基于射頻技術(shù)的隨船器材倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的研究

呂志彤，寧兆宇，皮湛恩

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442;2.海軍裝備部，北京 100841)

隨船器材倉儲管理是器材保障工作的終端和服務(wù)對象，隨船器材消耗采集是器材采購工作的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來源。目前隨船器材倉儲管理和消耗采集是器材保障信息化建設(shè)的瓶頸。

針對這一問題，我們遵循現(xiàn)有的隨船器材保障模式和組織管理體制，將最新成熟的射頻識別技術(shù)引入該領(lǐng)域，進(jìn)行了基于射頻技術(shù)的隨船器材倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的研究。

1 研究思路

充分調(diào)研隨船器材管理模式和艙室布局，采用射頻識別技術(shù)，定制隨船器材收發(fā)設(shè)備，部署隨船器材貨架標(biāo)簽，開發(fā)艙室主機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨船器材便攜式收發(fā)管理和方便快捷的消耗數(shù)據(jù)采集，達(dá)到精確化器材保障的目的。

2 體系結(jié)構(gòu)

1)業(yè)務(wù)部門應(yīng)用程序。完成設(shè)備操作權(quán)限控制和用戶權(quán)限控制等。

2)艙室主機(jī)管理系統(tǒng)。完成隨船器材收發(fā)開單打印，庫存數(shù)據(jù)查詢和消耗報表生成，實(shí)時監(jiān)控貨架標(biāo)簽以獲取最新的庫存、收發(fā)和消耗等功能。

3)貨架標(biāo)簽系統(tǒng)。系統(tǒng)首要工作是部署貨架標(biāo)簽，用來存儲該貨架擺放器材的相關(guān)數(shù)據(jù)。每種器材對應(yīng)1個標(biāo)簽，依次排列。

3 硬件配置

系統(tǒng)硬件設(shè)備由主機(jī)、管理設(shè)備、固定讀寫器、收發(fā)設(shè)備、貨架標(biāo)簽、數(shù)據(jù)標(biāo)簽等組成，如圖1所示。

1)主機(jī)。安裝系統(tǒng)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2)管理設(shè)備。管理設(shè)備集成讀寫模塊，用于設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)簽中的用戶操作權(quán)限。管理設(shè)備與主機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，可將讀取的數(shù)據(jù)寫入主機(jī)數(shù)據(jù)庫中。

3)固定讀寫器。每個艙室頂部安裝1臺固定讀寫器，與艙室主機(jī)通過多功能卡或網(wǎng)線連接。固定讀寫器監(jiān)控該艙室內(nèi)各個貨架標(biāo)簽，以無線方式采集貨架標(biāo)簽信息，實(shí)時傳輸?shù)脚撌抑鳈C(jī)處理，同步更新艙室管理數(shù)據(jù)庫。

4)收發(fā)設(shè)備。每個艙室配備1個手持收發(fā)設(shè)備。該設(shè)備具有標(biāo)簽讀寫功能，收發(fā)或盤點(diǎn)操作的同時更新貨架標(biāo)簽數(shù)據(jù)。并將收發(fā)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)標(biāo)簽。

5)貨架標(biāo)簽。艙室包含若干貨架，每個貨架粘貼一張標(biāo)簽，用來記錄該貨架器材的位置、庫存和最近1次收發(fā)信息。貨架標(biāo)簽采用紙質(zhì)標(biāo)簽，可彎曲裁剪，有膠一面可粘貼。貨架標(biāo)簽信息在每次收發(fā)操作后由收發(fā)設(shè)備刷新，并由固定讀寫器同步傳輸?shù)街鳈C(jī)數(shù)據(jù)庫中。貨架標(biāo)簽激活或失效等初始化功能由收發(fā)設(shè)備完成。

6)數(shù)據(jù)標(biāo)簽。該標(biāo)簽用作身份卡，用來規(guī)范系統(tǒng)各用戶的角色，明確其對各設(shè)備各專業(yè)數(shù)據(jù)的操作權(quán)限。收發(fā)設(shè)備和數(shù)據(jù)標(biāo)簽由管理員統(tǒng)一保管。收發(fā)時操作人員到管理員處領(lǐng)取收發(fā)設(shè)備和數(shù)據(jù)標(biāo)簽。此外，數(shù)據(jù)標(biāo)簽的一項(xiàng)重要功能是擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)媒介，數(shù)據(jù)標(biāo)簽交回時，可讀取該數(shù)據(jù)標(biāo)簽更新主機(jī)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件配置圖

4 工作流程

1)系統(tǒng)入庫流程，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)入庫流程圖

(1)激活收發(fā)設(shè)備。管理員使用收發(fā)設(shè)備掃描相應(yīng)權(quán)限的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，激活手持設(shè)備，同時賦予該操作員相應(yīng)的權(quán)限。

(2)輸入入庫信息。在主機(jī)系統(tǒng)中輸入入庫信息。包括時間、數(shù)量、貨位碼等。

(3)產(chǎn)生入庫單。打印入庫單，將該單據(jù)和收發(fā)設(shè)備發(fā)放給操作員。

(4)器材入庫。操作員對器材進(jìn)行點(diǎn)驗(yàn)，并放置在入庫單指定的貨架上。

(5)更新貨架標(biāo)簽。將收發(fā)設(shè)備設(shè)置在入庫操作狀態(tài)，讀取當(dāng)前貨架標(biāo)簽的庫存，根據(jù)入庫單重新計(jì)算出新的庫存并更新貨架標(biāo)簽。

(6)記錄操作日志。在收發(fā)設(shè)備上記錄操作日志，包括:操作時間、操作狀態(tài)、器材編碼、貨位碼、入庫數(shù)量、庫存數(shù)量等信息。

(7)關(guān)閉并歸還收發(fā)設(shè)備。

(8)更新貨架庫存信息。

艙室頂部的固定讀寫器實(shí)時將貨架標(biāo)簽上的新庫存寫入主機(jī)管理數(shù)據(jù)庫中。

2)器材出庫流程，如圖3所示。器材出庫操作是入庫操作的逆過程，包括出庫單生成、提取器材、更新標(biāo)簽以及確認(rèn)出庫等操作。其流程如下:①產(chǎn)生出庫單。使用主機(jī)管理系統(tǒng)，在庫存列表中選擇要出庫的器材及其數(shù)量，打印出庫單。②激活收發(fā)設(shè)備。管理員使用收發(fā)設(shè)備掃描相應(yīng)權(quán)限的身份卡，激活手持設(shè)備，設(shè)置在出庫操作狀態(tài)，發(fā)放給操作員。③器材出庫。在器材艙室，操作員根據(jù)出庫單，在指定的貨架上取下相應(yīng)的器材，在收發(fā)設(shè)備上確認(rèn)出庫。④更新貨架標(biāo)簽。操作員用收發(fā)設(shè)備讀取當(dāng)前貨架標(biāo)簽的庫存數(shù)據(jù)，并計(jì)算出新的庫存數(shù)據(jù)，將其寫入貨架標(biāo)簽。⑤記錄操作日志。在收發(fā)設(shè)備上生成操作日志。記錄出庫的時間、數(shù)量等。⑥關(guān)閉并將收發(fā)設(shè)備歸還。⑦更新貨架庫存信息。艙室頂部的固定讀寫器實(shí)時將貨架標(biāo)簽的變更讀入主機(jī)管理系統(tǒng)并更新數(shù)據(jù)庫，確認(rèn)器材已經(jīng)出庫。

圖3 系統(tǒng)出庫流程圖

3)庫存盤點(diǎn)流程。①使用收發(fā)設(shè)備進(jìn)行盤點(diǎn)。操作員持激活的收發(fā)設(shè)備進(jìn)入盤點(diǎn)艙室，以貨架為單位進(jìn)行盤點(diǎn)。將收發(fā)設(shè)備設(shè)置在盤點(diǎn)狀態(tài)，用該收發(fā)設(shè)備掃描貨架標(biāo)簽。當(dāng)掃描完所有標(biāo)簽，操作員在收發(fā)設(shè)備上對該艙室盤點(diǎn)操作進(jìn)行確認(rèn)，計(jì)算生成艙室盤點(diǎn)庫存數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)寫入貨架標(biāo)簽。同時收發(fā)設(shè)備將操作時間、狀態(tài)、貨位碼、標(biāo)簽編號、盤點(diǎn)庫存等信息保存在其操作日志中。②關(guān)閉并歸還收發(fā)設(shè)備。③主機(jī)盤點(diǎn)對比。管理主機(jī)控制固定讀寫器對貨架標(biāo)簽上的盤點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，將獲取的最新盤點(diǎn)數(shù)據(jù)與原有庫存數(shù)據(jù)相比較，產(chǎn)生庫存差額，做進(jìn)一步處理。

5 標(biāo)簽制作

主要內(nèi)容是根據(jù)射頻標(biāo)簽內(nèi)EEPROM芯片的存儲容量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)定制數(shù)據(jù)存儲格式。器材標(biāo)簽擬采用無源紙質(zhì)標(biāo)簽，常用容量是16 K，共有64個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊存儲量是4個字節(jié)。貨架標(biāo)簽每張記錄1種器材的信息，漢字可將其轉(zhuǎn)換為ASCII碼存儲。數(shù)字按每4位計(jì)量1個數(shù)值，每個字節(jié)記錄兩位數(shù)，最大值為99。存儲格式緊湊，可以節(jié)約大量存儲空間。

6 設(shè)備定制

手持設(shè)備由掌上電腦與讀寫控制模塊集成。讀寫標(biāo)簽方式為靠近讀寫，作用距離在10 cm內(nèi)，功耗低，對其它設(shè)備影響可忽略。掌上電腦與讀寫控制模塊均提供動態(tài)鏈接庫或串口通訊函數(shù)，可在其基礎(chǔ)上按照項(xiàng)目需求進(jìn)行編程。讀寫控制模塊采用2片AT89S52單片機(jī)。1片用于和射頻模塊通信，1片用于數(shù)據(jù)存儲顯示。單片機(jī)之間采用高速雙口RAMDS1609實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通信同步。數(shù)據(jù)存儲器采用FM1608，該存儲器是1種非易失性存儲器，即使在掉電的情況下也不會丟失所存儲的數(shù)據(jù)。手持設(shè)備采用SMG12864B液晶，該液晶的顯示容量為128×64點(diǎn)陣，不僅可顯示數(shù)字，還可顯示漢字和圖形。

手持設(shè)備定制要點(diǎn)介紹如下。

1)掌上電腦與讀寫器控制模塊的兼容。設(shè)計(jì)新模具，選擇適用配件，合理規(guī)劃空間，尤其是合理分配電源供給和數(shù)據(jù)傳輸，將各模塊配置在恰當(dāng)?shù)奈恢?。硬件組裝完成后，要進(jìn)行兼容性測試，保證各模塊互不影響，而且便于升級維修。編制數(shù)據(jù)讀寫程序，測試各模塊驅(qū)動程序和函數(shù)庫是否可用。

2)讀寫控制加校驗(yàn)確認(rèn)。讀寫控制使用循環(huán)冗余校驗(yàn)，將校驗(yàn)碼同數(shù)據(jù)一起寫入標(biāo)簽中，寫入后再立即讀出進(jìn)行校驗(yàn);每次讀取標(biāo)簽信息時都是先讀取校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)無誤后再將數(shù)據(jù)提交給用戶。雖然延長了操作時間，但是可以保證數(shù)據(jù)完整有效。

3)操作撤銷機(jī)制。手持設(shè)備所有操作記錄都存儲在設(shè)備中，可隨時察看。如發(fā)行操作失誤，可對誤操作的標(biāo)簽進(jìn)行撤銷操作，其記錄的庫存數(shù)量就會恢復(fù)到上次操作之前的狀態(tài)，手持設(shè)備中增加1條撤銷記錄，與先前的誤操作記錄相對應(yīng)。

7 開發(fā)環(huán)境

1)操作系統(tǒng)。主機(jī)采用Windows XP，手持設(shè)備采用Windows Mobile6。

2)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。主機(jī)采用SQL Server 2000，手持設(shè)備采用SQLlite。

3)開發(fā)工具。采用C#.Net 2008。

8 系統(tǒng)組成

主機(jī)管理系統(tǒng)主要由基本信息管理、收發(fā)和盤點(diǎn)、庫存查詢、器材申領(lǐng)與消耗登記、手持設(shè)備及標(biāo)簽管理、設(shè)備及標(biāo)簽檢測、庫存報警、用戶角色及權(quán)限管理等組成，如圖4所示。手持設(shè)備管理系統(tǒng)功能是該系統(tǒng)功能的子集。

圖4 主機(jī)管理系統(tǒng)的組成圖

1)基本信息管理。包括編碼維護(hù)、字典維護(hù)、日志維護(hù)和數(shù)據(jù)備份等功能。

2)收發(fā)和盤點(diǎn)。包括入庫操作、出庫操作、庫存盤點(diǎn)等功能。實(shí)現(xiàn)器材出入庫按照貨位碼管理，并打印入庫單和出庫單等。

(1)入庫操作。選擇入庫類型，填寫入庫器材的數(shù)量與單價，系統(tǒng)自動搜索已有或空閑的貨架產(chǎn)生入庫單和標(biāo)準(zhǔn)貨位碼。

(2)出庫操作。選擇器材類別及器材名稱和數(shù)量，系統(tǒng)自動搜索庫存器材信息，產(chǎn)生出庫單。出庫單上有指定貨位碼，指引出庫操作員進(jìn)行出庫操作。出庫有2種模式:1種是根據(jù)入庫時間早先出庫的原則產(chǎn)生出庫單;另1種是根據(jù)器材在貨架上比例小的先出庫的原則產(chǎn)生出庫單。

(3)庫存盤點(diǎn)。庫存盤點(diǎn)有2種模式:一是庫存清查模式。庫存盤點(diǎn)模塊與收發(fā)設(shè)備配合，對某艙室或某器材的庫存及存放位置進(jìn)行查詢比對，比對不一致則進(jìn)行處理修改。二是某項(xiàng)器材盤點(diǎn)查詢。選擇器材類別及名稱，查詢出該器材在艙室中的庫存情況及庫存總量。當(dāng)盤點(diǎn)出庫盈或庫虧時，可以通過此模塊對器材庫存微調(diào)。

3)庫存查詢?？刹樵兏髋撌覂?nèi)某器材存放位置和貨架空閑情況，實(shí)時查詢庫存數(shù)據(jù)生成各種報表。

4)器材申領(lǐng)與消耗登記。隨船器材損壞或損耗，或者維修時要求替換，可向支隊(duì)進(jìn)行器材申領(lǐng)，從庫存器材中選擇要申領(lǐng)的器材，填寫該器材現(xiàn)有數(shù)量、消耗數(shù)量和申領(lǐng)數(shù)量，生成申領(lǐng)單并打印。申領(lǐng)單可作為器材入庫的依據(jù)。器材申領(lǐng)所填報的消耗數(shù)量可作為1項(xiàng)器材消耗登記。系統(tǒng)可隨時生成各個時間段的器材消耗統(tǒng)計(jì)表上報。

5)手持設(shè)備及標(biāo)簽管理。手持設(shè)備的管理是通過數(shù)據(jù)標(biāo)簽間接完成的。對手持設(shè)備的管理分為兩個部分:一是對手持設(shè)備使用權(quán)限的管理;二是手持設(shè)備到主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)手持設(shè)備功能菜單劃分手持設(shè)備角色，該角色可寫入數(shù)據(jù)標(biāo)簽，使用該數(shù)據(jù)標(biāo)簽激活的手持設(shè)備具有相應(yīng)角色的權(quán)限。手持設(shè)備到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通過數(shù)據(jù)標(biāo)簽或數(shù)據(jù)線作媒介。標(biāo)簽的管理包括:建卡、激活或失效、查詢等功能。

6)設(shè)備及標(biāo)簽檢測模塊。該模塊用來對艙室固定讀寫器進(jìn)行控制，同時對貨架標(biāo)簽信息進(jìn)行更新。該模塊可以檢測各固定讀寫器的狀態(tài)，設(shè)置固定讀寫器定時數(shù)據(jù)更新的時間，以及進(jìn)行貨架標(biāo)簽器材信息的手動更新，手動更新可分艙室、分貨架和分標(biāo)簽更新。系統(tǒng)自動檢測艙室內(nèi)的所有固定讀寫器，檢測后的設(shè)備狀態(tài)將顯示在狀態(tài)欄中。最重要的功能是設(shè)定自動更新數(shù)據(jù)的時間，假設(shè)系統(tǒng)初始化為30 min，則讀寫器將每隔30 min掃描1遍貨架標(biāo)簽以更新數(shù)據(jù)庫。也可設(shè)置為手動控制，操作員操作讀寫器讀取標(biāo)簽信息更新數(shù)據(jù)庫。而且可以“關(guān)閉天線”來實(shí)現(xiàn)艙室固定讀寫器天線的關(guān)閉。

7)庫存報警。該模塊用來實(shí)時監(jiān)控器材庫存數(shù)量，當(dāng)庫存量低于該器材的最小安全庫存量時，系統(tǒng)會及時警示。

8)用戶角色及權(quán)限管理。根據(jù)系統(tǒng)菜單和數(shù)據(jù)專業(yè)項(xiàng)劃分用戶角色，為系統(tǒng)所有用戶分配角色，完成系統(tǒng)權(quán)限控制機(jī)制。

9 技術(shù)指標(biāo)

1)設(shè)備滿足隨船器材艙室環(huán)境要求，適應(yīng)高溫、低溫、高濕、高鹽、高震等環(huán)境。設(shè)備頻段選用工信部核準(zhǔn)的800～900 MHz中的某頻段;數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到115 kB/s;手持設(shè)備超低功耗，不高于0.25 mW(手機(jī)的發(fā)射功率是200 mW);讀寫距離不大于10 cm，讀寫時間不超過0.5 s，貨架標(biāo)簽可擦寫次數(shù)不少于百萬次。

2)手持設(shè)備具有工信部的型號核準(zhǔn)證和無委會的射頻設(shè)備認(rèn)可應(yīng)用證書和授權(quán)使用頻率的資質(zhì)證明。

3)設(shè)備各模塊兼容性好，服役周期長;系統(tǒng)軟件功能齊全、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠;各類單據(jù)遵循隨船器材管理相關(guān)規(guī)定和現(xiàn)有的工作模式，庫存報警及時準(zhǔn)確。

10 技術(shù)難題

1)設(shè)備抗金屬干擾。標(biāo)簽粘貼在貨架上，設(shè)備近距離直接讀寫，影響范圍很小，不存在金屬干擾的問題。

2)設(shè)備與原有設(shè)備電磁信號的相互干擾。系統(tǒng)設(shè)備功耗極低，讀寫距離在10 cm之內(nèi)，采用頻段避開船上使用頻段，它們之間的相互干擾可以忽略。

3)設(shè)備之間的相互干擾。艙室空間狹小，所部署的讀寫器和標(biāo)簽位置相近，而且采用同一頻段，相互之間的干擾影響讀寫效果，必須編寫防沖撞算法，在讀取數(shù)據(jù)時首先判斷標(biāo)簽的唯一標(biāo)識EPC。

11 工作難點(diǎn)

1)消耗精確采集和消耗規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析。消耗數(shù)據(jù)是器材采購的基礎(chǔ)，關(guān)系到經(jīng)費(fèi)的使用效率。隨船器材消耗最準(zhǔn)確的定義應(yīng)該是該器材已經(jīng)損壞損耗，不能修復(fù)，但這一判斷標(biāo)準(zhǔn)太嚴(yán)，實(shí)際無法執(zhí)行。此外采集到大量的消耗數(shù)據(jù)，對其規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析也是1個難題。

對策:將器材消耗定義為在向支隊(duì)申領(lǐng)器材時所填寫的消耗數(shù)量。隨著船舶維修技術(shù)提高，這一數(shù)據(jù)將逐步準(zhǔn)確。隨船器材消耗規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析擬在有大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立1個統(tǒng)計(jì)概率模型，目前只處于數(shù)據(jù)采集階段。

2)庫存數(shù)量的報警監(jiān)控。系統(tǒng)對隨船器材庫存數(shù)量實(shí)時監(jiān)控，是否補(bǔ)庫由人工判斷。安全庫存量的計(jì)算和隨船器材的消耗規(guī)律有關(guān)，系統(tǒng)自動計(jì)算安全庫存是1個難題。

對策:擬使用經(jīng)濟(jì)采購數(shù)量模型來確定最小安全庫存。最小安全庫存量可定義為:平均日消耗數(shù)量×安全庫存天數(shù)。平均日消耗數(shù)量可定義為:最近n天總消耗數(shù)量/n，總消耗數(shù)量可從消耗登記統(tǒng)計(jì)中自動得出;安全庫存天數(shù)可從該項(xiàng)器材從申領(lǐng)單打印到入庫單打印所花費(fèi)天數(shù)自動計(jì)算。

12 結(jié)束語

該系統(tǒng)研制成功，如果能夠在各船上推廣應(yīng)用，必能實(shí)現(xiàn)隨船器材倉儲精確化管理和隨船器材消耗的準(zhǔn)確采集統(tǒng)計(jì)。同時可輔助機(jī)關(guān)器材采購工作，降低冗余庫存，提高器材經(jīng)費(fèi)的使用效率。