基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)設計

陳雪萍,馬 歡,張鵬飛

(國網上海市電力公司,上海 200122)

0 引 言

近年來,物聯(lián)網快速發(fā)展,在現(xiàn)代化交通運輸、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需求,將智能倉庫管理系統(tǒng)運用到物流管理工作,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)還可以和供應商管理系統(tǒng)實現(xiàn)銜接,幫助供應商、廠家、顧客之間形成更加緊密的聯(lián)系,進而使倉庫的經營風險控制在一定范圍以內。

針對智能倉庫管理存在的問題,一些學者進行了研究。文獻[1]基于物聯(lián)網研究一種可視智慧倉庫體系,通過設計智慧倉庫構建智能物流體系,但服務器端仍處于非智能狀態(tài),不適用于智能倉庫設計。文獻[2]基于STM32設計智能貨物管理系統(tǒng),利用無線通信模塊和STM32單片機通訊,實現(xiàn)貨物的自動儲存和自動搬運,但此方法信息傳輸速度低、距離短,不適用于智能倉庫。文獻[3]提出一種基于NB-IoT技術設計的倉儲管理系統(tǒng),采用NB-IoT技術和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,導致傳輸中斷。

RFID物聯(lián)網技術可以做到實時儲貨、尋貨、盤貨,從而降低倉儲成本、適應網絡化環(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)網技術設計了一種新的智能倉庫系統(tǒng)。

1 基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)硬件設計

該文設計的基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)硬件運用了C/S技術架構,操作系統(tǒng)總體技術框架的主要構成有:技術底層、大數(shù)據管理層、消息交換層等,硬件包括智能倉庫庫房、數(shù)據庫、服務器、讀取器。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1 基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)硬件結構

觀察圖1可知,該系統(tǒng)主要以GPS技術、GSM、RFID技術為基礎進行信息交互。RFID技術則主要用來識別物流信號,并利用無線網絡直接輸送信息到后臺的管理系統(tǒng),對物流進行快速、準確的管理[3-4]。

1.1 智能倉庫庫房設計

該文基于RFID技術設計了智能倉庫庫房,包含了庫房區(qū)與檔案庫房。RFID技術是物聯(lián)網信息感知層中非常重要的技術。通過RFID系統(tǒng),可以將現(xiàn)有的網絡技術、數(shù)據庫技術、中間件技術,在沒有人工干預的情況下,實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。智能倉庫庫房結構如圖2所示。

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

圖2 智能倉庫庫房結構

1.2 數(shù)據庫

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

1.3 服務器

智能倉庫系統(tǒng)的工作組服務器采用S198型服務器,具備如下優(yōu)點:支持雙向CPU架構,網絡服務器中的ECC儲存器容量大,SM總線的管理能力強,功能管理性強,維修簡單。S198型工作組服務器采用IntelCPU以及Windows操作系統(tǒng),對于智能倉庫的信息處理以及數(shù)據共享等操作可以穩(wěn)定運行[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、天線端口數(shù)量多、穩(wěn)定性強,可長時間工作、操作簡單,工作人員只需簡單培訓即可熟練掌握[11-12]。

2 基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)軟件設計

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

圖3 系統(tǒng)軟件程序架構

2.1 商品入庫管理程序

當商品進入智能倉庫庫房時,商品入庫管理軟件將對商品進行標志,標簽中含有貨物編碼、批號等相關信息。RFID組件模塊包括電子標簽、天線、RFID讀寫器、中間件與人機交互界面。采用RFID讀寫器讀取標簽信息,并將商品信息傳輸?shù)街悄軅}庫庫房數(shù)據庫,由工作組服務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,其能夠根據所在地區(qū)、企業(yè)姓名、貨物類別、貨物種類、進入日期等對貨物檢索,在網絡上以平面圖的形式展現(xiàn)出來?？舍槍δ骋环秶纳唐蜂N售自動檢索,采用DSY-991信息對貨物信息進行檢索,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為商品盤點范圍。

根據檢索公式對產品的陳列與空間布置可直接展示,同時能對出入庫數(shù)據進行統(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,可通過商品名稱、貨物種類、去向、停留時間進行檢索[13-14]。

2.3 商品實物定位程序

商品實物定位程序主要通過實物名稱定位、實物卡號定位和實物類別定位三種定位方法實現(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,對貨物實施追蹤,如果其移動在規(guī)定區(qū)域以外,可進行報警,每一種貨位在商品管理系統(tǒng)中均具有一個獨立的編碼系統(tǒng),商品實物定位系統(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;o表示物資編碼[15]。

當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。當物資由叉車裝載或從某個位置轉移至另一位置時,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)據自行更新貨位,并自動更新貨位管理數(shù)據,無需人力管理[16]。

2.4 物資盤點程序

物資的盤點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。對倉庫管理系統(tǒng)中要求在盤點范圍內的商品實行分類統(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)。

根據統(tǒng)計公式明確盤點目標,工作人員可以利用RFID的手持裝置進入特定部位對商品實施盤點管理,利用RFID遠程傳感的功能,對高層商品進行自動識別和盤點管理,最終同倉儲管理系統(tǒng)相比較得出盤貨的結果[17]。

2.5 手動管理程序

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

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

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

(3)出入庫數(shù)據保護:技術人員可以使用手動裝置對出入庫托盤數(shù)據加以保護,將進入托盤與貨品種類、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、車載平板電視等設備。在進行入倉、出、移倉后對貨物、倉庫等進行了比對檢驗。同時通過對叉車的進行定位和指示裝置,控制系統(tǒng)將入、出、移儲的倉位、目標位置等顯示在畫面上,提醒叉車作業(yè)的人進行準確作業(yè)。通過判斷物品關聯(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)叉車實時定位控制系統(tǒng):通過在車載控制系統(tǒng)中設置定位卡,可以實現(xiàn)對叉車在工作時的實現(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行追蹤,以及鎖定貨位等。

(2)貨位引導:在入倉或尋貨時,由控制系統(tǒng)向汽車控制系統(tǒng)發(fā)出貨位目標,汽車控制系統(tǒng)依據倉儲地勢自動選取路徑,并進行引導。

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

3 實驗研究

為了驗證基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)的實際應用效果,設定實驗。選用某公司物資倉庫作為研究對象,實驗內存為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)網技術的智能倉庫管理系統(tǒng)對物資倉儲系統(tǒng)進行管理,管理過程如圖4所示。

圖4 物資倉儲系統(tǒng)管理過程

根據上述實驗管理過程,得到管理過程的信號調制方式,將引入文中管理系統(tǒng)前后的調制方式進行實驗對比,得到的結果如圖5所示。

圖5 RFID物聯(lián)網調制結果

根據圖5可知,該文提出的調制方式通過翻轉相位實現(xiàn)調制,利用RFID進行調制,能夠實現(xiàn)超高頻調制,因此相位反轉時間更短,同時也能夠更加精確地實現(xiàn)數(shù)據判斷,更加精確地完成調制。

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

為了驗證提出的管理系統(tǒng)的實際效果,選取基于物聯(lián)網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技術的倉儲管理系統(tǒng),在不同信噪比下的誤碼率實驗結果如圖6所示。

(a)該文設計的系統(tǒng)

根據圖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技術的倉儲管理系統(tǒng)的誤碼率則高于該文設計的系統(tǒng),說明該文設計的系統(tǒng)能夠有效降低誤碼率。

為了驗證該文設計的系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對商品定位的精準度,與基于物聯(lián)網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技術的倉儲管理系統(tǒng)進行對比,實驗結果如圖7所示。

圖7 不同方法的商品定位精準度實驗結果

從圖7可以看出,該文設計的系統(tǒng)對商品的定位精準度整體保持在75%以上,而基于物聯(lián)網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技術的倉儲管理系統(tǒng)的精準度均低于該文設計的系統(tǒng)。由此可以得出,該文設計的系統(tǒng)對商品能夠實現(xiàn)較好的定位。

在引入RFID物聯(lián)網后,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置任意帶寬,分析對比提出的系統(tǒng)與基于物聯(lián)網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技術的倉儲管理系統(tǒng),在20～500 kHz通信帶寬內部的反向鏈路頻率和容忍誤差,得到的實驗結果如表1～表4所示。

表1 設計的系統(tǒng)反向鏈路頻率和容忍誤差實驗結果

表2 基于物聯(lián)網的智慧倉庫反向鏈路頻率和容忍誤差實驗結果

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驗結果

表4 基于NB-IOT技術的倉儲管理系統(tǒng)反向鏈路頻率和容忍誤差實驗結果

根據表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)運行過程中容忍誤差在±2.5%以內。而基于物聯(lián)網的可視智慧倉庫體系的系統(tǒng)運行過程中,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)運行過程中,容忍誤差在-3.5%～+4.0%之間;基于NB-IOT技術的倉儲管理系統(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。

為進一步研究倉庫系統(tǒng)的實際應用能力,設定實驗,選用提出的倉庫系統(tǒng)和傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網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技術的倉儲管理系統(tǒng)進行實驗對比,分析管理過程的響應時間,實驗結果如表5所示。

表5 響應時間實驗結果

根據表5可知,基于RFID物聯(lián)網技術的智能倉庫系統(tǒng)的動態(tài)響應時間保持在5 ms左右,而基于物聯(lián)網的可視智慧倉庫體系的動態(tài)響應時間在10 ms～12 ms之間,基于STM32的智能貨物管理系統(tǒng)的動態(tài)響應時間在7 ms左右,基于NB-IOT技術的倉儲管理系統(tǒng)的動態(tài)響應時間則保持在8 ms左右。該文設計的系統(tǒng)的動態(tài)響應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)更適用于實際工作中。

4 結束語

基于RFID物聯(lián)網技術設計了一種智能倉庫系統(tǒng),硬件包括智能倉庫庫房、數(shù)據庫、服務器以及讀取器,完成對整個智能倉庫的數(shù)據存儲以及讀取。軟件部分設計了多個程序,通過程序同時運行確保整個智能倉庫系統(tǒng)正常運行。實驗表明,設計的智能倉庫系統(tǒng)功能結合緊密,保證了數(shù)據的無縫銜接,具有較高的使用價值。