物联网技术在自动化立体仓库的应用研究

黄学飞 李兆飞

(广州铁路职业技术学院机械与电子学院，广东 广州 510430)

0 引言

自动化立体仓库是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，并用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库[1]。由于它具有节约用地、减轻劳动强度、提高仓储自动化水平及管理水平、有效减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点，所以越来越受到人们的重视[2]。目前，对自动化立体仓库控制管理系统主要采用条形码技术、射频识别技术。采用条形码技术时，如果条形码污染了，数据就无法读取，且存储信息少，这些缺点不便于对自动化立体仓库进行信息管理。自动化立体仓库若只采用射频识别技术，而不与其他先进技术相结合，则不能组建更高效的自动化立体仓库远程网络通信系统。

针对以上各种现有技术存在的缺点，本文提出一种采用先进物联网技术[3]的自动化立体仓库监控管理系统。该系统采用RFID和GPRS技术相结合的物联网技术。试验表明：该系统能实现自动化立体仓库智能化，具有实时性强、可靠性高等特点，满足企业对自动化立体仓库管理的需要。

1 系统总体设计方案

1.1 系统的需求

基于物联网的自动化立体仓库监控管理系统以射频识别技术为基础，结合互联网技术，实现自动化立体仓库智能化。

系统需具有如下功能。

①自动实现产品入库和出库功能。

②自动实现立体仓库的盘点功能。

③自动实现库存信息的查询功能。

④自动分配货物货位功能。

⑤自动实现倒库功能。

⑥自动对立体仓库的信息管理功能。

1.2 系统的控制系统方案

根据系统的需求，基于物联网的自动化立体仓库监控管理系统采用三层结构，其中，第一层为设备层，主要实现系统的运行、数据的采集;第二层为现场管理层，这一层的硬件设备主要是现场管理计算机，通过开发的自动化立体仓库监控管理信息系统，监控车间运行情况和控制设备层;第三层为远程管理层，主要是远程监控系统的运行情况。设备层以射频识别技术作为主要传递信息的媒介[4－5]，给每个货品和货格位都贴上无源的电子标签，通过RFID读写器对货品自动识别，并将识别的信息传递给数据库管理服务器。现场管理层和远程管理层则可以通过数据库管理服务器管理整个系统的运行和控制。基于物联网的自动化立体仓库监控管理系统方案如图1所示。

图1 监控管理系统方案框图Fig.1 Strategic block diagram of the monitoring and management system

由于自动化立体仓库空间大，而对于无源的电子标签的识别距离则比较小，所以要布置好RFID读写器的位置。在本系统中，RFID读写器主要分布在出入库托盘输送机系统的出入口、堆垛机的伸缩叉以及手持读写器上。

1.2.1 作业流程分析

根据货品的流向，自动化立体仓库监控管理系统主要完成货品的入库、出库和库存盘点等任务。

(1)入库任务流程

①入库准备。对于入库的货品，首先仓库员给货品贴上电子标签，同时通过现场管理层将货品的信息上传给数据库管理服务器;然后把货品堆放在入库的托盘上，堆放时要求货品不要超高、超宽、超重;最后将托盘放入入库托盘输送机系统。

②货位分配。当托盘通过入库托盘输送机系统的入口RFID读写器时，RFID读写器将读取货品的信息，同时将信息通过GPRS模块发送到现场管理层，并通过现场管理层将信息传递给数据库管理服务器;然后在系统的控制下自动分配货位，并将分配好的货位信息传递给堆垛机。

③货品入库。堆垛机接受到货位信息后，则把托盘送入到仓库的货位中。当堆垛机到达指定货位层时，堆垛机上的伸缩叉上升到相应货位的高度，伸缩叉上的RFID读写器则读取货位信息，如果与指定的货位一致，则准备将托盘送入货位中。同时，伸缩叉上的传感器检查货位是否有货，如果没有，则把托盘送入到系统中;如果有，则给上一级系统发送系统有货物的信息并请求重新分配货位。

④入库结束。系统完成入库任务后，将完成的信息发送到现场管理层，并通过现场管理层将信息传递给数据库管理服务器;然后回到待命状态，等待下一个任务。

(2)出库任务流程

①出库准备。对于出库的货品，系统首先发出相应的货位出库的信息到堆垛机。

②货品出库。堆垛机运行到相应的货位后，伸缩叉上的RFID读写器则读取货位信息，如果与指定的货位一致，则准备将托盘取出。同时伸缩叉车上的传感器则检查货位是否有货，如果没有，则给上一级系统发送系统货位无货物的信息，并请求重新分配货位;如果货位上有货位，则把托盘取出并送到出库托盘输送机系统。

③出库结束。托盘通过安装在出库托盘输送机系统的RFID读写器时，RFID读写器将读取货品的信息并通过GPRS模块发送到现场管理层，通过现场管理层将信息传递给数据库管理服务器。对于托盘上的剩余物品，则进行重新入库处理。

(3)库存盘点任务流程

对于库存盘点，则通过运行堆垛机伸缩叉上的RFID读写每个货位上的物品的电子标签，并将读取的电子标签信息通过GPRS模块发送到数据库管理服务器中;最后通过管理系统进行统计和分析。

1.2.2 监控管理信息系统设计

现场管理层和管理层的主要功能是通过自动化立体仓库监控管理信息系统对信息进行深层处理和管理。

自动化立体仓库监控管理信息系统模块结构图如图2所示。

图2 管理信息系统功能模块图Fig.2 Functional module of the management information system

自动化立体仓库监控管理信息系统主要实现实时监控自动化立体仓库设备的运行状态、控制相应的设备、管理整个系统的运行和对采集的数据进行分析处理。此外，系统还实现了实时监控和报警、设备运行控制、参数配置、货位管理、操作管理、用户管理、数据分析、权限管理、数据管理等功能[6]。

由于Delphi是一种具有功能强大、简便易用和代码执行速度快等优点的可视化快速应用开发工具，所以选用Delphi作为自动化立体仓库监控管理信息系统的编程软件。由于SQL Server 2000具有使用方便、可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点[7]，同时所开发的系统涉及的数据量比较大，所以在开发的系统数据库采用SQL Server 2000。

2 系统硬件设计

基于物联网的自动化立体仓库监控管理系统主要包括堆垛机控制系统、地面操作台控制系统、RFID系统。

堆垛机控制系统主要负责运送货品到指定的货位，并进行入库/出库动作。SIMATIC S7-200系列PLC具有强大的功能，其无论在独立运行或相连成网络中都能实现复杂控制功能[8]，所以在堆垛机控制系统采用S7-200系列PLC作为主要控制核心。同时，S7-200系列PLC拥有专用于 S7-200系列PLC的GRPS无线数据通信模块MD720-3，方便数据进行无线传输，满足系统的控制需求。

为保证入库/出库动作的正确顺利进行，在堆垛机上安装了一系列的对射式光电传感器。对射式光电传感器主要用于测量货品有没有超高、超宽，以及感应货格位上是否有货品。系统采用对射式光电传感器FE 20 R-PSM4。

地面操作台控制系统主要是在现场控制堆垛机控制系统以及相关系统的运行。该系统由SIMATIC S7-200系列PLC、触摸屏组成。该系统主要是与堆垛机控制系统相互传递信息，一方面地面操作台控制系统将现场管理计算机发送来的指令传递给堆垛机控制系统;另一方面将接受到堆垛机控制系统的信息通过CAN总线上传给现场管理计算机。其中，与堆垛机控制系统相互传递信息的硬件采用GRPS无线数据通信模块MD720-3。

RFID系统主要是通过电子标签和RFID的阅读器进行数据采集，并将采集到的数据通过GRPS上传到现场管理计算机，现场管理计算机通过数据库访问技术将信息保存或获取相应的数据[9]。电子标签采用UHF-RFID无源远距离纸质标签AOSID-0836。该电子标签采用跳频工作模式，具有超强抗干扰能力;用户可自定义读写标准数据，识读距离可达10 m以上;1 024位内存容量，全球唯一64位ID号，超宽工作频段设计。RFID电子标签阅读器采用中兴通讯自主研发的、适用于室内环境的高性能无源UHF RFID电子标签阅读器ZXRIS 6600[9]。该电子标签阅读器接口丰富，提供FE、RS232、RS485和GPRS接口方式，组网灵活。与该电子标签阅读器连接的GPRS模块选择法国WAVECOM公司生产的Q2403。该模块符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，下载速度为5 316 kbit/s，上传速度为2 618 kbit/s。

通过自动化立体仓库监控管理信息系统的控制、管理、协调，使自动化立体仓库正常运行，满足企业的需求。实践应用表明，系统的处理信息的速度比传统方式提高了10倍以上，即由原来处理每笔业务需要花费2 s缩短至0.2 s，同时信息传输的可靠性、信息的网络化、智能化程度也有所提高。

3 结束语

基于物联网的自动化立体仓库监控管理系统将物联网的技术应用于自动化立体仓库，进一步提高了自动化立体仓库效率，方便管理人员对立体仓库的管理，很好地满足自动化立体仓库的需要。随着社会对自动化立体仓库的需求越来越大、要求越来越高，物联网技术在自动化立体仓库领域具有很好的应用前景。

[1]刘昌祺.自动化立体仓库设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]王征.自动化立体仓库控制技术应用研究[D].合肥：中国科学技术大学，2004.

[3]谢勇，王红卫.基于物联网的自动入库管理系统及其应用研究[J].物流技术，2007，26(4)：90 －93.

[4]肖雪耀，岳大军.基于RFID的仓储管理系统研究[J].赤峰学院学报：自然科学版，2010，26(1)：159 －160.

[5]陈惠群，李华雄.RFID技术在自动化立体仓库中的应用设计[J].河南科技大学学报：自然科学版，2010，31(3)：37 －40，109.

[6]黄学飞.中小型自动化立体仓库的智能管理控制系统研制[D].杭州：浙江大学，2007.

[7]黄学飞，陈子辰，梁艺忠，等.基于JSP的自动化立体仓库管理与控制系统[J].起重运输机械，2007(3)：36 －38.

[8]刘美俊.S7-200 PLC的网络通信及应用[J].机床电器，2006(5)：27－29.

[9]苏全.基于Q2400系列模块的无线数据传输设计[J].电子工程师，2005，31(6)：26 －28.