發(fā)布時(shí)間：2016-05-12 17:08

第一章  緒論 

1.1 研究背景與研究問題 
計(jì)算機(jī)作為科技高速發(fā)展的第一代產(chǎn)物，從發(fā)達(dá)國家應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)大大促進(jìn)了人類生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，同時(shí)也促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在這樣的大環(huán)境下，互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新生產(chǎn)物誕生了。互聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)之后的第二代新生產(chǎn)物，它的出現(xiàn)對人類的發(fā)展進(jìn)步具有非常重要的意義�；ヂ�(lián)網(wǎng)作為新產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)人類個(gè)體與個(gè)體之間的信息交換與通信。互聯(lián)網(wǎng)范圍覆蓋全世界，凡是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)，都能夠很容易的通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人與人之間的溝通。 
這些技術(shù)與生活息息相關(guān)，如RFID技術(shù)、GPS技術(shù)和紅外感應(yīng)技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上的更新?lián)Q代，且性能更加強(qiáng)大，通信范圍更加廣泛。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)只是實(shí)現(xiàn)了有思想的人類之間的通信和信息交換，而物聯(lián)網(wǎng)除了實(shí)現(xiàn)此功能之外，還把沒有生命的物體擴(kuò)充到整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了人與物以及物與物之間的通信和信息交換。可以說，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為目前最具有潛力的行業(yè)之一，對于該領(lǐng)域的研究具有十分重要的應(yīng)用意義。 

RFID是無線射頻識別技術(shù)的簡稱。它與以往的識別技術(shù)不同，它通過不用接觸的無線電信號對特定的目標(biāo)進(jìn)行識別而進(jìn)一步對所識別的信息完成讀寫功能，這是識別技術(shù)領(lǐng)域的一大突破。在這一個(gè)完整的過程中，不需要系統(tǒng)和所要識別的目標(biāo)進(jìn)行任何接觸。高中物理課程所學(xué)的磁場，它看不見摸不著。射頻識別技術(shù)是通過這個(gè)看不見摸不著客觀存在的場來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)流程的第一步來源于閱讀器，首先它發(fā)出一定頻率的信號，當(dāng)這個(gè)信號到達(dá)它目標(biāo)范圍內(nèi)的標(biāo)簽之后，標(biāo)簽就會把自身內(nèi)部信息通過無線傳輸發(fā)送給讀寫器，讀寫器讀取之后再將這個(gè)信號進(jìn)行解碼，從而傳送給上位機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，供給我們所利用。 

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1.2 研究目標(biāo)與研究意義 
本文的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款基于無線射頻技術(shù)的可視化倉儲管理系統(tǒng)。通過這個(gè)系統(tǒng)能夠更直觀的獲得倉儲管理進(jìn)出貨物的各種信息，取代了傳統(tǒng)用紙張記錄的倉庫管理模式，提高了管理的效率。通過這個(gè)系統(tǒng)，能夠通過圖表的形式得到進(jìn)出貨物的數(shù)量，以柱形圖的形式對比出各種貨物的進(jìn)出效率和庫存量。這屬于射頻識別技術(shù)的一項(xiàng)重要的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了倉儲管理的信息化管理，也為國家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)貢獻(xiàn)了一份力量。
為實(shí)現(xiàn)這個(gè)研究目標(biāo)，是通過設(shè)計(jì)一款讀寫器來完成。這款讀寫器是基于美國產(chǎn)的R2000 芯片開發(fā)的。通過這個(gè)讀寫器的軟硬件設(shè)計(jì)，再將其應(yīng)用在倉儲管理系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)研究目標(biāo)。閱讀器、應(yīng)答器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)相互作用共同構(gòu)成了超高頻無線射頻系統(tǒng)。而這里所說的應(yīng)答器用我們通常的說法就是電子標(biāo)簽。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是：閱讀器先發(fā)出某一特定頻率的信號，通過無線傳輸傳送到它目標(biāo)范圍的應(yīng)答器，應(yīng)答器再通過其自身的天線對該閱讀器發(fā)射特定的信號，閱讀器接收后通過編碼調(diào)制將消息傳送給應(yīng)用軟件系統(tǒng)，從而被人們獲取并應(yīng)用。

從電路原理圖的設(shè)計(jì)到 PCB 電路的模塊布局和布線規(guī)則，再到軟件代碼的編寫，最后到整個(gè)系統(tǒng)的測試，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成一共耗時(shí)兩年多的時(shí)間。經(jīng)過了大量的測試和修改，實(shí)現(xiàn)了讀寫器與標(biāo)簽兩米內(nèi)的通信，測試性能優(yōu)良，有很好的實(shí)用價(jià)值。與市面上普通的產(chǎn)品相比，具有讀寫距離更遠(yuǎn)、速度更快的特點(diǎn)，對于可視化倉儲系統(tǒng)的研究和射頻識別領(lǐng)域的研究具有十分重要的意義。 

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第二章 UHF RFID 系統(tǒng)的工作原理 

2.1   UHF RFID 系統(tǒng)介紹 
本文所研制的 UHF RFID 系統(tǒng)是由閱讀器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)工作。閱讀器，通常又稱為讀寫器，根據(jù)其自身功能的不同，一部分實(shí)現(xiàn)只讀功能，一部分既可以實(shí)現(xiàn)讀功能又可以實(shí)現(xiàn)寫功能，所以閱讀器和讀寫器這兩個(gè)名字通用。電子標(biāo)簽最初也被稱為應(yīng)答器。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是閱讀器首先作為主動的一方，發(fā)送一定頻率的信號，然后標(biāo)簽通過天線來進(jìn)行無線接收應(yīng)答，所以標(biāo)簽最初的名字叫做應(yīng)答器。隨著研發(fā)的進(jìn)步，標(biāo)簽實(shí)物制作越來越便攜，電子標(biāo)簽被大眾使用越來越廣泛。而計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)作為上位機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)采集到的信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理和加工。  
對于天線的匹配和電路設(shè)計(jì)，主要從兩點(diǎn)綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。為使天線達(dá)到最大的傳輸效率，必須使天線與內(nèi)部電路相匹配。一方面是要實(shí)現(xiàn)共軛匹配，另一方面是要實(shí)現(xiàn)無反射匹配。為了使輸出達(dá)到最大功率，輸入的內(nèi)阻應(yīng)該與原信號的內(nèi)阻相匹配。為使系統(tǒng)達(dá)到最大的傳輸效率，需要無反射匹配。負(fù)載和傳輸線相匹配，同時(shí)，系統(tǒng)的信噪比提高，誤差降低，整個(gè)天線的靈敏度也大大地提高。 
本文所設(shè)計(jì)的 UHF RFID 系統(tǒng)主要由讀寫器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)三大部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成框圖如下圖 2.1 所示。 

在本文所設(shè)計(jì)的讀寫器中，發(fā)揮最主要作用的三個(gè)模塊分別是控制模塊、射頻模塊和天線模塊。除了最主要的這幾部分模塊之外，還包括電源模塊和時(shí)鐘模塊。因?yàn)槠渥陨淼墓δ懿煌械闹挥凶x的功能，而有的即可以讀又可以寫，所以有時(shí)我們也把讀寫器叫做閱讀器。它在整個(gè)超高頻射頻識別系統(tǒng)中決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率。它的主要作用是接收上位機(jī)發(fā)過來的命令，再將該信號通過射頻模塊和天線無線傳輸給電子標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交流。在讀寫器和電子標(biāo)簽進(jìn)行無線信息交流的進(jìn)程中，我們可以看到，讀寫器是作為主動的一方來工作的。 

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2.2 UHF   RFID 系統(tǒng)工作原理 
在這個(gè)系統(tǒng)中，讀寫器和電子標(biāo)簽分別是無線信息交流的兩方。讀寫器通過其內(nèi)部天線以無線信號磁場發(fā)射的形式向電子標(biāo)簽發(fā)出讀寫的命令，電子標(biāo)簽接收到命令后被激活，將自身攜帶的信息通過標(biāo)簽天線發(fā)送給讀寫器。讀寫器通過天線進(jìn)行接收，并將其進(jìn)行調(diào)制、編碼等操作，然后將數(shù)據(jù)送往后臺的上位機(jī)進(jìn)行處理。在這個(gè)系統(tǒng)中，讀寫器發(fā)出的信息首先需要編碼和調(diào)制，然后由讀寫器的射頻電路傳遞給讀寫器天線，在經(jīng)過無線磁場的電波傳輸后，該信號被電子標(biāo)簽接收。讀寫器射頻電路的作用，是將發(fā)射信號的頻率大幅度提高，以便于信號在自由空間傳輸。讀寫器射頻電路還有另一個(gè)作用，就是將來自于電子標(biāo)簽的信號頻率降低，以便于讀寫器識讀。所以射頻電路既可以將發(fā)射信號頻率升高，又可以將接收信號頻率降低，具有收發(fā)重作用。 
該協(xié)議的物理層通信特性和標(biāo)簽識別層特性對整個(gè)協(xié)議影響最大。在物理層上，有兩條鏈路，一條是前向鏈路，一條是反向鏈路。它們之間是互不影響的，分別獨(dú)立編碼和調(diào)制，且數(shù)據(jù)速率也是不一樣的。讀寫器和電子標(biāo)簽在物理層上實(shí)現(xiàn)半雙工通信，讀寫器首先向電子標(biāo)簽發(fā)送一定頻率的信號，電子標(biāo)簽用同樣的頻率接收。電子標(biāo)簽只是單純的反射。在標(biāo)簽識別層上，讀寫器主要通過選擇、存盤和訪問三個(gè)操作來與電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)無線通信。 

對于電子標(biāo)簽內(nèi)部，主要存在四個(gè)存儲體，分別編號 0、1、2、3。這三個(gè)存儲體作用各不相同，編號為 0 的存儲體用來保存內(nèi)存；編號為 1 的存儲體是 EPC 存儲器；編號為 2的存儲體是 TID 存儲器；編號為 3 的存儲體是用戶自定義存儲器。 

……

第三章 UHF RFID 讀寫器硬件電路設(shè)計(jì) .................................15 
3.1 引言...........................................................15 
3.2 控制電路的選型及設(shè)計(jì) ...........................................15 
3.3 射頻電路的選型及設(shè)計(jì) ...........................................17 
3.4 天線的匹配及電路 ...............................................18 
3.5 本章小結(jié).......................................................19 
第四章 UHF RFID 讀寫器軟件的架構(gòu)...................................21 
4.1 引言...........................................................21 
4.2 主程序軟件的實(shí)現(xiàn) ...............................................21 
4.3  ISO18000-6C 協(xié)議的實(shí)現(xiàn) ........................................22 
4.4 本章小結(jié).......................................................23 
第五章 PCB 電路設(shè)計(jì)與制板 ..........................................25 
5.1 引言 ...........................................................25 
5.2 元器件的封裝 ...................................................25 
5.3 模塊布局及布線規(guī)則 .............................................25 
5.4 PCB 制板圖 .....................................................26 

5.5 本章小結(jié).......................................................27 

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第六章 UHF RFID 可視化倉儲管理系統(tǒng)的研究

6.1 引言

本設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用在可視化倉儲的管理系統(tǒng)中，在將系統(tǒng)最核心的讀寫器軟硬件設(shè)計(jì)好之后，還要將其與可視化倉儲系統(tǒng)的平臺搭建連接起來[36]。通過該平臺和窗口的搭建，取代了傳統(tǒng)的用紙張記錄的倉儲管理模式，不僅能夠以圖表的形式看到進(jìn)出貨物的數(shù)量，還可以以柱形圖的形式對比出哪種貨物的進(jìn)出頻率最高和庫存量最大。這與傳統(tǒng)的倉儲管理系統(tǒng)相比，達(dá)到了人工智能和信息化的研究目的。除此之外，還大大改善了工作的軟硬件環(huán)境并提高了管理的質(zhì)量。 
采集層主要是由本文所設(shè)計(jì)的基于 R2000 的以 Cortex-M3 為主控制器的讀寫器和加載在進(jìn)出貨物上的電子標(biāo)簽來完成數(shù)據(jù)的采集；傳輸層主要是讀寫器通過串口和無線 wifi 通信把數(shù)據(jù)傳送給上層計(jì)算機(jī)軟件所利用；處理層主要是計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)庫 SQL Server 和網(wǎng)絡(luò)編程來實(shí)現(xiàn)可視化倉儲管理系統(tǒng)的操作，在這一層中，網(wǎng)絡(luò)編程主要用來管理窗口，而數(shù)據(jù)庫主要用來管理系統(tǒng)接收來的數(shù)據(jù)。 

可視化倉儲管理系統(tǒng)的工作原理還是在射頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究的。在進(jìn)出的每一個(gè)貨物上都加載一個(gè)對應(yīng)的電子標(biāo)簽，當(dāng)貨物進(jìn)出裝有系統(tǒng)的大門時(shí)，來到讀寫器感應(yīng)范圍內(nèi)。讀寫器發(fā)射出一定頻率的信號，通過自身天線無線傳輸給貨物標(biāo)簽的天線，標(biāo)簽再將自身特定的信號無線傳輸給讀寫器，讀寫器接收信號經(jīng)過調(diào)制編碼再通過串口傳輸給上層計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。上位機(jī)獲得數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，然后通過ASP.NET 設(shè)計(jì)的可視化倉儲系統(tǒng)界面呈獻(xiàn)給用戶想利用的數(shù)據(jù)

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結(jié)論

本文研制了一款基于 RFID 的可視化倉儲管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的用紙質(zhì)記錄管理的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了更直觀、更便捷、更高效的信息化倉儲管理。該系統(tǒng)主要分為三個(gè)層次，由下至上，分別是采集層、傳輸層、處理層。采集層是通過讀寫器和電子標(biāo)簽的無線數(shù)據(jù)傳輸來作用的；傳輸層是通過讀寫器和上位機(jī)通過串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)�；處理層主要是通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和加工，來供給人們使用。 

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)還在于開發(fā)了一個(gè)可視化的倉儲管理界面，能夠更加直觀的看到進(jìn)出倉庫貨物的各種數(shù)據(jù)。可視化倉儲管理系統(tǒng)平臺搭建主要通過網(wǎng)絡(luò)編程和數(shù)據(jù)庫技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù)。通過這兩項(xiàng)主要的技術(shù)我們能夠?qū)崿F(xiàn)管理全自動，對于進(jìn)出倉庫的貨物只要通過電腦界面就能夠一目了然；也能夠完成查詢功能，能夠方便便捷的查詢進(jìn)出倉庫的每一件貨物的進(jìn)出時(shí)間和生產(chǎn)廠家等相關(guān)的信息；而且此系統(tǒng)還能自動生成報(bào)表和柱形圖，，通過顏色鮮明的柱形圖視圖能夠更直觀的對系統(tǒng)的各種貨物進(jìn)行比較和了解，包括哪種貨物進(jìn)出頻率最高等信息都能被我們了如指掌。對于本文所研制的基于 RFID 可視化倉儲系統(tǒng)，測試性能很高，并且擁有很高的實(shí)用價(jià)值。 

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：44338