基于RFID 技术的数字化仓库管理系统的设计

文/王珍珍 江梦圆

为了在仓库中找到管理的正确方向，能够解决以往的人手不足发货慢并且相关信息查询效率低等诸多的烦恼，本课题研究的内容是用RFID 技术在Windows 上做一个关于Qt 的窗体进而来实现数字化仓库的管理。主要用RC522 射频模块来获得IC 卡的相关数据信息，然后通过STM32 单片机与之用CH340 驱动进行串口通信，接着数据库会将这些信息进行储存以及管理，最后将会以系统界面的形式显示商品添加、入库、出库以及获取卡号进而查询商品的信息等功能。

RFID 技术现状及功能的概述

RFID 技术的研究现状

国内最早推广RFID 是早年的广深铁路电子车票；2005-2010 年间许多科研机构和高校都成立了RFID 实验室；2008年上海举行的世博会成功使用了国产芯片的RFID 标签，到2012 年以后，在技术和应用上实现了较大的突破，经历了几年20%-30%的发展之后，中国已成为全球最大的RFID 标签制造基地。RFID 技术的发展从刚开始的不成熟到现在的相对成熟有了质的飞跃，像现在的共享单车、数字化仓储管理、数字化的图书馆、体温的测量等都与该技术密切相关，但是具体的方法又有所不同。但是在超高频RFID 技术方面是不能和那些发达国家相提并论的，不过低频的发展还是较为成熟的，高频的发展从一开始的基本成熟到现在的比较成熟。

RFID 简介

RFID 是射频识别技术的英文缩写，它是一种通过无线电波进行通信的自动识别技术。这种技术不需要依赖人工干预，就能够自动识别和跟踪目标物体。其主要工作原理是利用射频信号进行目标识别和数据采集。RFID 的应用范围非常广泛，比如在物流和供应链管理、身份识别、门禁控制、追踪和定位等领域。其核心组件包括电子标签、读写器和中央信息系统。电子标签是附着在目标物体上的小型无线电发射器，每个标签都有一个唯一的编码；读写器则是用于读取和写入标签数据的设备；中央信息系统则用于对所有数据进行管理和分析。相比传统的识别技术，RFID 有以下优点：首先，RFID 可以穿透各种介质，如纸张、木材、塑料等，进行远距离和非接触式的识别；其次，RFID 可以同时识别多个标签，大大提高了数据采集的效率；再次，由于每个标签的编码都是唯一的，因此RFID 可以实现极高的精度和可靠性；最后，RFID 可以应用于各种恶劣环境，如高温、低温、雨雪、灰尘等，因为其具有很强的抗干扰能力。

RFID 的特征

第一，RFID 技术既然是无线射频识别，那么它的功能读写的数据就是用RFID Reader 无线不需要接触来实现的，也即是将直接读写过来的信息存储在数据库内而且也可以在标签内写入商品的某个状态。

第二，RFID 标签还可以重复使用。这样一来还可以减少资源的浪费，因为RFID 就是一个电子标签，它是通过数据库来存储的在系统的界面上实现数字化的。

第三，RFID 标签形状多样，不是固定不变的，因为被读取的数据不是根据形状来决定的；而且像水或者油这些污染性很强的东西或者被其它物品包裹都不会影响来读取它的数据，因此它的抗污染性和穿透能力很强。

第四，RFID 在数据和安全方面就更不用担心了，因为它们的安全系数极高，而且数据的记忆容量非常大，运用在仓库管理中非常有利。

RFID 系统的组成

RFID 系统是由三个主要部分组成的：读写器（Reader）、电子标签（Tag）和后端计算机（Backend Computer）。每个部分在RFID 系统中扮演着重要的角色。

读写器（Reader）：这是一个设备，它通过无线电波发送和接收信号。它的主要功能是读取和写入电子标签的数据。读写器可以同时处理多个电子标签，而且可以在不同的距离和角度下读取标签。

电子标签（Tag）：这是附着在物体上的小型无线电发射器，通常只有几平方厘米的大小。每个电子标签都有一个唯一的编码，这个编码用来识别特定的物体。电子标签可以存储各种类型的数据，包括产品的详细信息、位置信息、身份信息等。

后端计算机（Backend Computer）：这是用来处理和管理所有数据的设备。它接收来自读写器的数据，将数据进行处理、分析和存储。后端计算机还负责通过互联网或者其他网络将数据传输到其他需要的地方，例如企业的数据库或者决策层。

在RFID 系统中，这三个部分通过无线电波进行通信。当一个带有电子标签的物体进入读写器的工作范围时，读写器会发送一个无线电信号，这个信号激活电子标签并使其发送自身的编码信息。读写器接收到这个信息后，将其发送到后端计算机进行处理。

RFID 技术与数字化仓库管理的联系

自从物联网的全面普及，RFID 技术也跟着不断发展，把RFID 技术应用到仓库管理中是一个很省时间又省人力的好形式，又能够减轻员工辛勤的劳动力减少汗水的挥洒，实现其数字化。数字化仓库管理的本质就是利用网络软件进行数据记录、计算，利用网络通信进行数据传输和管理[1]。同时RFID技术用到应用系统软件与网络连接进行数据的传输，把商品的信息通过RFID 技术运用到计算机系统的界面上进而呈现出来实现了数字化，因此RFID 技术与数字化仓库管理既是紧密的又是互相有联系的。RFID 技术相较于传统的依靠人工的管理，不仅提高了仓储中货物入库、在库、出库的效率和准确率，而且提高了整个仓储管理中的自动化和信息化的程度。

主要功能描述

第一，商品添加，在电脑上打开Qt 窗体，在系统界面上有一部分是需要手动输入来添加商品的，即在添加商品的时候要输入商品的名称以及商品所在的位置，然后将商品名称和商品位置手动输入完成之后就可以刷卡紧接着获取卡号了，同时这些信息就会绑定在数据库里了，最后点击添加会出现“添加成功！”的字样。如果有一项不填，比如不填商品位置的话，则会提醒“请将信息输入完整！”。在获取IC 卡的时候，刷一次能获取一次信息并且一分钟之内有效。

第二，商品入库，这一功能在入库的时候需要先刷IC 卡进行获取，刷卡入库成功则系统界面会提示“入库成功！”并且商品的数量就会加1，紧接着再入库一个，则商品数量就会在原来的基础上再加1。

第三，商品出库，首先需要在系统中设置好出库的商品名称，然后再刷卡获取卡号，最后通过卡号和设置的商品来判断是否一致，如果不一致则会发出报警的声音并提醒“商品信息不一致！”，如果商品信息一致则会提示“出库成功！”并且商品数量就会减1；如果库存的数量为0，则对商品出库时会显示“商品数量不足！”的框体。

第四，商品查询，在手动添加完成商品的名称和位置信息之后，先刷卡后查询，则会显示对应商品的信息，默认商品的数量为0，商品查询时可以查询的有商品的名称、商品的位置信息还有RFID 的卡号同时也有商品的数量显示。

系统硬件设计

硬件构成

本次的设计硬件部分用到了STM32F103C8T6 单片机、LED 灯、MFRC522(RFID 射频识别模块）以及CH340 驱动模块等。

主要模块介绍

LED 灯即发光二极管，主要以半导体PN 芯片为发光源，LED 灯属于直流驱动电源。不要被LED 灯的外形小所欺骗，因为它的使用寿命是不可低估的，在日常生活中，LED灯的寿命可以达到100000h，在实验室中，它的寿命会降至50000h，然而它所用的电量还有功率却是微不足道的，而且LED 灯可以呈现出多种颜色，如果给它通上电源，它反应迅速，没有延时性，会立刻亮起来，这给人们以美好的视觉体验。

单片机模块

基于Cortex-M3 内核的STM32F103C8T6 单片机是一种高性能的CMOS 8 位微控制器且功耗极低，其主要的作用就是控制外部电路执行程序，其高达72MHz 的工作频率能够轻松达到设计需求。虽然是最小系统的单片机，但是它的外观看起来还是很精致的，下图1 所示就是它的结构特征，有复位按键，8M 的贴片晶振，3.3V 的稳压芯片等，而且还有预留的串口5V 的接口。

MFRC522 射频模块

MFRC522 芯片是无线射频识别模块的重要的核心组成部分，对IC 卡完成相关信息数据的读写，不仅如此，它还可以用来对STM32 单片机与IC 卡之间进行传输数据的。该芯片的优点很多，在成本上价格不仅相对低廉，而且其尺寸小以及所用到的电压也比较低，甚至它的集成度也颇高，可以在13.56 MHz 的频率下工作，并与ISO/IEC 14443 A/MIFARE 3 种型号都兼容，拥有强大而有效的解调和解码电路，可实现与任意类型卡的近场通信。

CH340 驱动模块

CH340 驱动是一个USB 总线的转接芯片，可以将MCU传送过来的TTL 信号转换成PC 机所能识别的信号。如图2是CH340 的模块展示，该驱动是在Windows 环境下应用的，方便该系统与电脑连接，实现编程及调试。此芯片不仅可以支持3.3V 的电源电压而且还能够支持5V 的电压，可供开发者方便使用。

系统软件设计

系统的开发平台

QT 是一种跨平台的上位机应用程序开发框架。Qt Creator是一个用于 Qt 开发的轻量级跨平台集成开发环境（IDE），该软件功能特别强大。此次的系统设计是在Qt Creator 软件平台上实现数字化的，使用C++编程语言能够完成对射频卡数据信息的写入，读取等功能，运用Mysql 数据库来存放这些数据信息加以管理，从而可以在系统界面上以数字化的方式展示出商品的具体信息。Qt Creator 的集成开发环境专为支持跨平台开发而设计。跨平台的开发在此设计上可以使用在不同的系统上，新人学起来会相对较快并容易上手，将来如果想对此设计进一步完善可以在此基础上继续开发，这也是开发者经常使用此平台的原因所在。

主程序流程

如下图所示为本设计的主程序流程图，在用USB 数据线给设备通电之后，让代码进入初始化，包括时钟，延迟的初始化，STM32 模块以及RC522 模块这些硬件设备的初始化。当刷IC 卡的时候，RC522 首先会进行寻卡的操作，看是否能够检测到IC 卡，如果检测到并且在一分钟之内有IC 卡读入，即对刷卡时间进行一个限制；RC522 射频模块获得IC 卡的相关数据信息之后，同时与STM32 单片机相结合，进而通过CH340 转串口相连接传送给电脑，在此过程中则LED 灯就会由灭到亮，这时就说明刷卡成功，再由数据库处理相关的数据，以至于对其管理的方便。

无线射频流程

RC522 无线射频识别通电后也会先被初始化。RC522 会一直检查有没有刷卡操作，在RC522 寻到卡请求对此操作之后，紧接着就会进行有冲撞以及反碰撞的这一步，接着就会选择到正确的卡号。然后将读取的信息传输到主系统中，由主系统对数据做出处理。这个验证结束后，在系统的界面上，会呈现出IC 卡的相关信息。

上位机流程

把设备连接到电脑之后，设备就会通上电，进而先会被初始化并激活代码。本设备中只用到了一个串口，随后打开串口，紧接着会判断这个指令是否为商品名称的添加、商品位置的添加，是否成功获取IC 的卡号，如果没有成功地完成获取，那么就会返回则等待，但是倘若成功获取再加上在数据库中把相关的数据信息处理好则会返回到最初的等待状态，准备进行下一步的操作。

仓库管理系统的测试

系统界面展示

在本设计中要实现其数字化的仓库管理，当然必不可少的是出入库的管理，同时还伴随着串口日志以及商品的查询功能。此系统的界面比较一目了然，给人一种简约舒适的感觉，倘若之后想扩展功能的话可以对其进行继续添加。

商品添加功能展示

在Qt 框架中用鼠标点击“商品添加”这一栏，在界面中就会显示出三大字样，分别为商品名称、商品位置以及RFID，在其中名称和位置信息是需要用键盘手动输入添加上的，RFID 的具体ID 号是能够通过刷卡来获取的，不仅可以通过刷卡来获取而且也是可以和上述一样手动添加的，这样的话可以避免在IC 卡或射频模块出错，不能使用的时候继续添加，从而避免损失.要注意的是在商品添加的时候如果有一项没有填入就会显示“请将信息输入完整！”

获取RFID 的功能展示

在进行RFID 获取的时候，随之会看到LED 灯会亮这就可以说明刷卡成功。如果已经添加成功了之后再刷一次同样的卡，想要继续添加时系统就会提示“该IC 卡已经绑定了商品信息！”；假如不进行刷卡，就是RFID 的方框里是空白的则直接点击获取，那么就会提示“未获取到卡号，请重试！”

入库功能展示

在对商品进行入库操作的时候，首先需要手拿着IC 卡对照着RC522 读卡器，然后就可以点击“获取”IC 卡的一些信息，进而就可以让商品入库，紧接着就会显示“入库成功！”。

出库功能展示

如果想要正常出库，同样也是要先刷卡获取相应的卡号，并且商品名填的正确就能够出库，因此出库时商品的名称以及与之对应的ID 号都正确的前提下，才会出库成功；如果商品的库存量为0，这时让此商品出库，那么系统就会提示“商品数量不足！”，这样会出库失败。

预警功能展示

当需要对商品进行出库时就可以刷卡进而来获取卡号，但是如果说出库时的商品名称填写与之将要出库时不一样的话，但是已经获取成功卡号的前提下，那么系统中就会伴随着报警的声音并会提示“商品信息不一致！”，这样是不能出库的。

商品查询功能展示

首先，在对商品查询的时候当然是在商品成功完成添加之后，这样才可以初次对商品进行查询。如果想要精准地确定某一个商品具体的信息，必须有的一个步骤就是刷卡来获取，进而点击查询在同一个界面中会显示这个商品的名称、所在货架的地址，RFID 的ID 号以及商品的数量，当然最开始的商品数量默认是0。

然后，在商品入库成功之后，紧跟着就可以在商品查询这一栏中直接点击查询就能够看到清晰的商品数量，这取决于入库了多少个商品，如若返回到入库那里再次点击入库，再进行查询从而就会显示实时的商品数量。

最后，如果要对成功出库的某个商品数量有详细的掌握，那么点击查询就会锦上添花。

身为物联网专业的一员，偶然的机会在看到管理仓库的过程中发现了其中的很多不方便并且对找东西效率低的问题，于是萌生了一个大胆的想法，就是用RFID 技术再借用计算机Qt 结合C++的语言做出来一个框架，让有关的数据信息经过数据库来进行储存从而好让需要者来查询，这样用软件和硬件结合起来就会让人有一种数字化的相关体验，经过模拟这些不再是遥不可及。

在本设计中，通过对此课题的背景简要的概括让对仓库管理有需求的人了解到了仓库确实是需要有序并且高效地来管理的，对国内外RFID 技术的发展现状也有了比较深刻的认知和理解。本课题的主要功能是在仓库管理中实现入库/出库、商品添加以及通过刷卡来获取卡号进行查询商品，包含商品的名称、商品的位置、商品的ID 号还有商品的准确的库存量，最后根据刷卡再结合这些功能对整个系统进行了测试。

本课题创新的第一个点，是把RFID 技术和Qt 可跨平台的优势结合在一起，不仅界面美观而且可以让操作者容易上手。RFID 技术是在高频的工作频率下进行完成的，即为13.56 MHz，再加上Qt 可以跨平台的特点，让仓库的管理更加地有意义。虽然早些时候有RFID 技术和跨平台的结合，但是没有用过Qt 来做框架，一般都是用的JAVA。本课题创新的第二点是在出库不一致报警时，是在系统中放入的音频进行提醒的，而不是用的蜂鸣器，这样不仅可以避免蜂鸣器的损坏而且还能节约成本。

当然这个设计还存在着一些的不足，比如规模不够大，没有实时的时间显示，也就是没有显示入库的时间也不能显示出库的时间等功能；也没有LCD 液晶显示屏的支持；有些许的不完美。在每个需要用到此技术的人，想法都会是不一样的，所设计出来的效果当然也是不同的，但是大致的核心功能还是一样的。