网上购物热潮兴起, 高校快递日益成为各物流企业的主要市场. 但随着校园快递业务量的迅速增长, 人工取件效率未得到相应的提升, 导致取件排队时间长, 取件拥挤等现象层出不穷.

传统快递取件模式通常使用纸质单据、条形码等方式, 工作人员须在有效的距离内将红外线对准条形码才能扫描成功, 条形码必须保持整洁, 且不能批量读取^[1], 货物出入库效率低. 同时, 依靠人工录入信息, 工作量大且效率低, 增加物流环节的人工成本. 在取件时, 还需核对身份证、电话号码、取货码等个人信息, 取件流程繁琐导致排队等候时间长, 用户体验感差. 并且驿站工作人员需每天对货物出入库信息进行统计, 对货物位置信息重新归类移动, 依靠现有的快递管理系统工作量巨大. 条形码在使用中, 受环境影响大, 易破损导致无法识别,而RFID标签抗损坏能力强. 另一方面, 条形码存储少量信息量, 只能标识一类物品, 不能携带物品的差异信息. 电子标签可以携带物品名称、姓名、地址等具体属性信息^[2,3].

目前, RFID技术主要应用于物流管理、数据采集、物体定位等场景^[4,5], 因此, 本文提出了一种基于RFID的快递管理系统, 利用RFID技术来实现自动化管理快递, 将 RFID标签贴在每个货物的包装, 在标签中写入货物的地址、姓名、电话等信息, 在驿站货架上设置固定式读写器, 获取货物位置等信息, 生成相应的二维码, 自动发送到用户手机, 用户可在出口闸机通道扫描快递上的 RFID标签及手机上的二维码, 进行匹配, 完成自主取货, 提高快递出入库效率.

作为嵌入式签收设备和上位机软件的连接方式, 通信工具的选择会影响到通信的高效性和稳定性. 在本系统中, 需在快递驿站的各个货架上放置RFID读写器, 对通信方式的灵活性和可扩展性有一定的要求. 有线通信一般是利用金属电缆、光纤等有形媒介进行信息传递^[6], 其灵活性受到一定的限制, 因此选择无线通信作为主要的信号传输方式. WiFi是现在使用最为广泛的无线通信技术, 成本较低, 缺点是易受其他信号的干扰, 造成信号传输质量的不稳定, 因此会影响数据的准确性. 蓝牙, 是一种短距离的低功耗的无线传输技术, 但信号易受干扰、传输距离较近等, 适用于个人网络, 不适合各读写模块之间的通信. Z-wave是一种基于射频的高可靠、低成本、用于短距离的通信技术, 但它的标准是并不完全开放^[7,8]. ZigBee技术是一种新的无线传感网络技术, 效率高、时延短、安全性高^[9], 通过多个节点之间相互连接、相互协调来实现通信. 与其他通信方式相比, ZigBee有一个显著的特点, 它具有强大的组网能力, 可以通过拓扑结构中的主节点来管理子节点, 从而延伸单个节点的传输范围.

1 快递管理系统组成

快递管理主要分为: 入库管理、库存管理、出库管理3个部分^[10], 系统结构图如图1所示. 在货架上安装固定式阅读器, 对各个区域的货物进行检测, 当货物到达驿站后, RFID标签进入读写器的扫描范围, 货物的信息都会被自动记录, 通过局域网将信息发送给数据库管理系统进行数据比对, 可以节省大量的时间, 并且记录的信息完整准确. 数据库管理系统的架构主要由SQL Server 2016和My SQL组成, 本部分主要负责处理快递信息, 核对用户, 实时更新快递信息.

快递取件系统示意图如图2所示, 本系统利用RFID标签代替条形码识别, 在RFID标签中写入货物的收件人姓名、快递单号、联系方式、地址等信息, 将RFID标签贴在每个货物的包装上. 当RFID标签进入读写器的扫描范围, 读写器进行自动编码形成货物唯一的识别号. 数据库管理系统将标签信息生成二维码, 发送到用户手机. 用户可根据位置信息和驿站内部结构示意图, 方便快捷地找到自己的快递. 货物出库时, 在驿站出口处的平台式读写器上扫描快递, 读写器读取标签信息, 发送至平台后端, 在显示屏上扫描二维码进行信息匹配, 平台后端将匹配信息发送至数据库存储. 同时, 带有标签的快递可实现防盗报警, 减少快递丢失现象的发生.

2 系统硬件设计

快递管理系统主要实现快递信息的采集、处理和传输功能, 系统总体硬件设计框图如图3所示, 主要由上位机系统、射频识别系统、闸机通道系统、ZigBee无线传输模块构成.

上位机系统主要由PC端和数据库管理系统组成, 对快递信息进行保存和更新. 射频识别系统包括RFID读写模块、MCU控制模块、电源模块, RFID读写模块负责数据的采集和传输. MCU控制模块作为系统的控制终端, 控制射频识别系统的数据采集, 电源模块为射频识别系统提供稳定的工作电压, 保证设备持续稳定地工作. 闸机通道系统主要由平台式RFID读写模块、MCU控制模块、电源模块、防盗模块、LCD显示模块组成, 平台式RFID读写模块对快递上的RFID标签进行标志位的清除, 以MCU控制模块的继电器模拟闸机通道的打开, 防盗模块可对未清除标志位的标签发出警报, LCD显示模块用于显示平台式RFID读写模块接收的快递信息, 便于用户进行确认. ZigBee系统包括协调器和终端节点, 终端节点将阅读器采集的信息经过ZigBee无线网络传输到协调器, 经过协调器处理后上传到上位机系统.

2.1 射频识别系统

射频识别系统包括RFID读写模块、MCU控制模块、电源模块, 其框图如图4所示.

2.1.1 MCU控制模块

MCU控制模块芯片采用基于Cortex-M4内核的STM32F407ZGT6处理器, 与Cortex-M3相比, 其内部集成了优化的单指令多数据指令、饱和算法指令、可选择的浮点运算单元和双循环乘法累计单元等^[11,12]. 该模块主要负责处理接收RFID读写模块的数据, 并通过串口送至ZigBee终端节点.

MCU外围电路主要包括复位电路、通信接口电路、JTAG调试接口电路.

2.1.2 RFID读写模块

基于快递的运输特性及快递数量的庞大, 在选取RFID标签时需要考虑标签读写距离、耐受工作环境、标签频段、标签类型等性能指标.

本系统的RFID读写模块选择了奥地利的专用UHF射频识别读写器集成芯片AS3992, 覆盖大部分UHF频段, 其接收灵敏度高达–86 dbm, 支持多通信协议^[13,14]. 读写器的主控制电路主要负责控制发送和接收数据, 处理MCU发送的数字信息, 通过射频信号利用天线发送给电子标签, 并将电子标签反射回来的射频信号经天线接收后进行混频、放大、滤波、数字化等处理后传输给MCU^[15], RFID读写模块主要通过GPIO口与MCU进行通信.

AS3992芯片可分为两部分: 射频模块和MCU接口模块. AS3992可通过8位并行线或4线串行和MCU连接通信, 接收来自MCU的指令并反馈对应信息.

2.2 电源模块

电源模块主要实现稳压即电压转换功能, MCU控制模块所用芯片STM32F407ZGT6的典型工作电压是3.3 V, 电路中的一部分元器件也需要3.3 V的工作电压, 通过低压差线性调整器AMS1117-3.3设计出BUCK降压电路, 电路图如图5所示.

2.3 闸机通道系统

闸机通道系统主要由平台式RFID读写模块、MCU控制模块、电源模块、防盗模块、LCD显示模块组成, 框图如图6所示. 用继电器模拟闸机通道, 用蜂鸣器模拟防盗模块. 取件成功, 继电器开, 表示闸机通道打开. 取件不成功, 蜂鸣器响, 表示防盗模块启动.

2.3.1 MCU控制模块

此处所用的MCU控制芯片与射频识别系统一致, 外围电路主要由报警器电路、继电器电路构成, 报警电路如图7所示.

2.3.2 液晶显示模块

LCD显示屏选择电容式触摸屏ATK-4.3’ TFTLCD^[16], 其分辨率为800×600, 采用NT555IO驱动. LCD采用使用16位并口与外部进行连接, 触摸屏采用IIC接口, 供电电源为3.3 V. 用户在闸机通道处扫描快递, 液晶显示屏能够显示快递数量、姓名等信息, 便于用户确认信息.

2.4 ZigBee无线传输模块

本部分主要实现读写器设备和上位机系统之间的通信. ZigBee传输模块是整个系统的核心模块, 采用CC2530芯片作为ZigBee的核心控制器^[17,18], 使用CH340电平装换芯片连接上位机软件, 再通过串口直接和射频识别系统连接. RFID读写模块采集的信息通过ZigBee终端节点传到协调器^[19,20], 按照ZigBee规范组建网络, 实现RFID数据传输. CC2530核心的电路图及其外围电路如图8所示.

3 系统软件设计 3.1 RFID读写模块软件设计

阅读器上电复位后, 模块初始化, 不断被发送到外界, 阅读器会一直检测是否有RFID标签在其读写范围内, 直到有RFID标签进入读写范围, 进入接收模式. 读取RFID标签发来的数据信息并检测碰撞情况, 若发生碰撞, 则调用防碰撞算法对其中一个标签进行读写. 信息读完后, 阅读器会发送确认接收信号标志位, 存储读到的标签信息, 并通过与 ZigBee 终端节点的通信上传到上位机. 程序流程图如图9所示.

3.2 闸机通道系统软件设计

在平台式读写器上放置带有RFID标签的货物, 用户扫描二维码, 只有当二维码中的信息与标签中的信息匹配, 读写器将RFID标签中的标志位清除, 同时闸机通道打开, 用户取件成功; 否则, 若未清除标志位的货物经过闸机通道, 防盗模块将启动报警信号, 程序流程图如图10所示.

4 实验结果分析 4.1 成功率测试

对安装在每一层货架上的读写器读写电子标签的能力分别进行测试, 共测试了60次, 测试结果如表1、表2所示.

测试结果表明, 射频识别系统读取和写入标签的能力存在差异, 读取标签的成功率更高, 平均写入速度为33 张/s, 平均读取速度为41 张/s. 随着距离的增大, 读取和写入数据的能力逐渐降低, 影响快递信息传递的准确性, 最佳距离在3.5米左右.

4.2 并发测试

上位机系统能支持多个终端设备, 当读写器的作用范围内存在多个标签, 并有两个或者以上的标签同时响应, 读写器将会产生冲突. 针对这种问题, 目前主要采用的解决方式为基于TMDA (Time Division Multiple Access)的树分叉算法, 该方法应用简单, 识别速度快, 平均识别一个标签约为8 ms, 可以实现大量标签的读取, 从而实现读写器可以与多个标签通信, 进行数据传输, 再经过ZigBee网络的多个节点, 传输到上位机系统. 系统分别对设备内不同数量的快递进行测试, 得到的测试结果如表3所示.

测试结果表明, 在进行并发测试时, 随着设备内快递数量的增加, 查询速度在减慢, 系统处理能力也呈下降趋势.

5 结语

利用RFID技术管理快递取件系统, 一方面, 不再使用暴露姓名、电话的纸质单据, 减少了用户个人信息的泄露, 另一方面, 入库自动化减少了物流环节的人工成本,提高快递入库效率; 出库自动化减少了用户排队等候的时间, 用户体验感增强, 并且快递系统的容错率提高.