基于RFID物联网技术的智能仓库系统设计

陈雪萍,马 欢,张鹏飞

(国网上海市电力公司,上海 200122)

0 引 言

近年来,物联网快速发展,在现代化交通运输、物流管理、公众健康、智能家庭等行业中都得到了广泛的应用。对自动化、智能化等需求比较苛刻的仓库管理场合,尤其是大型的立体仓库管理系统,对货位精准管理、迅速寻货、迅速盘货、物流情况即时监测等要求较高,传统的仓库管理方法已无法适应需求,将智能仓库管理系统运用到物流管理工作,可以极大地减轻工作业压力,提高操作速度和管理水平,有效减少物流管理工作成本投资。同时,智能仓库管理系统还可以和供应商管理系统实现衔接,帮助供应商、厂家、顾客之间形成更加紧密的联系,进而使仓库的经营风险控制在一定范围以内。

针对智能仓库管理存在的问题,一些学者进行了研究。文献[1]基于物联网研究一种可视智慧仓库体系,通过设计智慧仓库构建智能物流体系,但服务器端仍处于非智能状态,不适用于智能仓库设计。文献[2]基于STM32设计智能货物管理系统,利用无线通信模块和STM32单片机通讯,实现货物的自动储存和自动搬运,但此方法信息传输速度低、距离短,不适用于智能仓库。文献[3]提出一种基于NB-IoT技术设计的仓储管理系统,采用NB-IoT技术和HTCPN方法提升仓储管理效率,但此方法的成本较高,且传输过程易受外界因素影响,导致传输中断。

RFID物联网技术可以做到实时储货、寻货、盘货,从而降低仓储成本、适应网络化环境下各企业对物流仓储的要求。为此,该文采用RFID物联网技术设计了一种新的智能仓库系统。

1 基于RFID物联网技术的智能仓库系统硬件设计

该文设计的基于RFID物联网技术的智能仓库系统硬件运用了C/S技术架构,操作系统总体技术框架的主要构成有:技术底层、大数据管理层、消息交换层等,硬件包括智能仓库库房、数据库、服务器、读取器。系统硬件结构如图1所示。

图1 基于RFID物联网技术的智能仓库系统硬件结构

观察图1可知,该系统主要以GPS技术、GSM、RFID技术为基础进行信息交互。RFID技术则主要用来识别物流信号,并利用无线网络直接输送信息到后台的管理系统,对物流进行快速、准确的管理[3-4]。

1.1 智能仓库库房设计

该文基于RFID技术设计了智能仓库库房,包含了库房区与档案库房。RFID技术是物联网信息感知层中非常重要的技术。通过RFID系统,可以将现有的网络技术、数据库技术、中间件技术,在没有人工干预的情况下,实现物品的自动识别和信息的互联与共享。智能仓库库房结构如图2所示。

根据图2可知,库房区中含有多个储存区,并有一个对应的档案库房,记录对应库房区的基础信息,对库房区中存放的货物加以定位,确定相应区位信息。该文设计的基于RFID物联网技术的智能仓库系统便在智能仓库库房中操作[5-6]。

图2 智能仓库库房结构

1.2 数据库

数据库采用SYT-17型数据库,该数据库具有容量大、运行速度快等优点,其管理系统包括三种模式:对外展示、概念模型、内部储存[7-8]。对外展示为将不同应用对应的数据视图表现为简单的应用界面;概念模型将数据库中的所有数据类型以模型的方式展现其逻辑构造与特征;内部储存将智能仓库库房中的所有数据储存到数据库中。

1.3 服务器

智能仓库系统的工作组服务器采用S198型服务器,具备如下优点:支持双向CPU架构,网络服务器中的ECC储存器容量大,SM总线的管理能力强,功能管理性强,维修简单。S198型工作组服务器采用IntelCPU以及Windows操作系统,对于智能仓库的信息处理以及数据共享等操作可以稳定运行[9-10]。

1.4 读取器

读取器采用YU810型接触式读取器,该读取器为手动操控装置,安装了USB读取装置,频率为低频,其主要优点为:满足对物资读取的频率范围、最大发射功率辐射不超标、天线端口数量多、稳定性强,可长时间工作、操作简单,工作人员只需简单培训即可熟练掌握[11-12]。

2 基于RFID物联网技术的智能仓库系统软件设计

系统软件由商品入库管理程序、信息管理程序、商品实物定位程序、物资盘点程序、手动管理程序和车载控制程序组成,软件程序架构如图3所示。

图3 系统软件程序架构

2.1 商品入库管理程序

当商品进入智能仓库库房时,商品入库管理软件将对商品进行标志,标签中含有货物编码、批号等相关信息。RFID组件模块包括电子标签、天线、RFID读写器、中间件与人机交互界面。采用RFID读写器读取标签信息,并将商品信息传输到智能仓库库房数据库,由工作组服务器共享至车载控制程序。对于商品入库的管理通过建立数学模型完成:

(1)

式中,i为商品入库数量;A为商品集合;γ为RFID识别系数。商品入库管理软件可对商品的入库位做出规定,并发送指令使其分配到指定位置。

2.2 信息管理程序

货位信息更新到信息管理程序后,其能够根据所在地区、企业姓名、货物类别、货物种类、进入日期等对货物检索,在网络上以平面图的形式展现出来。可针对某一范围的商品销售自动检索,采用DSY-991信息对货物信息进行检索,其检索原理有以下公式:

(2)

式中,V代表商品信息集合;j为物资区位信息;u为商品盘点范围。

根据检索公式对产品的陈列与空间布置可直接展示,同时能对出入库数据进行统计分析,包括商品名称、货物种类、出入库时间、去向等数据,可通过商品名称、货物种类、去向、停留时间进行检索[13-14]。

2.3 商品实物定位程序

商品实物定位程序主要通过实物名称定位、实物卡号定位和实物类别定位三种定位方法实现,通过搜索得到物流信息,将得到的信息呈现在仓库图上。当货物被移动后,利用对叉车系统的追踪,就可以及时掌握货物的移动位置,对货物实施追踪,如果其移动在规定区域以外,可进行报警,每一种货位在商品管理系统中均具有一个独立的编码系统,商品实物定位系统通过以下公式完成定位:

(3)

式中,R表示物资定位信息;s与c表示物资坐标;o表示物资编码[15]。

当商品占用了某个货位之后,利用商品位置可使该货位和该商品绑定,可以完成对货位的查看和管理工作。当物资由叉车装载或从某个位置转移至另一位置时,按键会按照由平衡多重式叉车定位系统传来的位置数据自行更新货位,并自动更新货位管理数据,无需人力管理[16]。

2.4 物资盘点程序

物资的盘点工作分为仓库管理系统中的统计分析和人工方式盘点。对仓库管理系统中要求在盘点范围内的商品实行分类统计,由下列公式完成统计分析:

(4)

式中,x为仓库物资数量;e为统计系数。

根据统计公式明确盘点目标,工作人员可以利用RFID的手持装置进入特定部位对商品实施盘点管理,利用RFID远程传感的功能,对高层商品进行自动识别和盘点管理,最终同仓储管理系统相比较得出盘货的结果[17]。

2.5 手动管理程序

手动管理程序控制所有手动机械设备,手动机械设备的主要功能为入仓寻货、入仓查库和出入库数据保护。

(1)入仓寻货:员工使用手动机械设备入仓寻货,目标货品配备智能卡在接受到讯号时,发送声光指令,指导寻货员工迅速锁定位置。

(2)入仓查库:员工使用手动机械设备定期人工查库,近距离读出托盘数据信息卡信息,并与后台系统比对,人工盘点管理的库位商品种类、数量、生产日期等是否与后台系统信息相符,若不相符,可在当场对系统信息加以调整,并对智能信息卡加以调整。

(3)出入库数据保护:技术人员可以使用手动装置对出入库托盘数据加以保护,将进入托盘与货品种类、总量等资讯载入信息系统,出库托盘与货品种类、总量等资讯载入信息系统[18-19]。

2.6 车载控制程序

车载控制程序包含了车载读卡器、车载定位卡、车载平板电视等设备。在进行入仓、出、移仓后对货物、仓库等进行了比对检验。同时通过对叉车的进行定位和指示装置,控制系统将入、出、移储的仓位、目标位置等显示在画面上,提醒叉车作业的人进行准确作业。通过判断物品关联度P来完成取物判断:

(5)

车载控制系统还可以提供的功能如下:

(1)叉车实时定位控制系统:通过在车载控制系统中设置定位卡,可以实现对叉车在工作时的实现位置和追踪功能,对叉车在入仓、移货、出库的整个过程中进行追踪,以及锁定货位等。

(2)货位引导:在入仓或寻货时,由控制系统向汽车控制系统发出货位目标,汽车控制系统依据仓储地势自动选取路径,并进行引导。

(3)取物判别:当确定了所取物品的情况之后,叉车在取物前可使用RFID标记自动判别,以防止取错了物品[20]。

3 实验研究

为了验证基于RFID物联网技术的智能仓库系统的实际应用效果,设定实验。选用某公司物资仓库作为研究对象,实验内存为2G,选择的开发平台为JDK平台,操作系统为Windows10。

选用RFID物联网技术的智能仓库管理系统对物资仓储系统进行管理,管理过程如图4所示。

图4 物资仓储系统管理过程

根据上述实验管理过程,得到管理过程的信号调制方式,将引入文中管理系统前后的调制方式进行实验对比,得到的结果如图5所示。

图5 RFID物联网调制结果

根据图5可知,该文提出的调制方式通过翻转相位实现调制,利用RFID进行调制,能够实现超高频调制,因此相位反转时间更短,同时也能够更加精确地实现数据判断,更加精确地完成调制。

智能仓库在管理过程中容易受到噪声干扰,在噪声干扰下,仓库的运行状态将会受到严重影响,信噪比不同,误码率也不同。

为了验证提出的管理系统的实际效果,选取基于物联网的可视智慧仓库体系和基于STM32的智能货物管理系统以及基于NB-IoT技术的仓储管理系统,在不同信噪比下的误码率实验结果如图6所示。

(a)该文设计的系统

根据图6可知,随着迭代次数的增加,误码率在逐渐减小,虽然信噪比越高,误码率越高,但是该文设计的系统具有很好的降低误码率的能力,能够确保误码率始终低于1.1%,确保管理效果。而基于物联网的可视智慧仓库体系、基于STM32的智能货物管理系统和基于NB-IOT技术的仓储管理系统的误码率则高于该文设计的系统,说明该文设计的系统能够有效降低误码率。

为了验证该文设计的系统能够实现对商品定位的精准度,与基于物联网的可视智慧仓库体系、基于STM32的智能货物管理系统和基于NB-IOT技术的仓储管理系统进行对比,实验结果如图7所示。

图7 不同方法的商品定位精准度实验结果

从图7可以看出,该文设计的系统对商品的定位精准度整体保持在75%以上,而基于物联网的可视智慧仓库体系、基于STM32的智能货物管理系统和基于NB-IOT技术的仓储管理系统的精准度均低于该文设计的系统。由此可以得出,该文设计的系统对商品能够实现较好的定位。

在引入RFID物联网后,信息的传输速率得到快速提高,但是受到的噪声带宽更大,因此必须要提高管理灵敏度,提高信息识别效率,确保管理过程的存储效果。

选用的某公司物资仓库通信带宽最低为20 kHz,最高为500 kHz,因此管理系统在管理过程中可以设置任意带宽,分析对比提出的系统与基于物联网的可视智慧仓库体系、基于STM32的智能货物管理系统和基于NB-IOT技术的仓储管理系统,在20～500 kHz通信带宽内部的反向链路频率和容忍误差,得到的实验结果如表1～表4所示。

表1 设计的系统反向链路频率和容忍误差实验结果

表2 基于物联网的智慧仓库反向链路频率和容忍误差实验结果

表3 基于STM32的智能货物管理系统反向链路频率和容忍误差实验结果

表4 基于NB-IOT技术的仓储管理系统反向链路频率和容忍误差实验结果

根据表1～表4可知,该文提出的仓库系统通过改善灵敏度来减少误码率,确保系统运行过程中容忍误差在±2.5%以内。而基于物联网的可视智慧仓库体系的系统运行过程中,容忍误差在-4.5%～+3.5%之间;基于STM32的智能货物管理系统的系统运行过程中,容忍误差在-3.5%～+4.0%之间;基于NB-IOT技术的仓储管理系统的容忍误差在-4.0%～+3.5%之间。由此可以得出,该文设计的系统能够降低误码率,有效接收更多的外界信息。

为进一步研究仓库系统的实际应用能力,设定实验,选用提出的仓库系统和传统的基于物联网的可视智能仓储系统和基于STM32的智能仓储系统以及基于NB-IOT技术的仓储管理系统进行实验对比,分析管理过程的响应时间,实验结果如表5所示。

表5 响应时间实验结果

根据表5可知,基于RFID物联网技术的智能仓库系统的动态响应时间保持在5 ms左右,而基于物联网的可视智慧仓库体系的动态响应时间在10 ms～12 ms之间,基于STM32的智能货物管理系统的动态响应时间在7 ms左右,基于NB-IOT技术的仓储管理系统的动态响应时间则保持在8 ms左右。该文设计的系统的动态响应时间明显少于其他三种系统,最大缩短了6.14 ms。由此证明该系统更适用于实际工作中。

4 结束语

基于RFID物联网技术设计了一种智能仓库系统,硬件包括智能仓库库房、数据库、服务器以及读取器,完成对整个智能仓库的数据存储以及读取。软件部分设计了多个程序,通过程序同时运行确保整个智能仓库系统正常运行。实验表明,设计的智能仓库系统功能结合紧密,保证了数据的无缝衔接,具有较高的使用价值。