基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)設(shè)計

周 艷 (武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)設(shè)計

周 艷 (武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

以RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)，對其實驗功能需求和設(shè)計方案進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)應(yīng)在完成原有驗證性實驗的基礎(chǔ)上，開設(shè)更多的綜合性和設(shè)計性實驗。同時，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)工程交叉領(lǐng)域的綜合性和設(shè)計性實驗。綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)設(shè)計為包括感知層、控制層和應(yīng)用層的3層體系機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，探討了系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件平臺。最后，提出了該實驗系統(tǒng)的教學(xué)實驗內(nèi)容，對培養(yǎng)從事工業(yè)工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計、分析及應(yīng)用研究方面的高等工程技術(shù)人才具有重要作用。

射頻識別(RFID)；物聯(lián)網(wǎng)；倉儲；實驗系統(tǒng)

“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of Things)是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置、條碼與二維碼設(shè)備、全球定位系統(tǒng)和其他基于物一物通信模式(M2M)的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大智能網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體互相間的連接和交互[1]。物聯(lián)網(wǎng)中不僅要做到“物物相連”，還要做到能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行識別、定位、追蹤和管理，而RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)就是能夠讓物體“開口說話”的技術(shù)[2]。由于其方便快捷，能夠快速存儲和讀取更多數(shù)據(jù)，安全性好以及實時動態(tài)通信等優(yōu)點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)中規(guī)模化識別技術(shù)的不二選擇。

作為新一輪的信息技術(shù)革命，物聯(lián)網(wǎng)成為國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略支柱之一。因此，作為物聯(lián)網(wǎng)根本要素的人才培養(yǎng)尤為重要。高校實驗教學(xué)是高等教育的一個重要組成部分，它的質(zhì)量高低直接影響著教學(xué)質(zhì)量與科研質(zhì)量。高校要想擔(dān)當(dāng)起新形勢下物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)，構(gòu)建一個集成度高、開放性好、系統(tǒng)功能完善、先進(jìn)的、模塊化的物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)迫在眉睫。下面，筆者結(jié)合現(xiàn)代物流技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)工程專業(yè)特點(diǎn)，以RFID和物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，提出了基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)的實驗功能要求和設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)的實驗功能要求

實驗室原有設(shè)備主要包括自動化倉儲設(shè)備、揀選倉庫和搬運(yùn)設(shè)備(搬運(yùn)機(jī)器人和AGV)等，可完成工業(yè)工程導(dǎo)論、物流工程、生產(chǎn)計劃與控制等工業(yè)工程專業(yè)課程的部分驗證性實驗，綜合性和設(shè)計性實驗幾乎沒有。近幾年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展迅猛，已成為物流技術(shù)和生產(chǎn)管理的研究熱點(diǎn)，目前關(guān)于該方面的實驗設(shè)備還沒有，更無法進(jìn)行該方面研究型實驗，不利于本科生畢業(yè)設(shè)計和研究生實驗環(huán)節(jié)的開展。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計方案

基于上述原因，筆者在原實驗室自動化倉儲系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，構(gòu)建基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)。在完成原有驗證性實驗的基礎(chǔ)上，開設(shè)更多的綜合性和設(shè)計性實驗。同時，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)工程交叉領(lǐng)域的綜合性和設(shè)計性實驗。通過模擬典型的物流配送過程，配合專業(yè)倉儲管理軟件，直觀地展示了現(xiàn)代工業(yè)控制中的各項基本技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用，為學(xué)生創(chuàng)造了一個較先進(jìn)的實物教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生熟悉和掌握物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成、實現(xiàn)方法及實際應(yīng)用，以提高教學(xué)效果。系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的實驗功能如下：①RFID的應(yīng)用；②數(shù)據(jù)庫連接及編程；③倉儲軟件的設(shè)計開發(fā)；④物流工程技術(shù)的綜合應(yīng)用；⑤生產(chǎn)計劃與控制的綜合應(yīng)用；⑥數(shù)據(jù)整合及分析；⑦數(shù)據(jù)庫維護(hù)及系統(tǒng)擴(kuò)展接口。

1.2系統(tǒng)的設(shè)計方案

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)將RFID技術(shù)應(yīng)用在自動化立體倉庫和揀選倉庫等設(shè)備中，用于物料的入庫、存儲、分揀以及出庫自動化識別管理，實現(xiàn)對物料的信息采集、入庫存儲、定期盤點(diǎn)、分揀出庫等功能。綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)的特點(diǎn)，將該系統(tǒng)設(shè)計為包括感知層、控制層和應(yīng)用層的3層體系機(jī)構(gòu)。同時，充分考慮系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性，使之可以和眾多設(shè)備和軟件進(jìn)行系統(tǒng)集成，系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1中，感知層由射頻識別系統(tǒng)和無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)對物料的環(huán)境參數(shù)、品質(zhì)特征等信息進(jìn)行采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制層。系統(tǒng)的控制層由服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，是連接感知層和應(yīng)用層的紐帶。從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取的大量原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中， 應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)實驗者的不同需求完成相應(yīng)信息的適配，并根據(jù)實驗者的設(shè)置觸發(fā)相關(guān)的通知信息；同時完成控制指令的生成和下發(fā)。系統(tǒng)的應(yīng)用層即為服務(wù)層，提供公共信息服務(wù)以及系統(tǒng)服務(wù)，包括手持終端和客戶端管理軟件等[3]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)備

圖2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)自動化倉儲中心流程，在每個托盤上固定安裝一張電子標(biāo)簽，將托盤上的物料信息與電子標(biāo)簽捆綁輸入數(shù)據(jù)庫。在立庫的入口處和出口處安裝識別系統(tǒng)，托盤上電子標(biāo)簽所攜帶的相關(guān)信息被捕獲，并傳輸?shù)椒?wù)器系統(tǒng)，由系統(tǒng)根據(jù)貨位信息安排入庫位置。當(dāng)貼有標(biāo)簽的目標(biāo)通過設(shè)定的信號采集點(diǎn)時，標(biāo)簽立即發(fā)射出具有代表身份特征的射頻信號，經(jīng)系統(tǒng)接收、中間件處理并發(fā)送到服務(wù)器系統(tǒng)，并發(fā)出一系列指令到客戶端，實現(xiàn)對物料的信息采集、入庫存儲、定期盤點(diǎn)、分揀出庫等功能。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)主要由安裝在配送中心流程各環(huán)節(jié)的EPC射頻識別系統(tǒng)、手持終端、耳機(jī)、控制用計算機(jī)和無線路由器等硬件設(shè)備組成。

2.1EPC射頻識別系統(tǒng)

EPC射頻識別系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽，讀寫器和計算機(jī)系統(tǒng)組成。EPC射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)EPC代碼的自動采集，經(jīng)由相應(yīng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)信息管理、信息流通等功能[3]。

1)電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽采用EPC編碼技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)中編碼要做到“一物一碼”， 不僅能實現(xiàn)對每一個物料的管理，而且還能實現(xiàn)對物料的實時追蹤，同時還具有物體的具體分類和屬性信息，實現(xiàn)分類查詢、統(tǒng)計應(yīng)用等。該系統(tǒng)主要在托盤上貼上電子標(biāo)簽，將托盤上的物料信息與電子標(biāo)簽綁定。電子標(biāo)簽選用VT-85，使用EPC Class1 Gen2協(xié)議，滿足系統(tǒng)的功能要求。

2)讀寫器 讀寫器主要用于讀/寫電子標(biāo)簽上的信息，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的有效讀取范圍時，讀寫器的天線就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使電子標(biāo)簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送出自身編碼等信息，讀寫器接收到來自電子標(biāo)簽的載波信號，對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送至計算機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理。該系統(tǒng)在倉庫出入線增加RFID讀寫器，進(jìn)行設(shè)備安裝，通過無線通訊方式與系統(tǒng)PC機(jī)進(jìn)行通訊。筆者選用VI-85D讀寫器，可根據(jù)需要在902～928MHz范圍內(nèi)定制頻率。

3)計算機(jī)系統(tǒng) 計算機(jī)主要對讀寫器發(fā)送的信號進(jìn)行處理。

2.2手持終端

手持終端具有無線連接、語音播放、RFID讀寫器等功能。物流配送過程中，手持終端上的RFID讀寫器能夠識別物料的電子標(biāo)簽，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送語音數(shù)據(jù)流給手持終端并在實驗者的頭戴式耳機(jī)上播放相關(guān)信息[4]。該系統(tǒng)采用VH-70手持終端，其操作系統(tǒng)為Windows CE 5.0 操作系統(tǒng)，微處理器為SAMNSUNG 400MHz CPU，滿足系統(tǒng)對手持終端的要求。

3 系統(tǒng)的軟件平臺

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)的軟件平臺為自主研發(fā)的倉庫管理信息系統(tǒng)(WMS)，主要控制流程各環(huán)節(jié)的動作，完成收貨入庫管理、盤點(diǎn)調(diào)撥管理、揀貨出庫管理以及整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表生成、報表管理。WMS系統(tǒng)重點(diǎn)對數(shù)據(jù)庫，RFID通訊以及倉儲邏輯控制、存儲控制等部分進(jìn)行開發(fā)?？紤]實驗需要，軟件平臺開放源代碼供學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)。WMS包含3個模塊：身份識別模塊、自動倉儲管理模塊和輔助揀選管理模塊。

3.1身份識別模塊

身份識別模塊是建立在校園網(wǎng)共享平臺的基礎(chǔ)上，利用校園網(wǎng)的智能“一卡通”進(jìn)行身份的識別，該功能只需實驗室配置相應(yīng)的設(shè)備即可。實驗室內(nèi)通過安裝“一卡通”讀卡器，感知身份信息，同時將身份信息發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行身份驗證。無“一卡通”將無法進(jìn)入實驗室，強(qiáng)行進(jìn)入會進(jìn)行報警。

3.2自動倉儲管理模塊

自動倉儲管理模塊可以實現(xiàn)基本信息設(shè)置、倉庫管理、出庫管理、入庫管理、移庫管理、動態(tài)盤點(diǎn)、質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理接口、查詢打印、統(tǒng)計分析等功能。其中生產(chǎn)管理接口設(shè)計了與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的接口，支持生產(chǎn)出入庫，也可單獨(dú)附加一定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)“WMS+簡單加工”的業(yè)務(wù)模式。

3.3輔助揀選管理模塊

輔助揀貨管理模塊可以載入客戶ERP或WMS系統(tǒng)中的訂貨單并轉(zhuǎn)換成揀貨單，并將需揀之內(nèi)容自動在貨架上顯示出來。在完成某訂單的揀貨工作后，電子輔助揀貨系統(tǒng)會將現(xiàn)場的揀貨信息送至客戶的ERP或WMS系統(tǒng)中。輔助揀選管理模塊包括摘取式分揀流程和播種式分揀流程。摘取式分揀流程能夠?qū)崿F(xiàn)揀貨資料的即時監(jiān)控、硬件自我檢測、標(biāo)簽的對應(yīng)維護(hù)、緊急插單、缺貨通知、查詢作業(yè)與報表作業(yè)等功能。播種式分揀流程在摘取式分揀流程的基礎(chǔ)上，增加了批次分割處理功能、缺貨處理功能和回收作業(yè)模式。

4 結(jié) 語

構(gòu)建基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)，在擴(kuò)展實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還可以充分發(fā)掘?qū)嶒炆疃?，開設(shè)RFID開發(fā)包的應(yīng)用實驗、RFID讀寫通訊與人機(jī)界面程序開發(fā)、物流跟蹤系統(tǒng)軟件開發(fā)、物流數(shù)據(jù)庫開發(fā)和信息數(shù)據(jù)采集與集中控制等設(shè)計性和綜合性實驗。同時，該系統(tǒng)還能較好地滿足課程設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計和科研活動的需要，對培養(yǎng)從事工業(yè)工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計、分析及應(yīng)用研究方面的高等工程技術(shù)人才具有重要作用。

[1]劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機(jī)科學(xué)，2010，37(6):1-4,10.

[2]張捍東，朱林.物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21(5):56-59.

[3]季德雨，田豐，王傳云.融合WSN和RFID的智能人庫管理系統(tǒng)設(shè)計[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2011，28(2):59-62.

[4]李章林，盧桂章，鞠浩，等.基于RFID的廣義物流中的移動智能終端設(shè)計[J].自動化與儀表，2007，22(1):1-4,9.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.040

TP273

A

1673-1409(2012)08-N121-03

2012-05-26

周艷(1983-)，女，2005年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事工業(yè)工程方面的實驗教學(xué)與研究工作。

[編輯] 洪云飛