基于物联网的智能仓储管理系统.doc

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（Electornic Product Code，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.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.表2 上层系统对仓库中的实体操作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。版本号字段域名管理对象分类序列号8位28位24位36位 在电子标签信息编码中,国际装设备编码协会 EPC g1oba1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. 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、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6所示.图6 人工检测对于电子标签不能标识的物资，管理方法是采用物位测量的辐射方法进行货位扫描，通过物位计发射激光、红外、超声波等对货位或者不容易标识的装设备进行扫描成像。如对散装固体装设备、液体或堆场等的形状进行扫描，运用计算机系统将接收到的反射信号转换成二维或三维图形，对装设备进行识别管理.这种方法使用前不仅需要对被测物体的尺寸大小和红外线、超声波感应范围进行确定，合理选取传感器并科学布局,还需要确定货位、装设备尺寸、形状与数量之问的关系。2.安全检测 安全管理包括防火、防盗、防毒、防破坏等,避免对设施、设备、装设备和人员造成损失、伤害，以及信息泄露等对部门造成的损失.装设备的安全影响因素已包含在装设备存储属性要求中，因此，仓储的安全管理主要是避免人为或自然原因引起的灾难.例如在发生火灾时会产生热量和气体，通过温度传感器和气体传感器双重检测能更有效地检测到灾情和灾区。其中加强仓库的访问权限管理是安全管理的重要部分，RFID系统和红外传感装置相结合的门禁管理可实现对工作人员和外来人员管理，这种门禁管理既适用于仓储区也可用于办公区。三、系统网络结构1。网络架构面对仓储管理中存在的物流信息处理效率低以及出入库盘点不准确等问题,仓储管理通过RFID电子标签实现物品的自动识别,在物品出入库时，利用无线传感器网络对仓储车间进行实时监控,以提高仓储管理的智能化水平。此外，如果某些物资正处在仓储车间以外，其存放位置不固定性,则必须采取无线布线方式,以确保能准确知道某型装设备的数量和位置，以便实施快速、准确的器材筹措。该物联网仓储系统的网络拓扑结构为混合型结构，RFID标签和WSN传感器节点独立工作，RFID阅读器作为WSN基站,接收标签和传感器节点发送的数据信息后将其传送到本地上位机或远程网络.其网络拓扑结构如图7所示.图7仓储系统异构型网络结构 图中是各仓储管理系统网络结构,构建仓储物联网的目的是将各地域的局部仓储系统通过公司专用网连接起来建立覆盖整个仓储功能的仓储物联网，其结构图8所示. 2。信息采集网络信息采集网络是指信息从实体到读写器等采集设备的路径集合。物联网仓储系统中存在多个不同类型的局部信息采集网络，由于采集对象不同，使用的采集设备也不同。采集设备部署及其组网协议直接影响着网络的覆盖、识别效果，合理有效的设备部署方案可以增强网络性能、减少网络设备数量，且可实现所在区域的全面覆盖和网络连通.仓储信息采集网络所采集的信息主要有RFID标签信息和环境信息，采集设备是读写器和传感器,因此,信息采集网络是基于RFID和图8 智能仓储物联网体系结构图 WSN技术构建成的无线传感网。根据对无线传感网基础知识和传感器节点部署方法的研究，结合仓储的实际情况（即仓储功能短时间不会轻易改动,仓储应用空间大、且设施设备较多、环境复杂),确定仓储内无线传感网采用静态节点、自组网部署，即构建 Ad hoc网络。WSN节点具有环感知、信息收集、数据传输、协同合作等功能，而RFID读写器在实时数据传输上主要还依靠有线的方式。 在构建仓储信息采集系统时，可以整合传输数据，利用WSN自组网上传和下发RFID信息和指令,使得 WSN节点同样作为RFID的网络传输节点。 3.信息采集方式利用信息采集终端进行信息采集的方式一般分为两种:先下载数据库再采集数握和实时进行数据采集。在野外条件下,无法实时与中心数据库连接，因此，应在与中心数据库断开连接的情况下,还能准确地实现器材的出入库和盘库管理.鉴于二维码的高信息容量等优点，可依靠二维码,在脱离中心数据库的情况下使用,因此,可采用先下载数据库方式，即：在器材入库时,将入库器材的基本信息通过条码扫描仪录入到数据终端，数据终端再通过做好的软件接口（即中间件）,按照固定的格式将数据信息转换成格式文件,再用通讯座或通信电缆传到中心数据库。器材出库时，则通过通讯座或通信电缆从中心数据库接收出库文件,数据终端根据出库文件进行器材出库.在每次盘点前，从中心服务器数据库中提取关键字段信息,通过适用的软件接口（即中间件）形成格式文件，用通讯座或通讯电缆下载到手持数据采集终端中，然后到库房进行盘点。这种方式的好处在于:在进行采集数据的同时，实时得知当前盘点单品的信息是否与计算机中数据库的理论值相对应，如商品条码是否正确、商品名称是否符合，亦能够实时对该单品的情况做出处理,如修正数量、改变摆放货架等。四、软硬件设计1.软件功能结构 物联网环境下，仓储系统服务的构建是为仓储实体及其信息的采集、传输和处理设定控制和计算规则.通过这些规则为应用层提供必要的服务,满足对象管理的需求。仓储系统对象的管理需求大致包括安全、定位、防损、防盗、调度、路径优化、考動和出入盘库等。满足对象管理功能需求的服务有信息采集、数据集成、资源调度、流程优化和权限管理。这些服务以一定的输入输出实现仓储系统的软件系统功能.软件系统处于仓储系统最高层,这个层次接受业务指令和数据录入，并将指令和数据逐级分解到下级的各项服务，控制底层实体的运行，实现业务功能。仓储系统中其他层次的设备及其活动都是以软件系统为核心，既服务于它，也被它控制. 以物联网技术为支撑的仓储软件系统按功能分大致有业务应用、数据库和中间件三个部分，其中前两类的发展已较为成熟，而中间件也凭借其跨平台、高集成的特点在信息交互、数据安全等方面得到应用。 基于物联网技术的仓储软件系统的基本功能模块包括业务管理、安全管理、数据管理、协作管理、电子地图、设备管理、基本信息，除此以外还包括常用的财务管理等(图9）。 基本功能模块通过与数据库和中间件与设施设备进行交互,实现其功能。（1）业务管理模块。业务管理包括常见的仓储业务管理,在接受入库、出库、移库和盘点业务后,根据各种智能算法,结合物资属性、在库时间、所在位置、目标位置和仓储可利用资源等属性，通过智能计算得出最优的货图9 物联网仓储系统软件功能图位、作业工具、操作人员和作业路径。在获取了最优任务执行计划后，执行相应的入库、出库、库存和仓位管理,进行数据传输，指派工作人员和设备（如叉车)进行仓储管理作业；库存管理对各货架上物资的数量进行有效管理，并完成相应的报表统计工作。 （2)安全管理模块。 安全管理包括权限管理、环境监控和报警控制三个模块。权限管理模块负责对人员的职位、活动区域及其权限进行调控与管理，同时还兼有记录考勤的功能；环境监控是通过设置环境专用传感器、摄像头、声纳采集器等，对仓库的环境进行监视，并根据设定的条件对设施设备进行调控，使环境满足需求；报警控制是与环境监控模块密切相关的模块，当环境监测值超过规定值时，报警模块给予提示。 （3）数据管理模块。 数据管理由数据处理、数据接口和数据统计三部分组成。数据处理是物资、设备、工作人员、业务活动的记录数据，用于支持其他功能模块的访问，可实现数据査询，数据更新和备份等功能；数据统计实现各部门和人员所需的统计报表等；外部数据接口实现仓储部门与其他部门的数据交换,主要负责访问权限、格式转变、收发数据等功能;数据分析是对数据库中大量信息进行深加工处理的方式，以此获取有用信息，引导或支持保障决策。 (4）电子地图模块。 通过电子地图能够实时仿真显示仓库中的货位、装设备、人员、设备的位置分布情况，用于及时应对各种突发事件.也可根据仓储实体，对其运动路径和停留时间进行监控管理，形成路径图，确保设备和工作人员工作流程的正确性和有效性。（5）设备管理模块. 数据转发模块实现对信息进行预处理，是软件平台和硬件平台的接口模块，负责将收集（或发送)的信息归类处理，分发到系统不同的功能模块进行处理(或传输到不同的硬件设备）.数据转发模块是一个中间件,是仓储管理系统实现正常处理和指派任务的关键；状态管理模块详细说明仓储各种设备的运行状态，包括所属任务资源及其执行情况、是否正常运行等;权限管理模块控制管理设备的权限，用于对指派任务权限的执行和记录,并可修改更新。 （5）基本信息模块。 在库量、仓库使用情况、设备使用情况（数量、次数和年限）、工作人员信息（如工作内容、工作时间、考動、离场时间等）。基本信息模块根据其他模块的反馈进行及时更新,可用于数据统计和査询。智能仓储系统软件层是采用上层物联网技术实现的，主要用于数据的存储和加工.软件层的结构直接决定了系统的功能、反应速度,体现了系统智能化程度。2。系统硬件结构在对基于物联网的智能仓储系统进行充分分析和设计的基础上，系统的相关硬件设备应包括计算机、手机、 PDA、RFID装设备标签（大件物品）、RFID 包装盒、包装箱或托盘标签（散装小物品）、工作人员RFID标签、RFID货位标签、叉车载读卡器、天线、电子显示屏、电子语音设备、温度传感标签、湿度传感标签、光传感标签、红外传感器和相应读卡器、门式固定读卡器、摄像头、电子显示屏、地标、扩音器、通风和供暖设备等. 结合仓储系统网络结构，运用物联网相关设备对仓储进行布局，主要是在仓库内的人员、设施、设备上安置各种物联网设备。具体设置如下:在有装设备和人员出入的主要通道门口安置RFID门式阅读器,通过权限和定位管理监控工作人员和装设备进出；在仓库侧门、小门（如安全出口等）安装红外传感器，主要监控人员非法出入，确保仓库安全；在包装盒或包装箱、托盘、货位和仓库特殊区域等设备或设施上安装电子标签，记录仓库内物资的存储情况；在库人员工作服设置RFID标签,并配备有PDA、叉车等搬运设备安装车载读写器，可以根据实际情况调拨人员和设备，实现手工、自动化等多种作业模式;仓库内安装多种环境传感器，实时采集信息上传，要满足装设备的安全和存储要求。仓库内公共场所安装扩音器、电子屏幕、电子路标等实现信息公开和辅助作业,避免信息遗漏或数据出错;同时还有基本的防火、防水、通风、通暖设备等监控系统.仓库内物联网设备数量众多，可以根据业务需求启动或关闭设备,实现设备的动态管理. -12-