計量庫房自動化管理系統的設計與實現

張芹, 應君裕, 沈誠, 章一萍

(1.國網湖北省電力公司 計量中心, 湖北 武漢 430080;2.湖北華中電力科技開發有限責任公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著電力公司信息化建設水平的不斷提高，通過自動化計量庫房的建設實現計量資產出入庫、資產盤點的自動調度，提升庫房資產管理人員的工作效率，實現計量資產的精細化管理甚至在庫計量資產的泛在互聯已經成為電力公司亟待解決的管理痛點[1]。目前大多數計量庫房的管理仍處于手動或半自動化管理狀態。在計量資產入庫過程中，由于數量龐大，完全依靠人工操作，耗費大量工作時間，并且長時間進行機械操作容易導致較大的故障概率[2-3]。即使一些計量庫房開始使用條形碼技術來識別計量資產信息，但是因為附在計量設備外表面的條形碼很容易磨損或被遮蓋，造成計量資產識別失敗。因此將物聯網射頻識別技術應用于計量庫房的管理成為電力公司計量資產主管部門的必然選擇。RFID標簽是嵌入標簽數據中的芯片，由于標簽表面的損壞，完全避免了識別困難[4]。即使在沒有光線的環境中，也可以成功讀取標簽的信息。同時，由于計量資產類型和型號眾多，電子標簽的信息存儲量大可以更好實現計量資產信息的詳細記錄，彌補了條形碼信息量較少的缺陷，更有利于貨物的監控，避免了計量庫房管理中不必要的麻煩[5]。因此，本研究設計和實現了一個基于物聯網的高效智能的計量庫房自動化管理系統。

1 關鍵技術

1.1 物聯網

IOT是物聯網的縮寫。從技術角度看，物聯網可以概括為：物理和虛擬對象的鏈接、對象識別、自主數據采集和感知、數據傳輸、網絡連接、聯盟服務和全球網絡基礎設施。物聯網的體系結構包括3個不同的層：感知層、網絡層和應用層，如圖1所示[6]。

圖1 IOT的三層架構

感知層由傳感器組成，可以對位置或環境進行監測。

網絡層是使用各種各樣的無線接入技術，為應用層和感知層之間提供數據傳輸功能。在網絡層中每個IOT設備都有一個IP地址，具備遠程連接的功能。

應用層是物聯網業務核心，是實現各種自動化管理業務或智能化控制系統的主要載體。

1.2 射頻識別

RFID技術是在物體上嵌入PFID標簽，通過RFID閱讀器獲取信息。RFID系統通常包括標簽、閱讀器和數據管理系統。RFID是一種利用無線電臺實現無物理連接的雙向交通的自動識別技術。利用射頻信號自動識別目標，同時獲取相關信號數據。整個RFID識別過程不需要人工干預，對工作環境的要求特別低，廣泛應用于沙漠、戈壁等無人區域。RFID技術被用來跟蹤運動中的物體或識別大量的物體。RFID不僅高效，而且準確可靠。短距離射頻產品也可以在環境特別惡劣或對人體健康有害時正常使用，所以已經成為條形碼的高效替代技術。例如，在化學灌裝線上跟蹤化學存儲容器，在ETC自動收費系統使用遠距離射頻技術在5米外完成車輛識別，區域車輛識別門禁系統也采用了遠程RFID技術。

2 系統設計

2.1 硬件設計

計量庫房自動化管理的主要功能是依靠超高頻RFID系統實現的。計量資料的自動化庫存管理主要取決于RFID標簽與讀寫器之間能否進行信息交換。如果讀寫器無法與標簽進行數據交互，無論如何庫管系統都無法正常工作。因此讀寫器成功地傳輸和接收RFID標簽存儲的數據是基于RFID解決方案的庫管系統正常工作的前提。

基于物聯網的計量庫房自動化管理原型系統的硬件設備考慮了實驗現場的實際環境。選擇功能模塊的精度，以及相關的標準和經濟因素，最終選擇的設備參數如下[7]。

標簽型號：IS014443TYPEA MF系列不干燥不干膠紙電子標簽;

感應頻率：14.0±0.5 MHz;

協議標準：IS014443TYFEA;

工作頻率：13.56 MHz;

通信速度：106 kits/s;

可擦次數：10萬次;

讀寫設備：四通道遠程讀寫；

寫入設備：JT900R;

支持協議:ISO14443TYPEA/B,ISO15693;

與計算機接口:RS232/485/TTL/USB;

工作溫度區間：-20至60 ℃。

2.2 軟件設計

系統采用B/S模型三層架構設計。通過將整個業務應用程序分為表示層、業務邏輯層和數據訪問層，實現系統模塊高內聚、低重合的要求[8-9]。軟件系統結果，如圖2所示。

圖2 軟件系統的結構

UI表示層(UI)是用戶使用系統時呈現在用戶面前的軟件界面。業務邏輯層(BLL)是一種特定的面向問題的操作，可以理解為獲取一個操作命令并處理業務。數據訪問層(DAL)提供完成數據添加、刪除、更改和檢查等工作的數據庫操作功能。

本設計中的三層體系結構實際上是在頂層表示層和底層數據訪問層之間添加一個中間業務邏輯層，后者處理業務邏輯和主要功能。所以，三層架構不能簡單地理解為傳統意義上的三臺機器，而是邏輯上的三層軟件架構，也許這三層功能運行在在同一臺計算機中。軟件用戶界面不與數據庫直接連接，而是以業務邏輯層為鏈接與數據庫進行間接交互。表示層位于頂層，直接面向用戶。軟件用戶界面位于能夠接收和實現系統數據的層上。業務邏輯層在三層體系結構中位于中間層，在上下兩層之間的信息傳遞過程中起著非常重要的作用。業務邏輯層具有低耦合結構。數據在層與層之間從上到下傳輸。因此，更改上層的代碼實現過程不會更改底層應用程序。此外本研究在實現軟件系統層次結構的過程中采用面向接口的開發模式，進一步降低了層之間的依賴性。因此，對于可擴展體系結構，業務邏輯層扮演兩個角色：是數據訪問層的指令發布方；是表示層的指令接收方。由此可見業務邏輯層的重要性不言而喻。數據訪問層，也稱為數據持久層，主要功能是操作數據庫中的數據。

2.3 數據庫設計

物流自動化管理系統總體E-R，如圖3所示。

圖3 系統E-R圖

2.4 RFID標簽防撞算法的比較與分析

常見的RFID標簽讀取防碰撞算法有基本二叉樹防撞算法、動態二叉樹防撞算法和后退二叉樹防撞算法[10-11]。三種算法的發送二進制請求代碼的總數量，如圖4所示。

圖4 三種算法的發送二進制請求代碼的總數量

從圖4可以看出，后向二叉樹防碰撞算法傳輸的二進制代碼總量明顯小于基本二叉樹防碰撞算法和動態二叉樹防碰撞算法。同時讀取20個RFID標簽時,基本二進制樹防碰撞算法需要發送請求244位代碼,動態二進制樹防碰撞算法需要發送請求代碼為2 304位,后向二進制樹防碰撞算法需要發送請求代碼為1 664位,不到一半的發送的請求代碼基本二進制樹防碰撞算法。當標簽數量長期持續增加時，三種算法的性能都有所下降，但與基本的二叉樹防碰撞算法和動態二叉樹防碰撞算法相比，后向二叉樹防碰撞算法的性能較慢，降低率較小。當標簽數量最大為100時，基本的二叉樹防碰撞算法需要發送51 200位的請求代碼，動態二叉樹防碰撞算法需要發送40 960位的請求碼，而后退二叉樹防碰撞算法只需要發送30 720位的請求碼。這充分證明了后向二叉樹防沖突算法在識別標簽時發送的請求數更少。

因此，與基本的二叉樹防碰撞算法和動態二叉樹防撞算法相比，后向二叉樹防撞算法能夠更快地識別所有標簽。當然，為了保證所有標簽都能準確識別標簽，后退二叉樹的抗碰撞算法也會有一定數量的冗余請求碼[12]。但是，發送的請求代碼數量仍然明顯少于基本的二叉樹防沖突算法和動態二叉樹防碰撞算法。此外，后向二叉樹防碰撞算法減少了傳輸請求的數量，也降低了碰撞比特大小的概率，在一定程度上減少了標簽的識別時間。

3 系統實現

3.1 主要業務流程

當計量資產被導入庫房所安裝RFID閱讀器，通過調用RFID標簽防碰撞算法所有附在計量資產上的RFID標簽信息都被識別出來。然后，通過信息采集和處理接口，將其發送到庫房管理模塊，庫房管理模塊根據標簽代碼對資產進行標識，并及時生成庫存清單。接下來，系統通過本地數據庫接口更新本地數據庫中的庫存表。倉儲模塊根據資產類別分配庫區和貨位。操作員收到指令掃描位置標簽，并將資產放置在正確的庫區和貨位。計量資產就位后，對資產的外包裝進行RFID標簽掃描，確認資產已存儲在正確貨位內。最后，系統生成了庫存摘要清單并更新數據庫。入庫業務流程圖，如圖5所示。

圖5 入庫業務流程

當系統收到出庫清單時，系統根據庫房中計量資產貨位的遠近來安排出庫順序。庫房操作員按指定順序依次到達指定地點，掃描位置標簽，再掃描計量資產RFID標簽，確認正確的資產。同時，將所選庫位庫存狀態轉換為空。當清單中的所有計量資產都安排好后，通過庫房出口處安裝的標簽閱讀器，調用后退標簽防碰撞算法對所有RFID標簽信息進行識別。此外，所識別的信息通過信息采集和處理接口發送到系統數據庫管理模塊，以獲取計量資產信息，自動生成資產清單并與出庫清單進行比較。如果不一致，系統會發出提示信息，提醒庫管員檢查；如果一致，則會順利出運，庫存數據庫會更新。

3.2 系統測試

系統功能黑盒測試的主要任務是檢查所有功能的正確性。測試的關鍵是根據特定的功能特征或設計用例直接測試這些功能。測試主要目的是通過檢查結果的正確性來判斷系統是否實現了相應的功能或業務規則。大多數功能測試都是由用戶直接通過系統UI進行的。提交輸入后，通過判斷輸出或分析結果來定義測試的最終成功或失敗。

系統中用戶登錄功能測試:用戶登錄輸入正確的用戶類型、用戶ID和密碼。只有用戶類型、用戶ID和密碼格式正確，且用戶類型、用戶ID和密碼匹配，用戶才能成功登錄應用系統,如表1所示。

用戶信息管理功能測試:測試顯示庫房操作員可以成功添加用戶信息，可以修改或刪除添加的用戶信息,如表2所示。

表1 系統登錄測試用例

表2 添加用戶功能測試用例

庫存計量資產信息管理功能測試:測試結果表明庫房管理員可以成功添加計量資產的詳細信息;如果數據輸入不合理，系統可以識別出來，并修改或刪除添加的信息,如表3所示。

表3 添加計量資產信息功能測試用例

計量資產倉管功能測試:主要測試庫管員能否使用RFID讀取設備同時準確識別各種計量資產的信息，并將其放入數據庫記錄表中,如表4所示。

表4 計量資產庫存管理功能測試用例

3.3 系統測試結果分析

通過對計量庫房自動化管理原型系統的測試，對測試結果進行如下分析。

從測試結果來看，該系統利用RFID技術實現了對批量計量資產的配送、倉儲和庫存的管理。由于檢測物品種類少、數量少、標簽信息的采集精度高，誤差很小。

通過詳細的測試用例，系統運行穩定，沒有出現錯誤或崩潰。該倉庫管理系統能夠滿足物流自動化管理的需要。

4 總結

本研究通過對物聯網技術在計量庫房自動化管理中的應用進行了深入的研究和分析，提出了基于物聯網的計量庫房自動化管理系統的設計。該系統以物聯網技術為基礎，以射頻識別技術為核心，實現了使用RFID標簽來識別計量資產、讀取資產信息并存儲計量資產信息的功能。文中對分析了電子標簽識別與碰撞的原因，研究了各種標簽的防碰撞算法，并為系統選擇了最合適的后向二叉樹防碰撞算法。最后，通過需求分析、系統設計和功能實現，闡述了基于物聯網的計量庫房自動化管理系統的具體實現過程。該軟件系統實現了智能化、網絡化和信息化的物流自動化管理。下一步，本研究將以計量庫房自動化管理系統為基礎，進一步探討在庫計量資產泛在互聯的實現方法。