基于IOT和RFID收發(fā)分離技術的倉儲管理系統(tǒng)

陳 剛，王發(fā)珍

（湖北物資流通技術研究所，湖北 襄陽 441002）

0 引言

隨著經濟全球化的不斷深入，物流業(yè)得到迅猛發(fā)展，倉儲作為物流業(yè)的重要環(huán)節(jié)之一，對于經濟的發(fā)展發(fā)揮著至關重要的作用。針對傳統(tǒng)倉儲管理過程中存在的作業(yè)效率低下、管理成本高、管理水平落后等問題，相關學者們通過以下幾方面的研究來達到提高管理水平的目的：基于二維碼技術的倉儲管理系統(tǒng)研究，通過掃描貼在物料上的二維碼來實現(xiàn)物料出入庫、倉儲盤點等信息的自動錄入和上傳[1]；基于傳統(tǒng)RFID技術的倉儲管理系統(tǒng)研究，通過手持或固定讀寫器來實現(xiàn)物料出入庫、倉儲盤點等信息的自動采集和上傳[2]；倉儲管理機制優(yōu)化研究，通過更新倉儲管理理念、使用新技術、提高管理人員素質等手段來提高倉儲管理水平[3]。

本文從技術角度分析了當前常用的倉儲管理系統(tǒng)，采用二維碼技術和傳統(tǒng)RFID技術的倉儲管理系統(tǒng)對于提高倉儲管理的自動化、信息化水平確實有很大的促進作用，然而也存在一定的不足：基于二維碼技術的倉儲管理系統(tǒng)，分揀時需要將面單正對掃描機器，當面單污漬或破損時需要人工拆箱手工分揀錄入系統(tǒng)，人力投入大，效率低下；基于收發(fā)一體RFID 的倉儲管理系統(tǒng)存在著通信距離短，無定位組網(wǎng)功能的問題，在入庫、出庫、盤點等環(huán)節(jié)耗時較長、作業(yè)效率不夠高等問題。

在分析研究上述方法的基礎上，本文提出了基于IOT 和RFID 收發(fā)分離技術的倉儲管理系統(tǒng)，能準確、快速的采集到入庫、出庫的貨品信息，通過實時反饋，實現(xiàn)整個倉庫區(qū)域的可視化，并且全過程可追溯，提高了倉儲作業(yè)效率、降低了倉儲運營成本，提升了倉儲的自動化、信息化管理水平。

1 技術概述

1.1 IOT簡介

IOT 是物聯(lián)網(wǎng)的簡稱，是指通過信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，通過信息交換實現(xiàn)信息共享，包括對物品的物理特性和特定的信息進行識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、處理智能、傳送可靠等特點。IOT 分為三層結構：感知層、網(wǎng)絡層、應用層。

（1）感知層：主要由各種傳感器、采集器和傳感器網(wǎng)關組成，相當于人體的神經末梢，用于實時采集物體的動態(tài)信息。

（2）網(wǎng)絡層：由各種通信網(wǎng)絡組成，相當于人體的神經網(wǎng)絡，隨時隨地進行信息交換和通信。

（3）應用層：是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（政府、企事業(yè)單位或家庭個人）的接口，利用各種智能計算技術，對海量的感知數(shù)據(jù)和信息進行分析并處理，實現(xiàn)智能化的決策和控制。

IOT 可廣泛地應用于智能倉儲、智慧交通、智慧農業(yè)等場景。

1.2 RFID簡介

RFID 又稱“電子標簽識別”，是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲得相關數(shù)據(jù)，識別過程無需人工干預，作為條碼的無線版本，RFID技術具有條形碼所不具有的防水、防磁、耐高溫、壽命長、讀取距離遠、標簽數(shù)據(jù)可以加密、存儲容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。

傳統(tǒng)RFID 讀寫器的通信和激勵信號是收發(fā)一體的，收發(fā)一體帶來的問題是單個設備存在射頻干擾，因此要求信號強度不能太強，需要通過各種調解方式來降低干擾，這就導致它的識別距離比較短，通常就是5-10m。傳統(tǒng)RFID設備更多的使用場景是卡口式或人工操作方式，由于自發(fā)自收導致單個設備存在干擾，在多個設備同時工作時，還存在設備間的干擾；并且傳統(tǒng)RFID 設備都是采用單點識別的，這種識別沒有組網(wǎng)和定位能力。

1.3 RFID收發(fā)分離技術概述

RFID收發(fā)分離技術是以空間隔離的方式實現(xiàn)收發(fā)通道分離，在一定的空間內，RFID激勵器發(fā)出信號激勵RFID 標簽，接收器采集空間內RFID 標簽被激勵后發(fā)出的RFID 標簽信息，這種技術稱為RFID 收發(fā)分離技術。單個RFID 設備的收發(fā)分離通過空間隔離的方式，避免了單個設備發(fā)送與接收通道間的干擾，同時將上下行解耦技術、蜂窩網(wǎng)絡和頻分調度技術應用在RFID 管理上，解決RFID 激發(fā)器和接收器在整個網(wǎng)絡上的同步問題。通過空間隔離消除了單個設備射頻干擾，通過頻分調度避免了設備間的干擾，實現(xiàn)了區(qū)域連續(xù)覆蓋，就可以使RFID 設備自動去感應區(qū)域內所有RFID 標簽。設備間的干擾問題解決了，RFID 設備就可以組成網(wǎng)絡，通過連續(xù)組網(wǎng)，提供米級精確定位能力，如圖1所示。

圖1 RFID收發(fā)分離工作模式圖

1.4 RFID分離技術與傳統(tǒng)RFID技術的區(qū)別

RFID 分離技術具有區(qū)域無線連續(xù)覆蓋、自動感應、通信距離遠（可達100m）、無環(huán)境干擾、連續(xù)組網(wǎng)、精確定位等優(yōu)點。與傳統(tǒng)RFID技術性能比較，區(qū)別見表1。

表1 傳統(tǒng)RFID技術與RFID收發(fā)分離技術的性能比較

2 系統(tǒng)設計

基于IOT和分布式RFID網(wǎng)絡構建了智能倉儲基礎設施，倉儲管理的核心就是貨物數(shù)據(jù)的采集、加工、分析和展示。基于IOT 和RFID 收發(fā)分離技術的倉儲管理系統(tǒng)主要由設備層、RFID 中間層和應用層組成。

（1）設備層由激勵器和接收器構成，構建了RFID分布式網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，采集RFID 標簽信息和實時感知標簽位置。

（2）中間層提供IOT智能倉儲服務，實現(xiàn)RFID設備接入管理，標簽信息的采集、解析。基于RFID 設備的接入，構建數(shù)字孿生，包括倉庫數(shù)字化建模，RFID 網(wǎng)絡拓撲關系的管理。基于數(shù)字化建模，提高實時數(shù)據(jù)分析、離線數(shù)據(jù)分析的能力，將原始數(shù)據(jù)轉換為業(yè)務事件，通過流轉構建業(yè)務場景。對于倉儲而言，構建了資產的出入、盤點、定位等業(yè)務場景。基于IOT 智能倉儲服務可以有效降低頂層應用的開發(fā)難度。

（3）應用層用于倉儲管理，提供智能化的業(yè)務運營管理模式，還可用于智慧物流、智慧零售等。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案設計框圖

3 系統(tǒng)功能概述

基于IOT和RFID收發(fā)分離技術的倉儲管理系統(tǒng)采用分布式RFID 網(wǎng)絡實現(xiàn)區(qū)域的連續(xù)覆蓋，自動、批量、精確掃描RFID標簽，通過入庫、出庫通道分離的方式，實現(xiàn)入庫、出庫數(shù)據(jù)的自動采集，入出事件實時校驗，業(yè)務異常實時感知；通過連續(xù)組網(wǎng)實現(xiàn)區(qū)域連續(xù)網(wǎng)絡覆蓋，實現(xiàn)物理資產（人、車、貨物）米級精確定位，軌跡實時跟蹤，流轉信息可追溯；還可靈活制定盤點策略，實現(xiàn)自動盤點，自動完成區(qū)域標簽的批量識別等功能；同時WMS與ERP系統(tǒng)對接，同步貨物信息，實現(xiàn)倉儲的智能化管理。

倉儲業(yè)務包括入庫、出庫、盤點、分揀、貨位管理等。通過WMS結合第三方管理軟件，實現(xiàn)倉儲的智能化、精細化管理。

3.1 出入庫管理

（1）入庫、出庫方向判定。由于無線射頻呈發(fā)散狀，可抽象為扇形，在激勵信號覆蓋范圍內的RFID 標簽都會被激勵并與RFID接收器進行通信，標簽被識別和定位。根據(jù)兩點確定一條直線的原理，在入庫通道上倉庫門內外分別部署一個RFID激發(fā)器，當帶有RFID 標簽的貨物依次被門外及門內的RFID 激發(fā)器激勵并與接收器通信，即可判定貨物入庫；反之，可以判定貨物出庫。

（2）入庫、出庫作業(yè)。入庫作業(yè)：貨物入庫時，RFID 標簽被部署在倉庫門外、門內的識別器自動掃描、識別并上傳到IOT，部署在現(xiàn)場的業(yè)務看板上可實時顯示貨物的相關信息，通過管理軟件自動核對，確認貨物清單無誤后，WMS 系統(tǒng)自動為貨物分配位置，充分利用倉庫空間規(guī)范擺放，提高空間利用率。

出庫作業(yè)：由于WMS 和ERP 系統(tǒng)無縫對接，實物流與信息流同步，貨物出庫時，RFID標簽被部署在倉庫門內外的RFID識別器自動掃描、識別并上傳到IOT，WMS 系統(tǒng)自動進行出庫貨物信息的審核判定，并同步顯示在業(yè)務看板上，確保準確、高效地完成發(fā)貨任務，如圖3所示。

圖3 出入庫管理

（3）入庫、出庫訂單異常感知。在入庫、出庫的過程中，RFID設備自動掃描識別電子標簽，并上傳到RFID 中間件與倉儲管理系統(tǒng)進行對接，自動審核入庫、出庫的異常，替代了傳統(tǒng)出入庫過程中的人工掃描、審核等操作，出現(xiàn)業(yè)務異常時，業(yè)務看板實時顯示出來以提示現(xiàn)場的工作人員，實現(xiàn)業(yè)務快速閉環(huán)，提升工作效率。

3.2 定位管理

基于倉庫基礎設施和RFID部署情況，完成倉儲空間的數(shù)字化建模和RFID網(wǎng)絡拓撲關系建模，定義物理資產（人、車、貨），并將流轉事件關聯(lián)到實際物理資產，達到倉儲管理的智能化、可視化的目的。

分布式RFID網(wǎng)絡實現(xiàn)區(qū)域的連續(xù)覆蓋，提供實時定位、跟蹤能力，滿足精細化動態(tài)資產管理的訴求。例如：一車一碼，對叉車實時定位、運動軌跡跟蹤，叉車位置信息被實時采集，同時叉車運動軌跡可以實現(xiàn)路徑優(yōu)化，提升使用效率。一貨一碼，每個貨物上的RFID 電子標簽，通過識別器可實現(xiàn)精準定位，貨位顯示在管理軟件的貨位表界面上，尋找貨物位置時只需打開貨位表，非常方便；同時貨物在倉庫中流動時，流轉數(shù)據(jù)被自動采集，貨物數(shù)據(jù)全流程可追溯。一人一碼，刻畫出人物行為軌跡，減少人員違規(guī)操作，提升工作效率。

通過“一物一碼”實現(xiàn)每個步驟的作業(yè)流程都有碼可循，出現(xiàn)問題既可以正向追溯至商品的最終到達地，也可以反向追溯至各業(yè)務環(huán)節(jié)，達到嚴格管控的目的。如圖4所示

圖4 定位管理

3.3 分揀管理

傳統(tǒng)的分揀方式需要人工將貨物標簽對正掃描儀，當出現(xiàn)面單污濁或破損的情況，需要手工拆箱檢視核對貨物信息并錄入貨物信息，存在耗時長、人力投入大、效率低等問題。RFID 標簽具有抗污濁能力強、防水、防污染、穿透性強等優(yōu)點，在分揀過程中，RFID 標簽可以被全方位精確識別，不受面單污染等影響，有效提升了分揀成功率，同時全方位立體掃描，無需手動調整面單朝向，大大提高了分揀效率。

3.4 盤點管理

IOT智能倉儲服務構建了無人盤點模式，倉儲管理人員根據(jù)盤點任務的要求，在倉儲管理系統(tǒng)上配置盤點策略，該盤點策略可以靈活配置，支持實時、定時盤點；支持全盤、分區(qū)盤點；支持明盤、盲盤。倉儲管理系統(tǒng)自動識別定義的盤點策略，并拆分成對應的盤點命令，下發(fā)到現(xiàn)場部署的RFID 設備，這些設備就會把對應區(qū)域的盤點數(shù)據(jù)自動采集上來，這種方式能快速準確地進行盤點，在出現(xiàn)盤點差異時，可以輔助差異快速閉環(huán)，如圖5所示。

圖5 盤點管理

4 數(shù)據(jù)處理

IOT 數(shù)據(jù)具有價值密度小、數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)真實且時效性高、數(shù)據(jù)質量低等特點，在任何情況下都會產生數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量遠遠大于傳統(tǒng)業(yè)務的數(shù)據(jù)量。如果不進行數(shù)據(jù)處理，會面臨數(shù)據(jù)存儲成本高、數(shù)據(jù)質量低等問題，因此需要采取一些措施對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行處理。

4.1 數(shù)據(jù)分析

IOT 數(shù)據(jù)處理的關鍵是對時序數(shù)據(jù)進行分類處理，因其具備顯著的時序特征，按照時間維度上報、存儲、查詢數(shù)據(jù)。因此在做物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析時，要對時序數(shù)據(jù)做充分的考慮，最大限度地壓縮IOT設備產生巨量數(shù)據(jù)，滿足海量設備高并發(fā)，實時寫入的要求，同時還要滿足對時序數(shù)據(jù)的查詢。

如何判定數(shù)據(jù)的有效性是關鍵。首先從不同來源采集來的數(shù)據(jù)可利用多種數(shù)據(jù)庫存儲；其次進行數(shù)據(jù)預處理時，把采集來的數(shù)據(jù)導入到大型的分布式數(shù)據(jù)庫中，進行歸類統(tǒng)計；然后進行分析計算，挖掘有用的數(shù)據(jù)，清除重復的數(shù)據(jù)形成報表。通過數(shù)據(jù)清洗，提高IOT 數(shù)據(jù)實時性，數(shù)據(jù)分析簡化后提高了數(shù)據(jù)的質量。IOT數(shù)據(jù)中，還可能出現(xiàn)一些典型的問題，比如缺值、異常跳變、重復、格式差異、噪音干擾等，通過檢測消除異常數(shù)據(jù)和重復記錄等，高效的數(shù)據(jù)清洗改善了數(shù)據(jù)的質量。

另外還可通過分層存儲和資產模型，以分層的方式管理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)時效性分層處理，獲得綜合處理效率最大化；通過資產模型描述物理空間中的對象，打通物理時間與數(shù)字世界的關聯(lián)，基于物聯(lián)網(wǎng)資產模型，整合大數(shù)據(jù)分析領域的最佳實踐，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)據(jù)分析，為智能倉儲應用提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 RFID數(shù)據(jù)清洗

RFID 收發(fā)分離技術應用在倉儲管理中，能有效提高貨物信息采集速度和倉儲作業(yè)效率。與此同時，為了保證人、車、物在識別過程中不被遺漏，通過提高無線射頻信號的覆蓋范圍和強度以達到提高標簽識別準確率的目的，造成RFID 標簽在貨物出入庫、定位跟蹤、分揀、盤點等作業(yè)過程中被重復激勵，造成接收器接收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量冗余，占用了系統(tǒng)存儲資源以及網(wǎng)絡帶寬資源，增大時延，導致RFID中間件系統(tǒng)的運行效率大大降低，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力帶來了巨大壓力。

通過分析RFID信號特性及數(shù)據(jù)結構，明確RFID信號的傳播特性，建立RFID 數(shù)據(jù)模型，采用統(tǒng)計方法檢測數(shù)值型屬性，通過數(shù)據(jù)挖掘和冗余過濾算法，對冗余數(shù)據(jù)進行清洗，消除重復記錄，減輕了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的壓力。

5 結語

本文探討的基于IOT和RFID收發(fā)分離技術的倉儲管理系統(tǒng)，采用IOT技術架構，利用RFID收發(fā)分離技術、RFID 網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋、連續(xù)組網(wǎng)以及動態(tài)識別RFID 標簽等技術，實現(xiàn)貨物入庫出庫及庫存狀態(tài)自動判定、出入庫異常自動感知、自動分揀、在庫自動盤點、貨物信息實時更新、精確定位等功能，減少了人力投入，降低了倉儲管理成本，大大提升了倉儲的自動化、信息化、智能化及精細化管理水平。