基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)設(shè)計

陳雪萍,馬 歡,張鵬飛

(國網(wǎng)上海市電力公司,上海 200122)

0 引 言

近年來,物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展,在現(xiàn)代化交通運(yùn)輸、物流管理、公眾健康、智能家庭等行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。對自動化、智能化等需求比較苛刻的倉庫管理場合,尤其是大型的立體倉庫管理系統(tǒng),對貨位精準(zhǔn)管理、迅速尋貨、迅速盤貨、物流情況即時監(jiān)測等要求較高,傳統(tǒng)的倉庫管理方法已無法適應(yīng)需求,將智能倉庫管理系統(tǒng)運(yùn)用到物流管理工作,可以極大地減輕工作業(yè)壓力,提高操作速度和管理水平,有效減少物流管理工作成本投資。同時,智能倉庫管理系統(tǒng)還可以和供應(yīng)商管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)銜接,幫助供應(yīng)商、廠家、顧客之間形成更加緊密的聯(lián)系,進(jìn)而使倉庫的經(jīng)營風(fēng)險控制在一定范圍以內(nèi)。

針對智能倉庫管理存在的問題,一些學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]基于物聯(lián)網(wǎng)研究一種可視智慧倉庫體系,通過設(shè)計智慧倉庫構(gòu)建智能物流體系,但服務(wù)器端仍處于非智能狀態(tài),不適用于智能倉庫設(shè)計。文獻(xiàn)[2]基于STM32設(shè)計智能貨物管理系統(tǒng),利用無線通信模塊和STM32單片機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)貨物的自動儲存和自動搬運(yùn),但此方法信息傳輸速度低、距離短,不適用于智能倉庫。文獻(xiàn)[3]提出一種基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計的倉儲管理系統(tǒng),采用NB-IoT技術(shù)和HTCPN方法提升倉儲管理效率,但此方法的成本較高,且傳輸過程易受外界因素影響,導(dǎo)致傳輸中斷。

RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以做到實(shí)時儲貨、尋貨、盤貨,從而降低倉儲成本、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下各企業(yè)對物流倉儲的要求。為此,該文采用RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種新的智能倉庫系統(tǒng)。

1 基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文設(shè)計的基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)硬件運(yùn)用了C/S技術(shù)架構(gòu),操作系統(tǒng)總體技術(shù)框架的主要構(gòu)成有:技術(shù)底層、大數(shù)據(jù)管理層、消息交換層等,硬件包括智能倉庫庫房、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、讀取器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

觀察圖1可知,該系統(tǒng)主要以GPS技術(shù)、GSM、RFID技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行信息交互。RFID技術(shù)則主要用來識別物流信號,并利用無線網(wǎng)絡(luò)直接輸送信息到后臺的管理系統(tǒng),對物流進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的管理[3-4]。

1.1 智能倉庫庫房設(shè)計

該文基于RFID技術(shù)設(shè)計了智能倉庫庫房,包含了庫房區(qū)與檔案庫房。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)信息感知層中非常重要的技術(shù)。通過RFID系統(tǒng),可以將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù),在沒有人工干預(yù)的情況下,實(shí)現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。智能倉庫庫房結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2可知,庫房區(qū)中含有多個儲存區(qū),并有一個對應(yīng)的檔案庫房,記錄對應(yīng)庫房區(qū)的基礎(chǔ)信息,對庫房區(qū)中存放的貨物加以定位,確定相應(yīng)區(qū)位信息。該文設(shè)計的基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)便在智能倉庫庫房中操作[5-6]。

圖2 智能倉庫庫房結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫采用SYT-17型數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫具有容量大、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn),其管理系統(tǒng)包括三種模式:對外展示、概念模型、內(nèi)部儲存[7-8]。對外展示為將不同應(yīng)用對應(yīng)的數(shù)據(jù)視圖表現(xiàn)為簡單的應(yīng)用界面;概念模型將數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)類型以模型的方式展現(xiàn)其邏輯構(gòu)造與特征;內(nèi)部儲存將智能倉庫庫房中的所有數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中。

1.3 服務(wù)器

智能倉庫系統(tǒng)的工作組服務(wù)器采用S198型服務(wù)器,具備如下優(yōu)點(diǎn):支持雙向CPU架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的ECC儲存器容量大,SM總線的管理能力強(qiáng),功能管理性強(qiáng),維修簡單。S198型工作組服務(wù)器采用IntelCPU以及Windows操作系統(tǒng),對于智能倉庫的信息處理以及數(shù)據(jù)共享等操作可以穩(wěn)定運(yùn)行[9-10]。

1.4 讀取器

讀取器采用YU810型接觸式讀取器,該讀取器為手動操控裝置,安裝了USB讀取裝置,頻率為低頻,其主要優(yōu)點(diǎn)為:滿足對物資讀取的頻率范圍、最大發(fā)射功率輻射不超標(biāo)、天線端口數(shù)量多、穩(wěn)定性強(qiáng),可長時間工作、操作簡單,工作人員只需簡單培訓(xùn)即可熟練掌握[11-12]。

2 基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由商品入庫管理程序、信息管理程序、商品實(shí)物定位程序、物資盤點(diǎn)程序、手動管理程序和車載控制程序組成,軟件程序架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件程序架構(gòu)

2.1 商品入庫管理程序

當(dāng)商品進(jìn)入智能倉庫庫房時,商品入庫管理軟件將對商品進(jìn)行標(biāo)志,標(biāo)簽中含有貨物編碼、批號等相關(guān)信息。RFID組件模塊包括電子標(biāo)簽、天線、RFID讀寫器、中間件與人機(jī)交互界面。采用RFID讀寫器讀取標(biāo)簽信息,并將商品信息傳輸?shù)街悄軅}庫庫房數(shù)據(jù)庫,由工作組服務(wù)器共享至車載控制程序。對于商品入庫的管理通過建立數(shù)學(xué)模型完成:

(1)

式中,i為商品入庫數(shù)量;A為商品集合;γ為RFID識別系數(shù)。商品入庫管理軟件可對商品的入庫位做出規(guī)定,并發(fā)送指令使其分配到指定位置。

2.2 信息管理程序

貨位信息更新到信息管理程序后,其能夠根據(jù)所在地區(qū)、企業(yè)姓名、貨物類別、貨物種類、進(jìn)入日期等對貨物檢索,在網(wǎng)絡(luò)上以平面圖的形式展現(xiàn)出來。可針對某一范圍的商品銷售自動檢索,采用DSY-991信息對貨物信息進(jìn)行檢索,其檢索原理有以下公式:

(2)

式中,V代表商品信息集合;j為物資區(qū)位信息;u為商品盤點(diǎn)范圍。

根據(jù)檢索公式對產(chǎn)品的陳列與空間布置可直接展示,同時能對出入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,包括商品名稱、貨物種類、出入庫時間、去向等數(shù)據(jù),可通過商品名稱、貨物種類、去向、停留時間進(jìn)行檢索[13-14]。

2.3 商品實(shí)物定位程序

商品實(shí)物定位程序主要通過實(shí)物名稱定位、實(shí)物卡號定位和實(shí)物類別定位三種定位方法實(shí)現(xiàn),通過搜索得到物流信息,將得到的信息呈現(xiàn)在倉庫圖上。當(dāng)貨物被移動后,利用對叉車系統(tǒng)的追蹤,就可以及時掌握貨物的移動位置,對貨物實(shí)施追蹤,如果其移動在規(guī)定區(qū)域以外,可進(jìn)行報警,每一種貨位在商品管理系統(tǒng)中均具有一個獨(dú)立的編碼系統(tǒng),商品實(shí)物定位系統(tǒng)通過以下公式完成定位:

(3)

式中,R表示物資定位信息;s與c表示物資坐標(biāo);o表示物資編碼[15]。

當(dāng)商品占用了某個貨位之后,利用商品位置可使該貨位和該商品綁定,可以完成對貨位的查看和管理工作。當(dāng)物資由叉車裝載或從某個位置轉(zhuǎn)移至另一位置時,按鍵會按照由平衡多重式叉車定位系統(tǒng)傳來的位置數(shù)據(jù)自行更新貨位,并自動更新貨位管理數(shù)據(jù),無需人力管理[16]。

2.4 物資盤點(diǎn)程序

物資的盤點(diǎn)工作分為倉庫管理系統(tǒng)中的統(tǒng)計分析和人工方式盤點(diǎn)。對倉庫管理系統(tǒng)中要求在盤點(diǎn)范圍內(nèi)的商品實(shí)行分類統(tǒng)計,由下列公式完成統(tǒng)計分析:

(4)

式中,x為倉庫物資數(shù)量;e為統(tǒng)計系數(shù)。

根據(jù)統(tǒng)計公式明確盤點(diǎn)目標(biāo),工作人員可以利用RFID的手持裝置進(jìn)入特定部位對商品實(shí)施盤點(diǎn)管理,利用RFID遠(yuǎn)程傳感的功能,對高層商品進(jìn)行自動識別和盤點(diǎn)管理,最終同倉儲管理系統(tǒng)相比較得出盤貨的結(jié)果[17]。

2.5 手動管理程序

手動管理程序控制所有手動機(jī)械設(shè)備,手動機(jī)械設(shè)備的主要功能為入倉尋貨、入倉查庫和出入庫數(shù)據(jù)保護(hù)。

(1)入倉尋貨:員工使用手動機(jī)械設(shè)備入倉尋貨,目標(biāo)貨品配備智能卡在接受到訊號時,發(fā)送聲光指令,指導(dǎo)尋貨員工迅速鎖定位置。

(2)入倉查庫:員工使用手動機(jī)械設(shè)備定期人工查庫,近距離讀出托盤數(shù)據(jù)信息卡信息,并與后臺系統(tǒng)比對,人工盤點(diǎn)管理的庫位商品種類、數(shù)量、生產(chǎn)日期等是否與后臺系統(tǒng)信息相符,若不相符,可在當(dāng)場對系統(tǒng)信息加以調(diào)整,并對智能信息卡加以調(diào)整。

(3)出入庫數(shù)據(jù)保護(hù):技術(shù)人員可以使用手動裝置對出入庫托盤數(shù)據(jù)加以保護(hù),將進(jìn)入托盤與貨品種類、總量等資訊載入信息系統(tǒng),出庫托盤與貨品種類、總量等資訊載入信息系統(tǒng)[18-19]。

2.6 車載控制程序

車載控制程序包含了車載讀卡器、車載定位卡、車載平板電視等設(shè)備。在進(jìn)行入倉、出、移倉后對貨物、倉庫等進(jìn)行了比對檢驗(yàn)。同時通過對叉車的進(jìn)行定位和指示裝置,控制系統(tǒng)將入、出、移儲的倉位、目標(biāo)位置等顯示在畫面上,提醒叉車作業(yè)的人進(jìn)行準(zhǔn)確作業(yè)。通過判斷物品關(guān)聯(lián)度P來完成取物判斷:

(5)

車載控制系統(tǒng)還可以提供的功能如下:

(1)叉車實(shí)時定位控制系統(tǒng):通過在車載控制系統(tǒng)中設(shè)置定位卡,可以實(shí)現(xiàn)對叉車在工作時的實(shí)現(xiàn)位置和追蹤功能,對叉車在入倉、移貨、出庫的整個過程中進(jìn)行追蹤,以及鎖定貨位等。

(2)貨位引導(dǎo):在入倉或?qū)へ洉r,由控制系統(tǒng)向汽車控制系統(tǒng)發(fā)出貨位目標(biāo),汽車控制系統(tǒng)依據(jù)倉儲地勢自動選取路徑,并進(jìn)行引導(dǎo)。

(3)取物判別:當(dāng)確定了所取物品的情況之后,叉車在取物前可使用RFID標(biāo)記自動判別,以防止取錯了物品[20]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果,設(shè)定實(shí)驗(yàn)。選用某公司物資倉庫作為研究對象,實(shí)驗(yàn)內(nèi)存為2G,選擇的開發(fā)平臺為JDK平臺,操作系統(tǒng)為Windows10。

選用RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫管理系統(tǒng)對物資倉儲系統(tǒng)進(jìn)行管理,管理過程如圖4所示。

圖4 物資倉儲系統(tǒng)管理過程

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)管理過程,得到管理過程的信號調(diào)制方式,將引入文中管理系統(tǒng)前后的調(diào)制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 RFID物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制結(jié)果

根據(jù)圖5可知,該文提出的調(diào)制方式通過翻轉(zhuǎn)相位實(shí)現(xiàn)調(diào)制,利用RFID進(jìn)行調(diào)制,能夠?qū)崿F(xiàn)超高頻調(diào)制,因此相位反轉(zhuǎn)時間更短,同時也能夠更加精確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)判斷,更加精確地完成調(diào)制。

智能倉庫在管理過程中容易受到噪聲干擾,在噪聲干擾下,倉庫的運(yùn)行狀態(tài)將會受到嚴(yán)重影響,信噪比不同,誤碼率也不同。

為了驗(yàn)證提出的管理系統(tǒng)的實(shí)際效果,選取基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系和基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)以及基于NB-IoT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng),在不同信噪比下的誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a)該文設(shè)計的系統(tǒng)

根據(jù)圖6可知,隨著迭代次數(shù)的增加,誤碼率在逐漸減小,雖然信噪比越高,誤碼率越高,但是該文設(shè)計的系統(tǒng)具有很好的降低誤碼率的能力,能夠確保誤碼率始終低于1.1%,確保管理效果。而基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系、基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)和基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)的誤碼率則高于該文設(shè)計的系統(tǒng),說明該文設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效降低誤碼率。

為了驗(yàn)證該文設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對商品定位的精準(zhǔn)度,與基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系、基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)和基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)進(jìn)行對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法的商品定位精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖7可以看出,該文設(shè)計的系統(tǒng)對商品的定位精準(zhǔn)度整體保持在75%以上,而基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系、基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)和基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)的精準(zhǔn)度均低于該文設(shè)計的系統(tǒng)。由此可以得出,該文設(shè)計的系統(tǒng)對商品能夠?qū)崿F(xiàn)較好的定位。

在引入RFID物聯(lián)網(wǎng)后,信息的傳輸速率得到快速提高,但是受到的噪聲帶寬更大,因此必須要提高管理靈敏度,提高信息識別效率,確保管理過程的存儲效果。

選用的某公司物資倉庫通信帶寬最低為20 kHz,最高為500 kHz,因此管理系統(tǒng)在管理過程中可以設(shè)置任意帶寬,分析對比提出的系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系、基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)和基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng),在20～500 kHz通信帶寬內(nèi)部的反向鏈路頻率和容忍誤差,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1～表4所示。

表1 設(shè)計的系統(tǒng)反向鏈路頻率和容忍誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧倉庫反向鏈路頻率和容忍誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)反向鏈路頻率和容忍誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)反向鏈路頻率和容忍誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1～表4可知,該文提出的倉庫系統(tǒng)通過改善靈敏度來減少誤碼率,確保系統(tǒng)運(yùn)行過程中容忍誤差在±2.5%以內(nèi)。而基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系的系統(tǒng)運(yùn)行過程中,容忍誤差在-4.5%～+3.5%之間;基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行過程中,容忍誤差在-3.5%～+4.0%之間;基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)的容忍誤差在-4.0%～+3.5%之間。由此可以得出,該文設(shè)計的系統(tǒng)能夠降低誤碼率,有效接收更多的外界信息。

為進(jìn)一步研究倉庫系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力,設(shè)定實(shí)驗(yàn),選用提出的倉庫系統(tǒng)和傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智能倉儲系統(tǒng)和基于STM32的智能倉儲系統(tǒng)以及基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,分析管理過程的響應(yīng)時間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 響應(yīng)時間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5可知,基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間保持在5 ms左右,而基于物聯(lián)網(wǎng)的可視智慧倉庫體系的動態(tài)響應(yīng)時間在10 ms～12 ms之間,基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間在7 ms左右,基于NB-IOT技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間則保持在8 ms左右。該文設(shè)計的系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間明顯少于其他三種系統(tǒng),最大縮短了6.14 ms。由此證明該系統(tǒng)更適用于實(shí)際工作中。

4 結(jié)束語

基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種智能倉庫系統(tǒng),硬件包括智能倉庫庫房、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器以及讀取器,完成對整個智能倉庫的數(shù)據(jù)存儲以及讀取。軟件部分設(shè)計了多個程序,通過程序同時運(yùn)行確保整個智能倉庫系統(tǒng)正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計的智能倉庫系統(tǒng)功能結(jié)合緊密,保證了數(shù)據(jù)的無縫銜接,具有較高的使用價值。