基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)設計

周 艷 (武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)設計

周 艷 (武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

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

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備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、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，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結合起來而形成的一個巨大智能網(wǎng)絡，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”，還要做到能夠對物料進行識別、定位、追蹤和管理，而RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術就是能夠讓物體“開口說話”的技術[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，是物聯(lián)網(wǎng)中規(guī)模化識別技術的不二選擇。

作為新一輪的信息技術革命，物聯(lián)網(wǎng)成為國家經濟技術發(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。高校實驗教學是高等教育的一個重要組成部分，它的質量高低直接影響著教學質量與科研質量。高校要想擔當起新形勢下物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)，構建一個集成度高、開放性好、系統(tǒng)功能完善、先進的、模塊化的物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)迫在眉睫。下面，筆者結合現(xiàn)代物流技術的發(fā)展和工業(yè)工程專業(yè)特點，以RFID和物聯(lián)網(wǎng)為基礎，提出了基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)的實驗功能要求和設計方案

1.1系統(tǒng)的實驗功能要求

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

圖1 系統(tǒng)的設計方案

基于上述原因，筆者在原實驗室自動化倉儲系統(tǒng)的基礎上進行改進和完善，構建基于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上，開設更多的綜合性和設計性實驗。同時，開設物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)工程交叉領域的綜合性和設計性實驗。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的結合與應用，為學生創(chuàng)造了一個較先進的實物教學環(huán)境，使學生熟悉和掌握物聯(lián)網(wǎng)的構成、實現(xiàn)方法及實際應用，以提高教學效果。系統(tǒng)應實現(xiàn)的實驗功能如下：①RFID的應用；②數(shù)據(jù)庫連接及編程；③倉儲軟件的設計開發(fā)；④物流工程技術的綜合應用；⑤生產計劃與控制的綜合應用；⑥數(shù)據(jù)整合及分析；⑦數(shù)據(jù)庫維護及系統(tǒng)擴展接口。

1.2系統(tǒng)的設計方案

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)將RFID技術應用在自動化立體倉庫和揀選倉庫等設備中，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、分揀出庫等功能。綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)和RFID技術的特點，將該系統(tǒng)設計為包括感知層、控制層和應用層的3層體系機構。同時，充分考慮系統(tǒng)的開放性和可擴展性，使之可以和眾多設備和軟件進行系統(tǒng)集成，系統(tǒng)設計方案如圖1所示。

圖1中，感知層由射頻識別系統(tǒng)和無線網(wǎng)關節(jié)點組成，負責對物料的環(huán)境參數(shù)、品質特征等信息進行采集，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給控制層。系統(tǒng)的控制層由服務器和數(shù)據(jù)庫構成，是連接感知層和應用層的紐帶。從網(wǎng)關節(jié)點獲取的大量原始數(shù)據(jù)經處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中， 應用服務器根據(jù)實驗者的不同需求完成相應信息的適配，并根據(jù)實驗者的設置觸發(fā)相關的通知信息；同時完成控制指令的生成和下發(fā)。系統(tǒng)的應用層即為服務層，提供公共信息服務以及系統(tǒng)服務，包括手持終端和客戶端管理軟件等[3]。

2 系統(tǒng)的硬件設備

圖2 系統(tǒng)的控制結構

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簽，將托盤上的物料信息與電子標簽捆綁輸入數(shù)據(jù)庫。在立庫的入口處和出口處安裝識別系統(tǒng)，托盤上電子標簽所攜帶的相關信息被捕獲，并傳輸?shù)椒掌飨到y(tǒng)，由系統(tǒng)根據(jù)貨位信息安排入庫位置。當貼有標簽的目標通過設定的信號采集點時，標簽立即發(fā)射出具有代表身份特征的射頻信號，經系統(tǒng)接收、中間件處理并發(fā)送到服務器系統(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、分揀出庫等功能。系統(tǒng)的控制結構圖如圖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、控制用計算機和無線路由器等硬件設備組成。

2.1EPC射頻識別系統(tǒng)

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

1)電子標簽 電子標簽采用EPC編碼技術,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)計應用等。該系統(tǒng)主要在托盤上貼上電子標簽，將托盤上的物料信息與電子標簽綁定。電子標簽選用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/寫電子標簽上的信息，當電子標簽進入讀寫器的有效讀取范圍時，讀寫器的天線就會產生感應電流，使電子標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簽的載波信號，對接收的信號進行解調和解碼后送至計算機主機進行處理。該系統(tǒng)在倉庫出入線增加RFID讀寫器，進行設備安裝，通過無線通訊方式與系統(tǒng)PC機進行通訊。筆者選用VI-85D讀寫器，可根據(jù)需要在902～928MHz范圍內定制頻率。

3)計算機系統(tǒng) 計算機主要對讀寫器發(fā)送的信號進行處理。

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簽，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡發(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上播放相關信息[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、盤點調撥管理、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、存儲控制等部分進行開發(fā)?？紤]實驗需要，軟件平臺開放源代碼供學生進行二次開發(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)共享平臺的基礎上，利用校園網(wǎng)的智能“一卡通”進行身份的識別，該功能只需實驗室配置相應的設備即可。實驗室內通過安裝“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)庫進行身份驗證。無“一卡通”將無法進入實驗室，強行進入會進行報警。

3.2自動倉儲管理模塊

自動倉儲管理模塊可以實現(xiàn)基本信息設置、倉庫管理、出庫管理、入庫管理、移庫管理、動態(tài)盤點、質量管理、生產管理接口、查詢打印、統(tǒng)計分析等功能。其中生產管理接口設計了與生產環(huán)節(jié)的接口，支持生產出入庫，也可單獨附加一定的生產數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)“WMS+簡單加工”的業(yè)務模式。

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)中的訂貨單并轉換成揀貨單，并將需揀之內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實現(xiàn)揀貨資料的即時監(jiān)控、硬件自我檢測、標簽的對應維護、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 語

構建基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗系統(tǒng)，在擴展實驗內容的基礎上，還可以充分發(fā)掘實驗深度，開設RFID開發(fā)包的應用實驗、RFID讀寫通訊與人機界面程序開發(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計性和綜合性實驗。同時，該系統(tǒng)還能較好地滿足課程設計、創(chuàng)新設計和科研活動的需要，對培養(yǎng)從事工業(yè)工程領域的系統(tǒng)設計、分析及應用研究方面的高等工程技術人才具有重要作用。

[1]劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010，37(6):1-4,10.

[2]張捍東，朱林.物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術及物聯(lián)網(wǎng)的構建[J].計算機技術與發(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)設計[J].沈陽航空航天大學學報，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與研究工作。

[編輯] 洪云飛