基于RFID的中药材物流仓储智能化管理系统设计与应用

祝培源，张改梅，孙柏青，鲁建东，刘辉，宋晓利，石佳子，林乐豪

基于RFID的中药材物流仓储智能化管理系统设计与应用

祝培源，张改梅*，孙柏青，鲁建东，刘辉，宋晓利，石佳子，林乐豪

（北京印刷学院，北京 102600）

针对中药材物流仓储中的自动化程度低、效率低和数据不准确等问题，对其进行数字化和智能化管理，以提高效率和数据准确性。结合中药材的流通环境，基于无线射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、物联网技术和温湿度检测技术，设计并开发中药材物流仓储智能化管理系统，并提出一种改进基于碰撞位的汉明重数分组查询树算法（HCQT）。算法消除了空闲时隙，减少了碰撞时隙，使得中药材RFID系统信息采集传输更高效。实现了中药材在物流仓储各环节的管理功能，以及温湿度、物流仓储数据的实时智能更新，并应用于环境实时监测。系统实现了对中药材物流仓储的自动化管理，提高了工作效率，在大量智能包装的物流系统中具有良好的应用前景。

中药材；包装；无线射频技术；物流仓储；查询树算法

目前，我国中药材多采用传统的物流管理形式，其集中管理力度、可控管理力度较低[1]。在中药材物流仓储中对环境的温湿度要求较高，温湿度过高或过低都会影响药物的有效性[2]。目前，国内缺乏专门针对中药材包装的物流仓储管理体系，其物流仓储管理现状存在出入库费时费力、精准度低、业务流程复杂、人力资源投入较大，以及温湿度检测还停留在人工记录阶段等问题[3]。如何实现中药材物流仓储信息化管理是提高中药材物流仓储效率的关键。文中通过研究中药材在物流仓储环节中的薄弱点，设计中药材物流仓储过程的追溯系统，综合采用GPS[4]、RFID[5-8]、无线通信等技术，构建中药材包装物流仓储信息追溯系统，以实现中药材产品在物流、仓储过程中信息的采集和追溯。

1 中药材物流仓储智能化管理系统设计

1.1 中药材物流仓储智能化管理系统总体架构

仓储管理系统以RFID技术为基础，以RFID标签为信息载体，以手持阅读器或固定式阅读器为采集设备，完成仓储管理工作[9]。整个流程包括出入库管理、库存管理、订单管理、人员管理等。RFID的使用可以使仓库管理更加科学，从而提高管理效率[10]。系统总体逻辑结构如图1所示。整个系统架构主要包括基础设施层、应用服务层、网关接口层和终端显示层。基础设施层主要提供保证系统正常运行的硬件资源。应用服务层提供业务通信、管理等功能，方便系统的部署和管理。网关接口层包含每个服务的入口逻辑，可以通过HTTP、Socket、Web service等访问每个服务端。终端显示层为不同的终端设备提供不同的显示接口，方便用户对系统进行操作和管理。

文中设计的系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括RFID系统、数据采集系统，RFID系统主要负责货物的出入库与运输，数据采集系统结合各类传感器（如温湿度、氧气等）对货物的环境信息进行实时检测。RFID系统的基本构成如图2所示。软件系统包括服务端管理系统和阅读器系统。

1.2 硬件设备的选择

为了确保系统快速、高效、稳定、不间断地运行，采用超高频RFID标签作为实验标签，温湿度传感器采用DHT11模块（温度测量范围为−20～+60 ℃，精度为±2 ℃；相对湿度测量范围为5%～95%，精度为±5%）。GPS 采用 L76X GPS 模块。DHT11是一款集成式温湿度复合传感器，工作电压为3.3～5 V，测量范围为0～50 ℃、0%～80%（相对湿度），它的温度分辨率为1 ℃，相对湿度的分辨率为1%，精度分别为±2 ℃、±5%。

图1 物流仓储总体架构

图2 RFID系统基本构成

2 中药材物流仓储智能化管理系统软件设计

中药材在运输流通环节会面临温湿度等环境参数的变化[11]，基于中药材物流环节，针对用户开发不同的使用模块，以实现用户的有效管理和信息管理。

2.1 系统软件的关键流通信息

中药材的流通环节主要包括运输环节、储存环节、装卸搬运环节、包装流通加工环节等。每个链接的信息如图3所示。在物联网大数据技术的支持下，数据中心可以实时接收中药材包装的信息资源[12]，保证不同物流运输的及时性。借助物联网大数据技术，可以方便地获取中药材的仓储信息，有利于仓库管理人员的管理，能够及时发现存在或发生的问题。

图3 各环节信息展示

利用RFID技术，实现中药仓储的自动化信息管理，共享物流公司之间的信息资源，可以有效提高物流仓储的效率[13]。利用信息追溯系统共享相关信息，更容易掌握中药材加工包装信息的关键点，了解货物的特殊属性，有效避免操作不当造成的安全问题。

2.2 系统各模块功能

软硬件模块分为RFID模块、信息采集和系统服务端模块，每个模块分别包含多个子功能模块，如图4所示。RFID模块主要针对RFID手持阅读器的中药材基本信息、中药材出库入库状况和库存管理情况进行管理。信息采集模块通过各类传感器采集中药材所处的环境信息，为用户提供中药材从仓储管理到运输销售到货物目的地的全过程信息查询和溯源，包括货物出入库情况、中转信息、位置信息、温湿度和GPS等信息。系统服务端只对管理员开放，管理员可通过系统对用户信息、中药材基本信息、订单情况、人员信息和环境信息等进行查看、增、删、改、查等操作。

图4 系统功能结构

3 RFID防碰撞算法优化设计

RFID标签无需人工逐个扫描，大大节省了人力、物力。由于在物流系统的智能包装管理中会产生RFID多标签碰撞现象，因此如何在避免碰撞的情况下准确、快速地读取RFID标签数据，是RFID应用在智能包装系统中需要研究和解决的问题之一[14]。RFID防碰撞算法主要分为2类：基于ALOHA随机算法，主要包括ALOHA分组自适应分配间隙（GAAS）[15]、动态帧时隙 ALOHA（DFSA）[16]等；基于树的确定性算法，主要包括树的基本查询（QT）算法[17]、碰撞树（CT）算法[18]等。基于ALOHA随机算法的执行过程相对简单、易于实现，但标签存在“饿死”问题。虽然基于树的确定性算法可以解决标签“饿死”的问题，但存在识别周期长、标签能耗高的问题[19]。

1.3 诊断标准 糖尿病的诊断符合 1999年世界卫生组织（World Health Organization，WHO）糖尿病诊断标准[5]，肝癌的诊断符合《原发性肝癌诊疗规范（2011年版）》[6]肝癌诊断标准。进入队列的时间为完成基线调查的日期，出队列时间为首次诊断肝癌日期、死亡日期或本次随访截止日期（2017年8月31 日）。

QT算法是一种无记忆算法，可以识别所有标签，但会产生大量未占用空间和碰撞空间，导致识别效率低下。为了提高QT算法的性能，Zhang等[20]对正交树进行了改进，提出了A4PQT（自适应正交剪枝查询树）算法，能有效减少空闲时间窗口，但不能避免空闲时间窗口。

为了避免空闲时间窗口，文中提出了基于碰撞位的汉明重数组查询树算法的改进（Collision Bit-Based Query Tree Algorithm for Grouping of Hamming Heavy Numbers，HCQT）算法。HCQT算法只关注以最高碰撞位为首的连续3个比特位上所产生的碰撞，根据碰撞位数选择不同方法来确定准确的查询前缀，可以实现无空闲间隙，减少了碰撞间隙。

3.1 算法分析与设计

由于标签的碰撞概率与标签数量成正比，因此通过对标签进行分组，可以避免碰撞，并提高了识别率。在识别应答器前，读写器会发送1个空的轮询序列，作为初始化轮询命令传输的轮询前缀，首先根据应答器编码中1的数量将应答器分为0组和1组，即偶数组和奇数组。此时，在读写器工作范围内所有的应答器都会做出响应，然后对碰撞位进行分组处理，存在以下4种情况。

1）只有1个标签响应无碰撞，完成数据交换后，结束工作。

2）若有1位碰撞位，即该首位碰撞位后2位为非碰撞位，则阅读器直接将第1个碰撞位设置为0和1，生成2个新的请求前缀，并将其存储在堆栈中。如果读取器收到的碰撞码为10?11?0，则读取器可以直接生成100、101这2个新的请求前缀。

3）如果有2个碰撞位，即第1个碰撞位之后的2个位中有1个是碰撞位。此时，读写器在下一个时隙发送用户查询命令，以确定标签的碰撞情况，并返回准确反映标签碰撞信息的4位映射数据。读写器收到标签返回的关联数据后，会准确识别出碰撞信息最高的2个标签，然后确定下一个查询命令。映射关系如表1所示。

表1 映射关系

Tab.1 Mapping relation

表2 对应的汉明权重

Tab.2 Correspondence of Hamming weights

3.2 算法流程

算法的具体流程如图5所示。

1）初始化，查询前缀堆栈，发送阅读器请求指令，响应阅读器作用范围内的所有标签。

2）符合当前查询指令的标签响应。

3）在阅读器收到标签反馈后的标签信息中，如果只有1个标签有信号反馈，则识别和屏蔽标签，完成数据交换；如果标签碰撞，则根据标签编码中1的数量为奇数或偶数分为2组，然后阅读器根据碰撞位数分为以下3种情况：在碰撞位为1时，直接生成2个新的查询前缀，转到步骤4）；当碰撞位置为2时，阅读器根据接收到的映射数据序列码，确定新的查询前缀，并将其转移到步骤4）；当碰撞位置为3时，阅读器按照汉明的权重原则对标签进行分组，并根据不同组中的碰撞位特征推断标签的前缀组合，并将其转移到步骤4）。

图5 算法流程

4）将新的查询前缀压入堆栈。

5）按照从栈顶到栈底的顺序，阅读器将查询指令发送到标签，并返回步骤2）。

6）判断栈是否空，如果栈不空，则返回步骤5）；若栈为空，则表示所有标签均已识别，识别过程结束。

3.3 算法性能分析

将HCQT算法在识别过程中识别标签所需的总间隙与QT算法、A4PQT算法、CT进行了比较，如图6所示。将HCQT算法在识别过程中的吞吐率与QT算法、A4PQT算法、CT进行了比较，如图7所示。性能分析和实验模拟结果表明，HCQT算法在总间隙和吞吐率方面具有良好的性能，可以有效提高RFID在中药物流仓储智能管理系统中的性能。

图6 总间隙对比

图7 吞吐率对比

4 中药材物流仓储智能化管理系统的实现

4.1 RFID手持阅读机功能

在物流仓库中，将贴好标志的智能包装产品通过RFID传感器后，根据需要将商品放置于指定仓库。根据产品的需要做好出库管理工作，如果产品被放错了地方，则通过自动改变仓库地址，利用移动感手持阅读器感应货物数据，并发送到后台系统改变库存数据，进而完成快捷有效的移库操作。仓储人员需盘点库存商品的数据，及时纠正错误，实现仓储货物的信息追溯，减少了人力、物力的消耗。RFID手持阅读器的登录与系统如图8所示。

4.2 服务端部分功能界面

服务端页面功能展示如图9所示，管理员可在此进行账号管理、客户管理、商品管理、商品明细管理、订单管理、RFID管理、货架管理、硬件数据管理等。数据采集端可以实时采集环境中的温湿度氧气等数据，并回传至前端，便于人员实时检测，检测系统硬件如图10所示。

图8 登录与系统展示

图9 服务端页面

图10 检测系统硬件照片

系统接收到的温湿度信息如图11所示。系统可通过调整时间查看不同日期的温湿度信息，实现温湿度信息的追溯。

图11 温湿度检测界面

4.3 系统功能应用

为了验证系统的可行性，模拟樱桃的仓储环境，选择多功能集成保鲜袋为包装材料，对同一品种、同一批次的新鲜成熟樱桃进行包装，分别采用全封闭、半封闭、大气环境等3种存储方式，进行2组实验，每种存储方式选取8个樱桃，共计48个樱桃。数据采集端通过物联网技术实时监测和记录包装环境的温度、湿度和氧气浓度（体积分数），并将数据上传至服务器端，如图12所示。测得氧气浓度的对比如图13所示。

图12 模拟实验

图13 氧气浓度对比

为了验证中药材物流仓储智能化管理系统的硬件检测结果的准确性，将测试结果与温湿度计结果进行对比，见表3。结果基本一致，证明了系统的准确性。

表3 温湿度测量值对比

Tab.3 Comparison between temperature and humidity values

5 结语

结合国内中药材的运输存储情况，利用物联网、RFID等技术设计并开发了中药材物流仓储智能化管理系统，实现了中药材物流仓储中各环节的功能，并结合温湿度、氧气等传感器对环境信息进行实时监测，对比结果证明了系统的有效性。中药材智能管理系统的使用，保证了物流仓储管理的智能化，使得各个环节更加精准高效，将其应用于中药材高附加值商品物流领域，提高了物流仓储效率，加快了现代中药材物流仓储的信息化进程。

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Design and Application of RFID-based Intelligent Management System for Logistics and Warehousing of Chinese Medicinal Materials

ZHU Peiyuan, ZHANG Gaimei*, SUN Baiqing, LU Jiandong, LIU Hui, SONG Xiaoli, SHI Jiazi, LIN Lehao

(Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China)

The work aims to solve the problems of low automation, low efficiency and data inaccuracy in the logistics and warehousing of Chinese medicinal materials by conducting necessary digital and intelligent management, in order to improve efficiency and data accuracy. Combined with the circulation environment of Chinese medicinal materials and based on Radio Frequency Identification (RFID), Global Positioning System (GPS), Internet of Things (IoT) technology and temperature and humidity detection technology, an intelligent management system for logistics and warehousing of Chinese medicinal materials was designed and developed and an improved collision bit-based Hamming's heavy-count grouped query tree algorithm (HCQT) was proposed. The algorithm eliminated idle time slots and reduced collision time slots, which made the information collection and transmission of RFID system for Chinese medicinal materials more efficient. The management function of Chinese medicinal materials in all aspects of logistics and warehousing as well as temperature and humidity, data intelligent real-time update was realized and the algorithm was applied to real-time environmental monitoring. The system realizes the automated management of the logistics and warehousing of Chinese medicinal materials, improves the work efficiency, and has a good application prospect in a large number of intelligent packaging logistics system.

Chinese medicinal materials; packaging; RFID; logistics warehousing; query tree algorithm

TP311.1

A

1001-3563(2024)05-0212-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.026

2023-09-02

国家自然科学基金（51305038）；北京印刷学院科技项目（Ed201804, Eb201701）；国家新闻出版署智能绿色柔版印刷重点实验室项目（ZBKT201810）