基于RFID技术的物流单元电子标签系统的设计

　　物流单元是为了便于运输和仓储而建立的任何组合包装单元，它由托盘、周转箱和货物等3类实体组成。物流单元通常是分拣作业的产物，可以承载不同种类的货物，具有复杂性。

　　国内普遍采用的条形码技术在应用中存在许多缺点，以某配送企业的复核过程为例，由DPS得到的商品用周转箱作为容器，10个周转箱的货物将会对应一份长达3至12页的出货单，复核工作需要检查所有的周转箱，根据箱内货物条码核对出货单上的数据．核查无误的货物转入空周转箱，并在货物上粘贴标签表明此货物在出货单上的位置，以便于下游客户核查货物。在上述过程中，所有货物都经过一次转箱作业，这是不会产生商品增值的作业，是一种人力资源的浪费。而且，物流单元本身的标识无法反应所承载货物的信息，不能够满足现代物流对货物实行跟踪的要求。

　　在配送中心运作中，每天都要发生数以万计、百万计的交易，迫切需要利用现代信息技术进行精确、可靠及快速的采集和传送．在这种环境下研究基于RFID技术的物流单元电子标签的设计与实现具有重要的意义。

　　1 物流单元的数据结构

　　在物流单元的组成中，货物是贸易单元，是物流作业的对象。托盘和周转箱属于集装单元．周转箱用来对同类型的货物进行包装和组织，周转箱再摆入托盘，最终通过托盘实现对货物的装卸、运输、保管和配送等作业。其中，周转箱的应用不仅为下游客户的清点和查核工作提供了便利，也有助于保障货物在运输过程中的安全。

　　在上述物流单元中，货物与托盘之间没有直接的联系，而是通过周转箱建立关联．托盘、周转箱和货物之间的逻辑联系如图1所示。

图1 物流单元数据结构图

　　从图1可以看出，托盘与周转箱、周转箱与货物之间都是一对多的关系，而周转箱与周转箱、货物与货物之间没有明显的关联．这是一个具有层次关系的“树”型结构，那么，对于一个物流单元而言，托盘是“树”的“根”结点，货物是“叶子”结点。“树”型结构是一种典型的、非线性的数据结构，它可以方便地转换成XML文件，以用于配送企业与下游客户之间的电子数据交换。另外，利用“树”的遍历算法，工作人员或客户可以迅速地确定某件货物的具体位置；反之，某个周转箱里放了什么货物也一目了然．所以，这种“树”型结构非常适合用来组织物流单元实体的信息。

　　2 电子标签的存储空间

　　基本的RFID系统由读写器和电子标签组成，电子标签附着在货物或物流单元上，记录着与实体相关的数据，是信息的载体。所以，有必要对保存数据的存储空间进行研究。

　　图2为一张符合ISO15693标准的电子标签存储空间结构示意图。这是一个2Kbit容量的标签，它们被逻辑上划分为64个区块，每个区块有32个bit，即4个byte，可以保存4个ASCII字符，区块是电子标签存取操作的最小单位，每次读写操作都要指定目标区块号，而不是byte或者bit。每个区块配有一个厂商锁标记位和一个用户锁标记位，它们都是单向、不可逆的锁标记位，有某些特定的应用领域(比如需要将托盘和电子标签绑定时)，可以考虑使用这些锁标记位。另外，电子标签还有一个64bits的UID，这个数据用户不能修改，在一些只读的应用中，可以利用它为物品提供标识．合理地使用DSFID可以扩展电子标签的应用领域。

图2 电子标签存储空间结构示意图

　　在EPC标准中，供集装单元使用的编码方案称作SSCC，货物属于贸易单元，应用SGTIN将占用标签的3个区块，其96位版本由标头、滤值、分区、厂商识别码、序列代码等内个字段组成。SSCC 96和SGTIN一96的各字段解释如下，标头：固定值，SSCC-96的标头是“00110001”；SGTIN一96的标头是“O01 10000”，滤值：用来快速过滤基本物流类型，如SSCC一96中可以使用“001”表示托盘，用“002”表示周转箱。EPC没有对滤值定义相关的标准，但是合理地设计
使用滤值能够扩展编码的应用范围。

　　其他字段与本文无关，详细说明可参考文献。

　　SSCC一96有24位的未分配字段目前没有使用，与条形码技术不同，RFID是一种具有冲突消解和支持多标签识读的自动识别技术，在复核作业的过程中，RFID读写器将一次性读出所有货物、托盘和周转箱的标识，通过简单的位运算，就可以划分出标头字段，进而将货物和集装单元区别开。同理，通过对SSCC一96滤值字段的判断也能够区分托盘和周转箱这两种不同的集装单元，对于给定的一个物流单元，托盘是唯一的，周转箱可能有多个，上述编码结构和处理方法能够确定托盘与周转箱之间的联系，却无法明确周转箱里放了什么货物；为了构建完整的物流单元“树”型信息结构，还需要建立周转箱与货物之问的关联。

　　3 TOM (Tag Operation Model，标签操作模块)

　　本文所采用的SSCC和SGTIN都是96位的编码方案，96位的编码方案占用3个Blk的存储空间，而前述电子标签拥有64个Blk的用户数据空间，可以考虑利用其余的61个Blk保存货物的EPC代码，实现周转箱与货物之间的关联。

　　但是，这样做会影响电子标签的读写效率。这是因为，电子标签的读写时间与读写的Blk的数量成正比，在标签中查找某件货物的EPC代码时，需要读出标签中的所有数据，一次性读出64个B|k的信息大约需要5 S。而且，考虑到这64个Blk之中，可能有空数据块存在，这样的查找操作势必影响物流作业的效率，为解决此问题，借鉴磁盘操作系统(DOS)对文件管理的思想，本文提出了一种基于索引方式的电子标签操作模块ToM。在TOM 中，标签的第1个Blk被定义为索引块IB，用来维护整个用户数据区域的索引信息。从第2个Blk到第64个Blk的空间用来存储周转箱或货物的代码信息，3个连续Blk称为1个数据块组BG(图3)，每个BG存储一个96位EPC代码，2Kbit的电子标签有21个BG．其中第1个BG用来存放集装单元的EPC代码，其余BG存储货物代码，那么，每张标签最多可以记录20件货物的EPC信息。

图3 电子标签存储空间逻辑组织图

　　索引块共32 bit，这32个bit称作索引标记位IF，每个IF与一个BG对应，用逻辑“1”表示该BG存储有效数据，用逻辑“0”表示该BG未被使用或数据无效。这里规定IF的编号从低位向高位排列(图4)．编号为n的索引标记位与BG 的对应关系符合下式：
BG的起始地址，3n一1(1≤n≤21)；
BG的终止地址，3n+1(1≤n≤21)；

　　由于2Kbit的电子标签只有21个BG，所以在实际应用中，只会用到编号为1到编号为21的IF．编号为0的IF对应IB本身，置位逻辑“1”表示采用索引方式管理标签数据。

图4 索引块序号分配图

　　通过向电子标签中引入索引标记位，可以提高对电子标签数据管理的效率。比如，向标签中写入新的EPC代码时，首先查找IF为“0”的可用BG 号，然后转换成相应的标签地址，再向标签中写人数据并同时置IF为“1”。整个过程，虽然比直接向标签中写人数据多了查找IF位的步骤，但是通过这样的操作可以为货物的EPC代码分配相应的存储空间，确保数据可靠地写入。另外，在查找某件货物时，只需要比较IF为“1”的BG；删除操作则在查找操作的基础上，将对应的IF位置为“0”即可。

　　目前电子标签成本相对较高，可以采用电子标签与条形码技术相结合的过渡方案。货物仍采用EAN一13码标识，在装入周转箱的时候，将EAN-13代码转换成64 bit的电子代码，写入BG 的前2个Blk，由于条码技术是标识商品种类的，所以预留第3个Blk， 用来记录1个周转箱里同种类货物的件数。那么，一张2 Kbit的卡片里面最多可以保存20种货物，这比CPE的解决方案容量略大一些。

　　TOM和DOS的思想相似，二者都实现了高效的数据组织和管理操作．不同的是，TOM 是针对RFID应用的软件模块，它以EPC代码为对象，读、写的是bit级的数据；而DOS属于系统软件，它操作的对象是文件，文件以byte为单位。

　　4 结语

　　通过在标签数据中建立索引的方式，更合理地组织标签数据，结合符合国际标准的SSCC一96和SGTIN一96 EPC代码，较好地提高了连锁零售企业物流复核作业的工作效率．其中，TOM是实现数据管理核心所在，集装单元与电子标签的价值比在10：1以上，比较适合将集装单元与电子标签“绑定”，让二者具有共同的生命周期。这时，就可以将配送过程中需要的物流信息记录在托盘(物流单元)的标签里，使之成为可以改写的电子物流标签．这也对TOM 提出了更高的要求，是ToM 今后发展的方向。