基于RFID的物流运输管理系统的构建

引言

随着物流水平的提高，信息的提取和分析越发显得重要，货物运输管理的信息化水平已成为衡量当今物流工业先进性的标志。目前，国内运输信息化管理方法单一，大多数物流运营公司仅能提供实时的定位跟踪与查询服务，不能获得运载工具上的货物信息，无法及时发现货物装卸过程的失误，特别是危险品的运输，一旦出错，后果不堪想象。

本文设计了一种物流货物运输管理系统以解决这类问题。该系统基于GPRS、GPS和RFID（无线射频技术），采用单片机串口时分复用方式控制各功能模块，将采集的信息在运载工具上实时显示，并通过无线传输发送到远程终端。这样，不仅实现了对运载工具的定位，而且可以有效管理其装载的货物，达到及时发现错误，及时处理的目的，提高了货物运输管理中的效率，减少了时间成本。

硬件系统结构

功能模块

系统采用三个功能模块：RFID模块，GPS模块和GPRS模块。

RFID模块采用的是WJ公司的MPR6000，工作频率为UHF902~928MHz，支持EPC Class0、Class1和Class0+协议。

贴在箱内各货物上的电子标签（Tag）写入了货物的基本信息和编号，RFID模块与Tag之间可每几微秒通信一次，实时了解运载工具上的货物信息、以及运输途中货物装卸或出入库等情况，以便对货物进行智能管理。

2合1模块TRIZIUM-GPS采用Telit公司GPS和GPRS产品。

该模块支持4800、9600、38400、57600bps等常见波特率，并集成了GPRS和GPS两个模块，既可以独立工作也可以联合工作，并且两模块都各自有两对UART口（UART0和UART1）。在联合工作模式下，GPRS模块的UART1和GPS模块的UART0对接，使用AT命令，GPS模块采集的定位信息就可以传输到GPRS模块的UART接口上，然后通过GPRS的UART0口传输到MCU。

GPS的目的在于采集定位信息，用于对运载工具进行实时定位，以便实时跟踪、优化调度。GPRS模块的目的就是将采集到的信息发送到远程监控终端。

系统模型

系统模型如图1所示，MUC采用AT89S51单片机，功耗低，具有4KB在线可编程Flash存储器，片内WDT能提高系统的抗干扰能力。

图1 系统模型

3个功能模块共同由单片机控制，内置于运载工具内。

运行流程主要是数据采集、数据处理、数据传输和终端处理及反馈。单片机作为整个系统的控制核心，主要用于与3个功能模块和远程监控中心的通信。数据采集包括GPS模块和RFID模块的数据，通过串口传入单片机进行预处理，显示在 LCD上，同时通过GPRS模块发送到远程监控中心，进行终端处理分析。远程监控中心也可以通过GPRS传输命令，向单片机发出提示、警告或获取其他实时信息。

电路设计

单片机系统

电路原理图如图2所示，3个功能模块受1块51单片机控制，模块与单片机之间采用异步串行通行模式。虽然各功能模块提供了许多控制线，但为了简化接口设计，均采用两线（TXD、RXD）连接。模块之间通信的控制通过软件来实现，采用软件实现控制具有使用灵活的特点，避免了过多的硬件信号的检测。

图2 电路原理图

AT89S51单片机只有一对串口，这样，如何解决单片机串口的复用问题是整个硬件的重点之一。本系统用单片机的P3.0、P3.1、P3.2三个管脚来分别控制三个功能模块的RXD。串口通信的起始位处于“space”状态，只有当某控制管脚为低电平时，对应的模块才能享有使用串口的权力，达到串口时分复用的目的。

LCD显示模块采用OCMJ4×8，它是128×64点阵液晶模块。该模块内含GB2312 16×16点阵国际一级简体汉字和ASCII8×8（半高）及8×16（全高）点英文字库，用户输入区位码或ASCII码即可实现文本显示。

键盘控制器HD7279的主要作用是提供运载工具上“人机对话”的功能，可根据实际情况随时采集所需信息，并显示在车载LCD上，这样就可在货物装卸过程中获得当前状况，方便管理。

为了扩展MCU的外部ROM和RAM，单片机外接16k的E2PROM AT28C16和COMS静态RAM IDT6116。

此外TRIZIUM-GPS模块的逻辑电平为COMS2.8V，单片机和RFID模块均为TTL电平，本系统采用的是SN74HC245N电平转换芯片解决功能模块与单片机之间电平转换的问题。

外围电源电路

各功能模块中， RFID射频模块（工作电压为4.5v）对外围电源电路要求具有稳压功能和纹波小的特点。本系统中采用12V的输入电源，由于输入输出电压差比较大，所以线性调整器并不适用于该电压转换电路。为了衰减电流的峰值，必须使用100mF的旁路等效串联电阻电容来保护电路，并且去耦电阻、去耦电容和电感也要尽可能地靠近模块的电源输入端口，其原理如图3所示。

图3 电源电路
          
单片机系统的程序设计

软件结构

系统软件完成的主要操作包括：模块及MCU的初始化、与上位机通信、数据处理及显示，其工作流程如图4所示。当系统上电初始化后，根据现场对运载工具的不同监控要求，利用键盘或等待远程命令选择功能模块。针对不同工作模式，通过对多路串行通道的设置，读取所需的状态信息。对采集所得的数据预处理后保存在外部RAM，通过LCD显示出来（包括目前运载工具内货物数量、总类、各自编码或运载工具位置信息等），并由用户按键确认后返回。即可了解货物运载及装卸情况，并发送到远程终端。

图4 工作流程

GPS数据的采集

单片机与各模块间的通信都采用57600 bps的传输速率。帧格式为：无奇偶校验，一个起始位，8个数据位，1个停止位。

在TRIZIUM-GPS模块的联合工作模式下，对定位信息的采集可以使用AT命令来完成，过程如下：
发送：AT#GPIO=1,1,1<cr><lf> //在internal模式下，启动GPS功能；返回： OK
发送：AT$GPSDATA=1<cr> <lf> //设置GPS模块的通信管脚；返回：OK
发送：AT$GPSDATAS= 9600<cr><lf> //设置GPS模块与GPRS模块的通信比特率；返回：OK
发送：AT$GPSSAV<cr><lf> //保存设置；下次启动时，免去初始化操作；返回：OK
发送：AT$GPSACP<cr><lf> //获取位置信息；返回：$GPSACP:084148,3111.80791N,12129.2586 8E,99.0,218.73,2,0.0,0.0,0.0,120207,07

其中，80791N,12129.25868E 分别显示的是北纬和东经的度数。084148是当前格林威治时间。

RFID数据的采集

RFID模块的信息采集的软件实现方法和GPS类似，即发送命令，返回相应信息。其数据包帧格式为：
起始位
节点地址
长度/状态
命令
Data 0
…
Data N
CRC MSB
CRC LSB

在实际应用中，可根据实际需要，通过键盘设置信息采集频率，特别是在货位的装卸过程中，也可通过按键产生中断，即时采集信息，满足系统对货物监控要求。

GPRS无线传输

在无线传输部分，GPRS网络基于IP技术，因此基于GPRS的无线传输系统需要利用TCP/IP协议完成GPRS业务数据的装帧和拆帧，以及保证数据在网络中的安全可靠传输。MCU与无线通信模块的通信遵循PPP协议，需要将IP数据报按照PPP的帧格式封装成PPP帧，然后通过串口传给GPRS模块。

系统要和外部网络建立连接，首先要附着于GPRS网，然后发起PDP（Packet Data Protocol分组数据协议）上下文激活过程。通过此过程，系统才能与GGSN（网关GPRS支持点）建立一条逻辑通路，跟外部网络建立连接，使数据以IP报的形式进行传送。在发送AT命令时，采用模块化操作，用一个子程序完成，程序利用程序空间换数据空间技术，以节约内存空间。

发送AT命令子程序，以ODH表示发送结束符。其主要代码如下：
SEND_AT:CLR ES
MOV R3,#00H
LOOP1:  MOV A,R6
MOVC A,@A+DPTR //DPTR 存放的是一条AT命令的ASCII码;
//用于初始化模块，及拨号连接到GPRS网络；
CJNE A,#0ODH,LOOP2
LOOP2:  MOV SBUF,A
         JNB TI,$
         CLR TI
         INC R3
         AJMP LOOP1
SEND:   MOV SBUF,A
         JNB TI,$
         CLR TI
         SETB ES
         RET

GPRS模块连接到远程监控中心后，通过GPRS通信链路完成信息的交互，监控中心服务器实现与车载终端的通信及数据分析、存储和管理。
　　
结语

本文以普遍使用的51单片机作为MCU，应用串口复用的方法设计出了一套物流运输货物管理系统。采用人机对话方式操作,无论在远程终端或运载工具上，都能实时地了解当前运载情况。这对于目前物流货物管理，特别是危险品的运输管理起到良好的改善作用。■

参考文献
1.  张予川.物流信息系统[M].北京：化工工业出版社.2005.06：14-15
2. 孙剑斌.基于RFID技术的物流管理系统[J].中国管理信息化.2006.Vol9，No.5：34-35
3.  Lawrence C Leung. A Framework for a logistics E-commerce Community Network：The Hong Kong Air Cargo Industry[J].IEEE Transaction on system. Man and Cybernetics-Part A :System and Humans,2000,30(4):446-445
4.  黄智伟.射频电路设计[M].北京电子工业出版社，2006：111-142
5.  林海、刘成良、 苗玉彬等.实现GPRS数据传输新方法的研究[J].工业控制计算机.2006.01：1-3