基于RFID的多功能电子货架的硬件系统设计

论文总字数：17240字

目 录

1 绪论 1

2 电子货架的硬件器件 2

2.1读写器 3

2.1.1工作原理 3

2.1.2 ALR 9900读写器 4

2.2 标签 8

2.2.1 标签分类 8

2.2.2 标签内部电路 10

2.3 天线 13

2.4 光电开关 15

3 电子货架的布线及运行 18

3.1 电子货架的布线 18

3.2读写器的运行设置 21

4 读写器的测试运行 23

4.1 Gateway 测试 23

4.1.1 标签读写 24

4.1.2 读写器消息发送 25

4.2软件测试 26

5 电子货架软硬件结合 28

6 结论 29

参考文献： 30

致 谢 31

基于RFID的多功能电子货架的硬件系统设计

张含

，China

Abstract: This paper design a multi-function electronic shelf based on RFID. First of all, now the goods shelves solutions are proposed, and then select the module partition and required by the device type, for the finishing of each device, wiring and operation, gradually realize the function of each part, finally, the electronic shelf of hardware system combine with application software to realize each function of the system. This design can be achieved the label information that can be read by reader in time, feedback information of the amount of the product on the shelf , and can also provide customers with the specified commodities video display and product traceability function, and can also open anti-theft alarm when necessary.

Key word: RFID; shelf; reader; tag

1 绪论

上世纪的四十年代，由于雷达技术的改进和应用，一项新的技术——射频识别（RFID）技术开始产生。随后人们开始不断探索这项新技术，并且通过半个多世纪的努力，RFID技术已逐步得到丰富完善，产品种类更加丰富，应用领域更加广泛。另外，RFID技术经过与其他技术的结合产生了各种新型的RFID产品，它们正在逐步走入人们的日常生活中。

2014年，EPC global批准了向其成员和签订了EPC global IP协议的单位免收专利费的空中接口新标准——EPC Gen 2，而由RFID、Internet和EPC构成的EPC global网络的基础正是此标准^[1]。EPC Gen 2的批准为基于超高频RFID的供应链中的应用提供了全球统一标准，这对于RFID技术的应用和推广意义非凡，逐步地推动了供应链管理和物流管理向着智能化方向发展^[2]。而自2004年起，沃尔玛、宝洁、波音等公司积极主动地推动RFID在制造、零售等行业的应用。由此可见，RFID正处于迅速上升的时期，它的发展和应用在不断地推广，这表明自动识别行业将迎来一场技术革命。目前，RFID技术的发展还面临着部分关键性的问题，主要包括标签成本、公共服务体系、标准制定以及技术和安全等问题^[3]。

RFID是一种自动识别技术，它可以通过无线电信号进行非接触双向通信，实现识别特定物体并获取相关数据信息。RFID同其它技术相比，如条形码技术、光学识别和生物识别技术，它的抗干扰能力更强、可以非视觉范围内读写、包含的信息量大、使用寿命较长，被广泛应用于供应链、图书管理、门禁系统、自动收费等领域^[4]。从全世界来看，许多欧美国家如美国、德国都在建立RFID标准、开发相关软硬件技术和在多领域中应用，这使他们在RFID技术方面已走在世界前列。许多世界厂家都在生产自己的RFID产品，如德州仪器、Philips、Checkpoint、Motorola等。在我国，由于人口众多、经济规模不断扩大，RFID技术有着广阔的应用市场，我们虽然具备有自主开发各种RFID产品和读写设备的能力，但在RFID核心芯片、天线设计和应用上仍缺乏经验^[5]。

RFID系统一般包括读写器、标签和应用软件。其中，标签由芯片及天线组成，每个标签的芯片中都含有唯一的具有一定特殊格式的电子编码；读写器是一种可非接触地将标签信息读取和写入的装置和设备，它经过网络接口和计算机系统进行通信，从而完成对标签信息的获取、识别和管理；应用软件主要是对数据信息的存储和管理，并且对标签进行读写控制，RFID系统的组成结构如图1.1所示。标签与读写器之间通过天线对射频信号的收发实现信息的传递。

图1.1 射频识别系统的组成结构

目前，RFID智能货架一般应用于超市和仓储领域以及贵重物品的管理监视中，但智能货架并未得到广泛应用。现在大多数超市仍是使用条形码技术，条形码系统是一种自动识别系统，由条形码符号设计、制作及扫描读写器构成。使用条码技术的超市需要通过管理者实时走动查看商品的数量以判断商品是否需要进行补货，当顾客结账时需要过扫描读写器扫描条形码获得商品的信息。这种技术的优点是可靠准确、数据输入速度快、经济便宜、设备简单和成本较低，但仍有大量缺点，如条码是可视的数据载体，若条码有撕裂、污损等情况，则无法扫描条码；而且浪费了大量的人力资源。在条码技术相比，RFID重要的优势是射频标签不需要“视线”要读，而条形码必须用激光束直接扫描，当读写器或扫描仪和标签之间存在不透明物体甚至包括盒等透亮的产品，那么条形码有可能无法被扫描。RFID技术可以解决条码技术的部分问题，它可以利用非接触自动识别来检测商品的数量。RFID智能货架一般应用于超市和仓储领域以及贵重物品的管理监视中。沃尔玛超市在逐步使用RFID技术，在管理方面的效率比之前更高。但智能货架在中国并未得到广泛应用，但随着社会的进步，RFID货架会逐步向大众化发展。

2 电子货架的硬件器件

该方案利用RFID技术，将标签贴于商品表面，用读写器实现对标签的实时监控。管理者可以利用计算机及网络实现对产品识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能，侦测架上商品数量变化，随时监控库存以便发掘和分析消费者行为，并且还可以帮助零售商及时调整商品布局，提高销量。RFID货架着重解决了以下问题：

1. 管理人员可以在PC机上对货架上商品进行实时盘点，可获得货架上商品的数量以及销售时间信息，并且该货架可以在商品数量达到设定的警戒值时通过多种方式提醒管理人员及时补货。
2. 客户可随时根据自己的需求在PC机显示器上显示所选商品的文字视频介绍。
3. 可以根据客户需求，对所选商品进行溯源。
4. 根据管理者的需求，可以选择开启或者关闭防盗功能。

本设计的优点是快速扫描、可识别多个标签、抗污染能力强、数据的记忆能力强，缺点是实施起来较为复杂，成本较高。它整体提高了超市的效率，节省了更多的时间和人力成本，也帮助顾客购买商品等。通过市场调研和分析，RFID货架的实用性十分高，因此本设计具有较高的实用性。

2.1读写器

2.1.1工作原理

读写器是一种读写终端设备，它可以读取或写入标签信息。读写器可以作为单独的整体使用，实现数据读写、显示和处理等功能；也可以嵌入到其他系统中应用，实现对标签的读写操作^[1]。读写器可以应用在身份识别和货物识别等各个方面，使用范围相当广泛。读写器的部分功能如下：

1. 在特定的状态下，读写器与电子标签之间能够实现相互通信。
2. 读写器在特定的读写区域内能够实现同时识读多个标签，并且具备防碰撞功能。
3. 对于无源标签或者半无源标签，读写器可以提供能量。
4. 读写器可经过接口实现与计算机之间的通信功能，实现其在系统网络中的运行。
5. 读写器可以识读静止或移动中的标签。
6. 若在读写过程中出现了错误信息，读写器可以发出提示以示提醒。
7. 读写器能识别有源标签的电池相关信息（电量等）。

读写器一般由天线、射频接口模块和控制模块三部分构成，其结构图如图2.1所示：

图2.1 读写器结构图

• 天线

读写器的天线是读写器与标签之间的桥梁，它的主要工作是发射和接收读写器或标签的射频载波信号。当读写器与标签之间传递信息时，天线必须先将读写器中的电流信号转换成射频载波信号然后发送给标签，或者接收来自于标签的射频载波信号并将其转化为电流信号发送到读写器中，这样才能完成标签内数据的交换^[6]。由此可见，天线的设计十分重要，它需要设计参数以满足于读写器工作的需要。

• 射频接口模块

读写器的射频接口模块主要包含射频处理器、射频接收器、射频振荡器等电路，该模块不仅是读写器的射频前端，而且也是决定读写器成本的重要地方。它主要功能是能够发射高频能量，提供能量给射频标签使其被激活；对需要发送给射频标签的信号进行调制，将数据传输给射频标签；将来自射频标签的载波信号接收并解调^[7][8]。

• 控制模块

读写器的控制模块是读写器的控制中心，是读写器工作时的关键中心。工作时，控制模块会发出各种指令，射频接口模块根据这些指令做出具体的操作。它主要包括微处理器、存储单元和应用接口驱动电路等。微处理器是对信号进行编码解码、对数据进行加密解密和执行防碰撞算法；存储单元负责存储一些程序和数据；与上位机的通信则由应用接口负责^[6][9]。

2.1.2 ALR 9900读写器

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