：系统的搭建和测试，整合以上所设计各部分，构建仓库智能管理系统，并运行测试。第六章：本文的内容总结部分。简单总结了文章研究的主要内容和达到的效果，并对进一步的研究做出展望。4XXXXXXXXXXX大学硕士学位论文 系统主要相关理论与技术2 系统主要相关理论与技术2.1 射频识别系统射频识别卡全称无线射频身份识别卡，简称RFID。又称作感应式IC、感应卡、RF卡或者非接触卡。按其供电方式不同可分为无源射频识别卡和有源射频识别卡。有源射频识别卡内部是由电池提供电源，其工作范围较远，但体积大、寿命短、成本比较高，而且不适合工作于恶劣环境中；无源射频识别卡内部没有电池，他是利用电磁波供电技术把接收到的电磁波射频能量转化成直流电源，为卡片内电子电路提供电源。这种射频识别卡工作距离相对较短，但寿命较长而且对工作环境要求较低。按其所使用载波频率可分为高频卡、中频卡和低频卡。低频卡主要有134.2kHz和125kHz两种，中频卡的频率主要是13.56MHz，高频卡频率主要是5.8G、2.45G、915M、433M赫兹等。不同频段射频识别卡的应用场合，工作范围和成本均有差异。本系统使用中频13.56MHz 。（1）射频识别系统基本组成射频识别系统主要由RFID读写器、电子标签和计算机组成，如图2.1所示。图2.1 射频识别系统的基本组成部分Figure 2.1 The basic component of radio frequency identification system阅读器器由微控制器(单片机)、读写基站、天线模块、电源模块、ISP下载接口、音频报警部分和信号指示灯等部分组成。（2）基本工作原理无源射频识别卡自身没有电源，其工作能量依靠LC震荡电路从阅读器天线发出的电磁波转化获得4。1）阅读器上电初始化之后，读写基站将准备好要发送的数据编码后利用频率为13.56MHz的载波发送出去，在附近空间内形成交变的电磁场，并每隔一定时间便将一条命令数据调制好发送到天线RF射频信号中，寻找周围电子标签。2）当射频识别卡电子标签（电子标签内含有一个天线，其谐振频率与RFID阅读器天线的谐振频率一致）进入阅读器读写范围内的交变电磁场，标签内的LC振荡电路感应出一定频率的交变电信号，谐振电路即天线将产生电荷的积累，经过标签内的整流稳压电路将交流电信号整流成直流电信号，当此电信号积累足够大时，就可为电子标签中的电子电路提供工作所需电压，从而获得工作电源，供内部芯片电路工作。电子标签内的芯片电路开始正常工作，接受并处理由阅读器发送过来的数据信息。3）另一方面，电子标签检测到射频信号中包含的数据信息，通过解调电路将有用数据从射频信号中分离，并对其进行判断处理。4）电子标签再将处理结果经过调制后通过内部天线线圈发送到阅读器设备。5）阅读器设备天线感应到标签发送的数据信号，将其解调出来，送至微控制器处理。到此便完成一次电子标签数据的读写过程。（3）副载波信号调制的原理射频电子标签传送回阅读器的数据采用副载波负载调制的方式，其基本原理如图2.2所示。此时，电子标签的谐振电路消耗由阅读器发出电磁波产生的能量，这个消耗能量有重新被激活的效应，这种现象使得阅读器出现压降。这种效应可通过改变电子标签内IC的电阻或负载将数据从标签传送回阅读器5。图2.2 副载波负载调制原理Figure 2.2 Subcarrier load modulation principle（4）射频识别卡标准分析ISO14443国家标准规定了13.56MHz电子射频识别卡的工作参数和工作原理，标准一共由四部分构成。第一部分：物理特性；第二部分：射频界面；第三部分：初始化和反碰撞；第四部分：传输协议6。该标准规定RFID射频识别系统使用载波频率为13.56MHz，阅读器发送到射频电子标签的数据调制在载波频率上，采用10%ASK(amplitude shift keying 幅移键控)、非归零编码方式和非同步时序。副载波频率是载波频率的16分频，也即847kHz。射频电子标签返回到阅读器的数据调制到副载波上，使用非归零编码方式，847kHz副载波相移（PSK）调制。ISO14443国家标准中非接触型射频智能卡包含Type A和Type B两种标准，其对比如表2.1所示：表2.1 Type A和Type B两种标准的对比Tabal2.1 Comparison of Type A and Type BType AType B调制方式ASK 100%调制方式ASK 10%副载波频率fs847.5kHz(13.56MHz/16)副载波频率fs847.5kHz(13.56MHz/16)Manchester(bit-encoding)具有较低的信噪比SNR(读写器一方)BPSK(bit-encoding)具有较高的信噪比SNR(读写器一方)防冲突特性可以控制在位(bit)层次上防冲突特性只能控制在信息(message)层次上，而不是位(bit)层次上（比Type A 差）对于用软件来实现编码技术(bit-ecoding)来说太快，需要使用硬件电路实现位编码/解码几乎都用软件来直接实现位编码/解码技术(bit-ecoding)，不需要使用硬件电路来实现位编码/解码数据速度150200kbit/s数据速度400kbit/sType A和Type B两种标准的调制方式不同，前者的调制方式在信号为0时，射频电子标签天线没有电能输出，此时射频识别卡电路失去电源提供；而后者的调制采用ASK 10%方式，在信号为0时，射频识别卡天线照样会有电能输出，内部电路不会失去电能。（5）BPSK信号解码原理在阅读器与射频电子标签通信过程中，阅读器向电子标签发送命令数据时采用的是ASK调制方式，而电子标签向阅读器返回数据时采用的是二进制相移键控即BPSK方式的调制信号。BPSK方式是用调相的方法对信号进行调制的，信号中当数据位0跳变到1或者由1跳变到0时信号产生180度相移，若数据位保持0或1不变则信号不会产生相移。当产生相移时该数据位所在周期就会多出半个波的时间，而没有发生相移的周期是正常的，不会变。2.2 智能仓储管理系统方案传统的仓库管理方式采取人工笔录和盘点的方式，这种方式不但效率低而且很容易出错，既不能让管理员详细知道仓库货物摆放位置情况又不能及时提醒管理员对仓库短缺货物精心补仓。这样不仅会使得企业经济受损，甚至还会影响企业的信誉而最终失去市场竞争力。随着市场经济快速发展，各企业对智能仓储技术的关注和支持力在不断的提高。智能仓储管理系统可以在大大减少劳动力的同时，提高管理效率和作业速度，降低物流费用和仓储成本7。智能仓储管理系统与传统的仓库管理操作流程相似，只不过结合了射频识别技术，利用RFID技术读写距离较远和方便的信息化技术，有效的解决了传统仓储管理的弊端。同时系统中还包含计算机端业务管理软件的应用，它能帮助仓库管理人员对库存货物的入库、上架、补库、拣货、盘点、出库等一系列环节进行全面管理和控制，实现了仓储货物批量控制快速周转和盘点，提高了仓库的动态仓储能力，大大降低了库存风险。2.3 本章小结本章对系统主要相关理论与技术进行分析。系统主要包括两大技术点，其一是射频识别系统，这部分主要分析了射频识别系统的组成与基本原理；射频识别卡的分类和国家标准；副载波信号调制的原理；ISO14443标准中非接触式智能卡Type A和Type B两类标准的调制方式以及BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）信号解码原理；其二是智能仓储管理系统方案部分，主要分析了智能仓储管理方案与传统的管理方式具有更加方便、快捷、可靠等的优点。将射频识别技术与计算机系统巧妙合理的运用到仓库管理系统当中，使得仓库管理呈现自动定位货物大体库位和及时提醒仓库管理人员补仓、出仓的智能特点。这将使得仓库管理更加合理。41XXXXXXXXXX大学硕士学位论文 总体设计3 总体设计3.1 智能仓库管理系统的主要结构本系统主要由业务管理软件、射频数据识别采集系统和RFID电子标签组成。这几个部分相互联系，共同完成智能仓储管理的各个流程。其中射频数据识别采集系统是实现智能管理能力的手段和基础。业务管理软件是系统数据处理中心，负责处理和存储与射频数据识别采集系统通讯的数据。电子标签则用于对仓库货物信息进行标注，提供货物信息数据给射频数据识别采集系统8。将仓储货架根据实际需要分为A、B、C等区，每个小区都安装有射频阅读器以唯一区别其他区域，每个阅