基于物联网的智能仓储管理系统

-1-基于物联网的智能仓储管理系统物联网的概念于1999年由美国麻省理工学院提出，物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟特征和智能接口，并且可以与信息网络无缝整合。物联网将于媒体互联网、服务互联网和企业互联网一起，构成未来互联网。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，以有线或无线的方式把任何物品与互联网连接起来，以计算、存储等处理方式构成相应的静态与动态信息的知识网络，用以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是物物相连的网络。物联网中的“物”要满足一些条件才可以被纳入其范围：1.有相应信息的接收器；2.有数据传输通路；3.有一定的存储功能；4.有CPU；5.有操作系统;6.有专门的应用程序；7.有数据发送器；8.遵循物联网的通信协议；9.在世界网络有可识别的唯一编码。目前仓储管理一部分是人工管理，一部分实现了条形码管理，仅有少部分开始使用二维码或射频标签。条码系统与物联网RFID技术相比，存在识别速度慢、信息携带量小、尺寸大、易损毀等缺点。应用物联网RFID技术，能有效地解决仓库物资流动的信息管理问题。将物联网RFID标签贴在仓库内的托盘、包装箱或元件上。标签内包含元件规格、序列号等信息。当物资通过安装在预置地点的RFID识读器时，便可自动记录信息，无线局域网将数据传输到后台管理信息系统，指挥中心就掌握了实时的物资储存信息。在这个过程中不需要保管员使用手持条形码扫描器对仓储物资进行逐个扫描，这将大大加快物资的流动速度，且能减少操作失误，降低管理成本，提高仓库管理的工作效率。采用物联网技术将更加高效、准确地实现物资设备的仓储管理。将存储到仓库中的物资贴上RFID标签，能自动记录每件物资的入库、出库等操作，并且还能查询物资在仓库中的具体位置，同时能自动识-2-别进出仓库的车辆、人员等，并能根据权限存取对应的物资信息。利用信息可视化技术，实现实时显示仓库内各种物资的状况以及车辆、人员情况；同时各仓库的各类信息可通过网络相互连接，建立按组织层次、更大规模的分层仓储管理系统，并与其他物流应用管理系统相连，形成“大”的物流信息系统，供各级部门或相关人员查询、使用，形成层次化的仓储管理体系结构，各层之间可通过网络和信息系统接口实现互通、互连、互操作，这将大大提高仓储管理效率，对提高经济效益具有重大的意义。将物联网系统地、具体地用到仓储系统中，其核心内容包括系统编码体系、射频识别系统、系统网络结构及软、硬件设计四部分，如图1所示，其管理流程如图2所示。图1仓储系统的关键技术由图2可以看出，出入库管理利用RFID实现物品的自动识别，通过网络建立各物品之间的关联，利用EPC(ElectornicProductCode,中文称为产品电子代码）实现物品的统一编码，并应用传感器及视频技术实现物品的实时状态监控，对物品存放环境及其工作状态进行监控，当环境状态(例如温度、湿度、光照、气体浓度、震动幅度等)超过规定值时，启动相应的报警措施。由于RFID必须通过读写器才能收集数据，在有些大型仓储管理系统中，部分物品分布不均匀，距离超过10Om后RFID无法识别，因此，可将无线传感器与RFID相结合建立覆盖整个存储范围的仓储管理系统。-3-图2仓储系统管理流程图一、系统编码体系编码是指给编码对象赋予一定的有规律、易于计算机识别和处理的符号，形成的代码元素组合。其目的是用规定的字符来代表复杂的概念，便于査询、统计分析和汇总。在制定编码规则时应遵循以下基本原则：（1）唯一性。每一个编码对象仅有一个代码，而一个代码只唯一表示一个编码对象。（2）合理性。代码结构与分类体系相对应，定义合理。（3）可扩充性。每一类编码设计等长，应留有适当的后备编码容量用于扩充。（4）简明性。结构尽量简单，长度尽量短，以节省存储空问和减少代码的差错率。（5）规范性。在一个编码体系中，代码的类型、结构及代码的编写格式应当统一。（6）系统性。将选定的事物、概念的属性或特征按一定的排列顺序予以系统化，并形成一个合理的编码体系。仓储中的实体是操作和管理的最终对象，根据物联网应用系统化的步骤，首先确定仓储系统的实体，然后将所有仓储实体进行信息抽-4-象。一般将仓储实体划分为五类：物资类、设备类、设施类、人员类和环境类。基于物联网的仓储系统需要，根据各类实体管理要求，对存储的实体进行相关操作，所以，要提取实体的基本属性满足监控的基本要求。各类实体的属性分析如表1所示。表1各类实体属性分析属性内容物资类用来描述仓储系统中多个单件组合而成的一个存储单元(如包装盒、包装箱等)或单个装设备的属性,包括物资编码、形态(固、液、气、颗粒等)、数量、规格、物资材质、包装要求、搬运方式、存放方式、人库时间、存放时间、环境要求(温度、湿度、光照、电、气体密度等)、存放位置、安全级别、保密级别等设备类用来描述识别各存储单元的设备(如RFID识读器、传感器、叉车等)的属性，包括设备编码、入库时间、购买时间、使用年限、已使用年限、设备材质、制造厂商、规格、设备类别、使用状态(使用或停止状态)、维护历史、存放位置等设施类用来描述大型设施的属性(如货架等)，包括设施编码、购买时间、使用年限、已使用年限、数量、设施材质、制造厂商、可移动性、服务货类、容量、已使用容量、区域位置、使用状态(使用或停止状态)、维护历史等人员类用来描述管理仓库的人员属性，包括姓名、性别、年龄、联系方式、职称、部门、在职时间、历史任务、工作状态等环境类用来描述存储对象的环境信息，包括温度、湿度、光照、电、气体密度、震动幅度等上述实体属性仅根据通用仓储系统设定，在具体实现时应根据具体应用进行具体分析，给出相应的内容。这些抽象出来的实体属性有固定静态信息，也有系统运行过程中形成的动态实时信息。固定静态信息一般在系统创建阶段或者更新阶段直接写入数据库，不修改，只能读取；动态实时信息需要由信息设备按相应的存取协议进行实时采集，并在数据库中进行更新。实体信息存放于数据库中，为其上层不同的功能需求提供信息支持。上层系统利用信息支持对数据库中的实体进行操作，具体的操作如表2所示。-5-表2上层系统对仓库中的实体操作上述的操作中标识是对实体进行编码，并贴上标签；读写是对实体进行信息写入或读取，限定活动范围或功能(用于任务指派)；追踪是利用设备对实体进行定位和路径査询；环境类实体操作是通过设备类实体的活动来监测并改变环境信息。在仓储系统运行时，实体的属性和操作信息在数据库中不断地读出和写入更新，数据库读取频率最高，因此信息的存储和采集是构建仓储系统的重要环节。在电子标签信息编码中，国际装设备编码协会EPCg1oba1标准中常用的96位EPC编码。EPC码是由一个版本号(标头)加上另外三段数据(依次为域名管理者、物品对象分类、序列号)组成的一组数字。其中版本号标识EPC的版本号，使得EPC随后的码段可以有不同的长度；域名管理是描述与EPC相关的生产厂商的信息；对象分类记录产品精确类型的信息；序列号则是物品的唯一标识，如表3所示。表3通用标识符应用EPC技术可提高出入库物品信息采集效率和准确性。在仓储信息管理中，每物品都有许多要标识的信息，如编号、名称、型号、出厂日期、寿命等，可自动进行信息集，采集速度快，出错率低。EPC系统可直接与内部专用网连接，由射频识读器(或无线传感器)获取的信息也可直接在内部专用网上传输，可确保物资在仓储管理过程中具有准确的信息流，方便地对物资信息进行管理和査询，并且可以和供应链上其他操作类别操作内容物资类标识、读写、追踪、移动设备类标识、读写、追踪、启动关闭设施类标识、读写、启动关闭人员类标识、读写、追踪环境类检测(依靠设备实现)、调控版本号字段域名管理对象分类序列号8位28位24位36位-6-环节进行有的衔接和信息共享。二、射频识别系统射频识别系统(RFID)通过非接触读取数据完成系统基础数据的自动采集工作，已经成为信息处理所需原始数据快速而准确的有效采集工具。与当前广泛应用的条形码相比，RFID有着以下特点：（1）无方向性。读取时无需对准，只需在阅读器的范围内，利用无线电进行读取。（2）唯一性。识别码独一无二，无法仿造。（3）丰富性。电子标签能存储较多数据，存储能力可达几百字节，并可重复读写。（4）同时性。一次能读取数个至数千个标签识别码及数据。（5）坚固性。能全天候作业，不易污损或遭受破坏。利用RFID实现仓储实时信息管理的工作原理在于通过托盘、货架上安装电子标签，在标签中写入物品的具体资料、存放位置等信息，并使货架和托盘的标签信息一一对应，通过进出仓库阅读器实时掌握仓库内物品的存储情况，通过叉车或手持移动阅读器能在仓库中快速、准确地找到所需物品，其原理体系结构如图3所示。图3中，电子标签是射频识别系统的核心，是射频识别系统真正的数据载体。该标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，依据射频标签供电方式的不同，可以分为有源标签和无源标签。阅读器(读写器)用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线为标签和读写器提供射频信号空间传递的设备。读写器的天线可以内置也可以外置。在实际应用中，除了系统功率，天线尤其是标签天线的结构和环境因素将影响数据的发射和接收，从而影响系统的识别距离。-7-图3系统原理结构图仓储活动是一种针对不同对象的重复活动，对象包括物资、设备、设施和工作人员。由于实体属性会经常变动，因此，RFID标签应具有可读写性，在物资移动和静止时实现对信息快速、准确的存取，设备标签应选取被动式、无源电子标签，读写器采用手持和固定两种，均可用于设备的出入库和盘点。RFID系统要求能对识别物品的设备和搜寻物品的设施进行有效的标识、定位和状态检测。一般仓储设施设备上选用主动有源的高频标签，可定时主动收发数据，既可用于系统对设备的定位，又可实时采集作业装设备的数据；搬运装卸设备上安装车载读写器，工作人员可采用手持读写器。此外，还需要特定的传感器设备对环境和设备进行检测，以满足存储物资对环境的要求，并可实施安全监控。传感系统由多种传感设备组成，可将物理被测量转换成信号，传感器型号的选择需根据环境或存储物资的要求，选择能采集物理、生物和化学效应等相关被测量的传感器组成传感系统。普通仓库存储物资对环境(如温度、湿度、光照、电、气体密度、-8-震动幅度等)有共性要求，因此，在仓库应设置环境专用传感器，图4是一款环境专用传感器，电池供电，并具有无线通讯组网功能，同时集成湿度、温度、大气压检测等功能，使用ZigBee技术实现信号无线传输，主要应用在特殊的生产车间、密集仓库、图书馆等布线不方便的场合。对于特殊物资的要求或者特殊业务往往需要划定区域并设置集成更多功能的传感器，如重力、气压、气体密度、噪声传感器等。集成功能多的传感器较贵，不易固定使用，当货位改变或装设备需求改变时，可以移动传感器的位置，并根据裝设备的需求开启和关闭部分服务，提高传感器的利用率。l.入库检测当单件物资或人通过时，设置与物体体积适应的读写通道，物体通过时标签与天线尽量在同侧，在读写器天线最有效的范围内，这种方式的信息采集所需少量读写器天线就能满足要求，主要运用于装设备的分拣。如图5所示。当批量物资或者人员成群通过门禁时，要求对所有通过的装设备信息成功读取。通道设置一般较宽，通道中的读写器采用分体式，天线布局可以是多个方位，根据装设备的外形和一次性通过的数量，除了出入口，其他面(包括两侧、顶面和地面)均能布置读写设备天线。图4环境传感器图5单件物品检测当自动检测数据不正确、对特殊装设备进行操作时需使用手工检测的方式。工作人员采用便携式读写设备对指定的物资进行单个或批量的信息采集，所采集的信息既可通过无线传输的方式与计算机上的数据库实时同步，也可采集完后一次性导入数据库。如图