1、基于RFID的仓储管理系统实现关键技术摘 要 无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，与早期的自动识别技术相比，RFID技术因其特有的非接触性以及对多个目标同时识别的特性，正逐渐被广泛地应用在物流、交通和防伪等多个领域。传统的仓储管理，一般依赖于一个非自动化的，以纸质文件为基础的系统来记录和跟踪进出的货物。这种人工操作方式会导致仓储管理效率低下、人工录入错误较多等问题。为了弥补传统仓库管理系统的不足，我们设计并实现了基于RFID的仓储管理系统。同时，针对RFID系统的数据存储和检索问题，我们借鉴了文献1中的数据压缩
2、技术，实现了RFID-Cuboids数据仓库结构。本文首先介绍了RFID技术的相关知识，然后简要地介绍了基于RFID的仓储管理系统的概念以及实现的关键技术，其中关键技术主要包括Alien RFID系统的组成，工作原理以及C#多线程编程技术等。最后详细描述了基于RFID的仓储管理系统的实现过程，主要分为三个部分：（1）RFID海量数据压缩算法，即新的数据仓库结构RFID-Cuboids的实现。（2）Alien RFID系统接口软件的设计与实现。（3）基于RFID的仓储管理系统的具体实现。关键字：RFID技术，仓储系统，数据压缩，接口软件ABSTRACTRadio Frequency Identi
3、fication(RFID) is a non-contact auto identification technology. pared with early technologies of automatic identification, RFID is increasingly used in a broad range of areas such as logistics, transportation and anti-counterfeiting for its property of non-contacting and identifying many targets sim
4、ultaneously. Generally, the Warehouse Management System(WMS) in tradition relies on a non-automatic, paper-based system to record and track the cargos. This manual operation method would result in many problems like low efficiency and many human errors. To make up for this deficiency, we designed an
5、d developed the WMS based on RFID. Meanwhile, aiming at the problem of data storage and retrieval, we developed RFID-Cuboids warehouse structure using the experience of data pression from the reference1. Firstly, this thesis introduces the related information about RFID technology; subsequently, it
6、introduces the concept of the RFID-based WMS and the key technologies to develop it in brief. These technologies include the organization of Alien RFID system, operating principles and multi-threading. Finally, the thesis represents the implementation procedure of the RFID-based WMS in detail. It ma
7、inly consists of three parts: I.RFID massive data pression algorithm, namely the realization of new data warehouse structure RFID-Cuboids. II.Design and implementation of Alien RFID systems interface software. III.The specific methods to develop the RFID-based WMS.KEY WORDS: RFID, WMS, data pression
8、, interface software第一章前 言1.1.研究背景无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术。它利用无限射频进行非接触双向通信，以达到标签识别和交换标签数据的目的，具有极其广阔的应用前景。RFID具有标签不易损坏，读取速度快，围大，无需精确定位便可采集多处数据等优点。在物品跟踪和供应链管理系统中，RFID将发挥至关重要的作用。传统的仓储管理，一般依赖于一个非自动化的，以纸质文件为基础的系统来记录和跟踪进出的货物。这种人工操作方式会导致仓储管理效率低下、人工录入错误较多等问题。若在现有的仓储管理中引入R
9、FID技术，对仓库到货检验、入库、出库、库存盘点等各个作业环节的数据就可以实现自动化的数据采集，保证仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性，确保企业及时准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存。像世界零售巨头沃尔玛这样的大型零售商已经开始在他们的物品仓库和配货中心部署RFID仓储管理系统。一些研究机构估测，沃尔玛的RFID系统每天产生大约7兆兆字节的数据。因此，对于RFID仓储管理系统，如何存储和检索海量RFID数据也是一个迫切需要解决的问题。1.2.国外研究发展现状1.2.1.RFID技术RFID的基本技术原理起源于二战时期，最初盟军利用无线电数据技术来识别敌我双方的飞机和军舰。战后
10、，由于较高的成本，该技术一直主要应用于军事领域，并未很快在民用领域得到推广应用。直到上世纪八九十年代，随着芯片和电子技术的提高和普及，欧洲开始率先将RFID技术应用到公路收费等民用领域。到二十一世纪初，RFID迎来了一个崭新的发展时期，其在民用领域的价值开始得到世界各国的广泛关注，特别是在西方发达国家，RFID技术大量应用于生产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪等民用领域中，其新的应用围还在不断扩展，层出不穷。本世纪初，RFID已经开始在我国进行试探性的应用，并很快得到政府的大力支持。2006年6月，我国发布了中国RFID技术政策白皮书，标志着RFID的发展已经提高到国家产
11、业发展战略层面。到2008年底，我国参与RFID的相关企业达数百家，已经初步形成了从标签及设备制造到软件开发集成等一个较为完整的RFID产业链。同时，国RFID技术的应用研究也在不断进步，RFID技术已经被广泛地应用在身份识别和门禁系统、防伪应用、商业供应链应用、高速公路的不停车收费、车辆自动识别、物流管理、动物的识别与电子门票等项目中。1.2.2.仓储管理系统仓储管理系统是现代仓储企业进行货物管理和处理的业务操作系统。它可以实现本地一个仓库的精细化管理，实现制造企业、物流企业在全国围、异地多点仓库的管理，对货物存储和出货等进行动态安排和对仓储作业流程的全过程进行电子化操作。在与第三方软件的接
12、口上，仓储管理系统可以与客服中心配合使客户通过互联网实现远程货物管理，还可以与企业的EDI（Electronic Data Interchange）系统实现无缝连接。传统的仓储管理，企业大多依赖于一个非自动化，以纸为基础的系统来记录、追踪进出的货物。相对于以计算机为核心的信息管理系统而言，人为因素的不确定性，必然导致企业仓储的工作效率低下和人力资源的严重浪费。同时，随着货物数量的增加以及出入库频率，这种人工模式会严重影响企业的正常工作。目前，在国外应用比较广泛的仓储管理系统都采用了条形码或RFID，还使用了便携式终端。采用数据库，是所有仓储管理系统的特征，在仓储软件的模式上主要有B/S模式，C
13、/S模式和混合模式。Web技术、远程通信技术也在仓储管理系统中得到应用，但研究最多的还是射频识别技术在仓储中的应用。现阶段，虽然我国的仓储管理技术应用有了一定的发展，但与国外相比仍有很大的差距。据有关报道指出，我国跟发达国家之间存在几十年的差距，我国数万家仓储的信息化总体水平还很低，真正实现信息化的还不到10%，大量的仓储还是以人工操作为主。因此，运用现代化信息技术，实现仓储管理的信息化是今后仓储发展的必然趋势。1.3.研究的目的、意义和关键问题仓储在整个产品供应链中起着至关重要的作用，对整个物流系统都有很大的影响。传统仓储管理系统存在效率低下，人工录入错误较多等问题。针对传统仓储管理系统的不
14、足，我们研究基于RFID的仓储管理系统的设计与实现。RFID技术具有大批量数据同时采集、可无需精确对位等特点，因此基于RFID的仓库管理系统可使企业从大量重复作业中解脱出来，出入库的数据信息可通过RFID实时采集、事实传递，降低了人工的劳动强度，提高了工作效率和准确度，避免了人工操作中的一些错误。同时在部署RFID的仓储管理系统中，每天将会产生大量的RFID数据信息。针对RFID数据的压缩、存储、检索的问题，文献1中提出了一种新的数据仓库结构：RFID-Cuboids，这种新的数据仓库结构主要是利用大量物品的成批移动，数据泛化和部分路径的融合等特性来进行数据压缩，大大的降低了数据存储空间，提高
15、了查询效率。本文中我们用C#语言实现了上述的RFID-Cuboids结构。1.4.本文的结构安排本文的容共分为五章，具体安排如下：第一章即本章的前言部分。首先介绍了本项目的研究背景，然后介绍了RFID技术以及仓储管理系统在国外的研究发展现状，最后简单介绍了本文的研究目的、意义以及一些相关的关键问题。第二章主要介绍了RFID的相关理论知识。首先是RFID的技术简介以及RFID的分类，然后对RFID的系统组成和工作原理进行了详细地描述。接下来简要介绍了RFID的关键技术以及制定的国际标准和规，最后介绍了RFID技术典型的应用。第三章主要介绍基于RFID的仓储管理系统实现关键技术，主要包括Alien
16、 RFID Reader的概述，Alien RFID Reader组成及工作原理，多线程技术等。第四章为本文的核心部分，主要是基于RFID的仓储管理系统的实现，介绍了基于RFID的仓储管理系统的需求分析、系统结构、实现的任务流程，Alien RFID Reader接口软件的设计与实现，基于RFID仓储管理系统的具体实现，以及RFID海量数据压缩存储算法的实现。第五章是总结部分。总结了论文所做的工作及成果，指出了目前存在的不足。第二章RFID技术概述2.1.RFID的技术简介RFID(Radio Frequency Identification)即无线射频识别技术，是一种非接触式自动识别技术，射
17、频识别技术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。RFID的技术前身可以追溯到第二次世界大战，当时该技术被英军用于识别敌我双方的飞机。其原理是在英方飞机上装有识别标签（类似于今天的主动标签），当雷达发出微波查询信号时，装在英方飞机上的识别标签就会做出相应的回执，使得发出微波查询信号的系统能够辨别出飞机的身份，此系统IFF（Identify Friend or Foe，敌我识别），目前世界上的飞行管制系统仍是在此基础上建立的。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物，并使用专用的扫描
18、读写器利用光信号将信息由条形码传送到扫描读写器。而RFID则使用专用的RFID阅读器及专门的可附着于目标物的射频标签，利用射频信号将物品相关信息由射频标签传送至RFID阅读器。射频标签中载有关于目标物的各类相关信息，如：该目标物的名称，目标物运输起始、终止地点，中转地点及目标物经过某一地的具体时间等，还可以载入诸如温度等指标。RFID与传统条形码技术相比，具有快速扫描、体积小，易封装、抗污染能力强和使用寿命长、识别高速运动物体、可重复使用、穿透性好并且可以无屏障阅读、数据的记忆容量大以及安全性好的技术优势。同时，RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球围物品跟踪与信息共享。RFID技
19、术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群。2.2.RFID的分类根据射频系统的特征，可以将RFID系统进行多种分类。（1）按照工作方式划分为全双工、半双工系统和时序系统。全双工系统中数据在阅读器和电子标签之间的双向传输是同时进行的，并且从读写器到电子标签的能量传输是连续的，与传输的方向无关；半双工系统中数据传输是交替进行的，并且能量传输是连续的；时序系统中从电子标签到阅读器的数据传输是电子标签的能量供应间歇时进行的，而从阅读器到电子标签的能量传输总是在限定的时间间隔完成。（2）按照数据载体
20、可以划分为只读系统和可读写系统。只读系统中阅读器只能读取电子标签的数据，不能将数据写入电子标签。在可读系统中，阅读器可以改写电子标签存储的信息，可以将数据动态写入电子标签。（3）按照能量供应可划分为无源系统和有源系统。在无源系统，无源标签没有自己的电源。工作能量从阅读器发出的射频波束中获取，读写器更要发射更大的射频功率，识别距离比较近。在有源系统中，电子标签装有电池，为电子标签的工作提供全部或部分能量，无源电子标签无电池，其识别距离更远，阅读器需要的功率较小。（4）按照工作频率可以划分为低频系统、中高频系统、超高频和微波系统。 低频系统的工作频率一般为30300KHz。典型的工作频率为125K
21、Hz、133KHz，特点是标签的成本较低、标签保存的数据量较少、阅读距离较短、阅读天线方向性不强等。一般适用于短距离、低成本的应用中，如门禁管理、校园卡、动物监管等。 中高频系统的工作频率一般为330KHz。典型的工作频率为13.56MHz。基本特点是电子标签及阅读器成本较高，标签保存的数据量较大，阅读距离较远，适应物体高速运动，性能好。一般应用于需传送大量数据的场合，其典型的应用是电子身份系统、物流管理系统。超高频和微波系统简称微波系统，微波系统的工作频率一般为300MHz3GHz或大于3GHz。其典型的工作频率为433.92MHz、862（902）928MHz、2.45GHz和5.8GHz
22、。应用于较长的读写距离和高速读写场合，如火车监控、高速公路收费等。（5）按照耦合类型分为电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统。在电感耦合系统中，阅读器和电子标签之间的射频信号的实现为变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，其依据是电磁感应定律。在电磁反相散射耦合系统中，阅读器和电子标签之间的射频信号的实现为雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后被反射，同时携带目标信息，其依据的是电磁波的空间传输规律。2.3.RFID的基本组成部分 （1）RFID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RF
23、ID标签由标签芯片和标签天线圈组成，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域，就可以根据电感耦合原理（近场作用围力）或电磁反向散射耦合原理（远场作用围力）在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阀值，就可以激活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标签芯片部结构主要包括射频前端
24、、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。（2）读写器 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在上传
25、，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段控制功能，例如直接与工业现场的其他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）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，它和RFID标签集成为一体，另一类是读写器天线，既可以置于读写器中，也可以通过同轴电
26、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受功能的集成。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系统识别围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的的阻抗匹配特性，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。（4）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受、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的问题，还可以为上层应用软件提供多
27、层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。中间件的存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件的过滤、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。（5）应用软件 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中间件的逻辑设置，逐渐将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
28、素之一。2.4.RFID系统的基本工作原理RFID系统的基本工作原理是在耦合通道，阅读器和标签之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合，且根据时序关系，完成数据的交换和能量的传递，其基本工作模型如图2-1所示：图2-1 阅读器与应答器信息传递示意图阅读器向电子标签提供工作能量。对于无源标签，当标签离开射频识别场时，标签由于没有能量的激活而处于休眠状态，当标签进入射频识别场时，阅读器发射出来的射频波激活标签电路，标签通过整流的方法将射频波转换为电能存储在标签中的电容里，从而为标签的工作提供能量，完成数据的交换。对于半有源标签来讲，射频场只起到了激活的作用。有源标签始终处于激活状态，处于主动工作状态
29、，和阅读器发射出的射频波相互作用，具有较远的识读距离。时序指的是阅读器和标签的工作次序问题。即阅读器主动唤醒标签，这时标签首先自报家门。对于无源标签，一般是阅读器先讲的形式对于多标签同时识读，可以采用阅读器先讲的形式，也可以是标签先讲的形式。阅读器和标签之间的数据通信包括阅读器向标签的数据通信和标签向阅读器的数据通信。在阅读器向标签的数据通信中，又包括离线数据写入和在线数据写入。对于标签向阅读器的数据通信过程，其工作方式包括以下两种标签收到阅读器的射频能量时，即被激活并向阅读器发射标签存储的数据信息标签被激活后，根据阅读器指令转入数据发送状态或休眠状态。在这两种工作方式中，前者属于单向通信，后
30、者属于半双工双向通信。图2-2可以看出，在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。因此，在工作的空间通道中存在三种事件模型以能量提供为基础的事件模型，以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型，以数据交换为目的的事件模型。2.5.RFID的关键技术RFID的关键技术包括产业化关键技术和应用关键技术。（1）RFID产业化关键技术主要包括： 标签设计与制造：例如低成本、低功耗的RFID芯片设计与制造，适合标签芯片实现的新型存储技术，防冲突算法及电路实现技术，芯片安全技术，以及标签芯片与传感器的集成技术等。 天线设计与制造：例如标签天线匹配技术，针对不同应用对象
31、的RFID标签天线结构优化技术，多标签天线优化分布技术，片上天线技术，读写器智能波束扫描天线阵技术，以及RFID标签天线设计仿真软件等。RFID标签封装技术与装备：例如基于低温热压的封装工艺，精密机构设计优化，多物理量检测与控制，高速高精运动控制，装备故障自动诊断与修复，以及在线检测技术等。RFID标签集成：例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配技术，标签加工过程中的一致性技术等。读写器设计：例如密集读写器设计，抗干扰技术，低成本小型化读写器集成技术，以及读写器安全认证技术等。（2）RFID应用关键技术主要包括： RFID应用体系架构：例如RFID应用系统中各种软硬件和数据的接口技
32、术及服务技术等。RFID系统集成与数据管理：例如RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术，RFID应用系统中间件技术，海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。RFID公共服务体系：提供支持RFID社会性应用的基础服务体系的认证、注册、编码管理、多编码体系映射、编码解析、检索与跟踪等技术与服务。RFID技术检测与规：例如面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规，标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规，以及系统解决方案综合性检测技术与规等。2.6.RFID的标准与技术规RFID标准体系分为技术标准和应用标难。技术标准主要包括接口规、物理特性、读写器协议、编码体系、测试规、应用规、数据管理、信息安全等标准组成。应用标准主要分为动物识别、身份识别、商业、交通、军事等。目前常用的国际标准主要有ISO/IEC18000标准（包括7个部分，涉及125KHz，12.56MHz，860-960MHz，2.45GHz等频段）、用于对动
