基于物联网的物流企业智能仓储管理系统设计

在物流供应链中,企业的流动资金在物资搬运、递送及装卸等过程中,如果管理不当,不但给企业造成商品的积压、损耗,还将会严重影响到企业资金的正常运转。如何提高仓储系统生产效率,减少人工操作、费时费力的缺点和不足是现代物流企业需要关注的问题。物联网是继PC、互联网、无线通信技术之后第4次信息技术革命,实现了物到物(Thing to Thing:T2T)、人到物(Human to Thing:H2T)和人到人(Human to Human)的互连[1],从而能够实现物体与物体之间的信息交换和通信。物流信息通过网络传输到信息处理中心后可实现各种信息服务和应用[2]。物联网凭借其信息化、智能化、集约化优势,为仓储系统提供了解决问题的方法。

为实现仓库作业流程智能化许多研究人员进行了大量的研究工作。文献[3]将无线传感器网络与RFID的技术相结合,提出了一种基于物联网的仓库管理系统模型;文献[4]设计了一种运用于烟草业的智能仓库系统,优化了库存管理并提高了仓库作业的效率;文献[5]则运用RFID搭建了备件库的管理系统;文献[6]设计了一个基于Linux的智能仓库引导系统,指引物流作业员进行仓库位置定位;文献[7]将RFID采集到的数据与物流管理系统的结合,实现了对物流全过程的优化调度和动态控制。本文结合物联网技术及RFID技术,设计了一种货物管理系统,最大程度上减少了人为错误的发生,避免了人工作业费时费力的现象,解决了目前许多中小物流公司依赖人工方式进行物流管理的困局,提高了信息化程度以及供应链间协同作业的能力,降低了物流公司运作成本。

智能仓储管理系统分为数据读取终端系统和货物信息管理系统两大部分,总体架构如图1所示。数据读取终端分为手持移动与固定位置2种,它读取RFID标签并把获得的货物信息传输到货物信息管理系统。RFID标签又叫射频卡,一般由芯片和耦合元件等组成。标签内置有天线,用于与阅读器之间的数据传递。

(1)数据读取终端一般由控制系统和射频接口组成,它是对电子标签进行读取或写入操作的设备,用于发送和接收射频信号。射频接口用于产生发射无线信号,为标签提供能量并对发射信号进行调制。控制系统用于与软件的通信、信号的编码及解码。数据读取终端同时具有通信、控制和计算功能。

(2)货物信息管理系统实现出入库货物扫描、查询、盘点和后台数据库信息的实时更新等功能,满足了物流企业对各项作业流程高效率的要求。

数据读取终端实现标签信息的采集、处理与传输,主要包括MCU主控制器、ZigBee无线传输通信模块、RFID读写模块、液晶显示及键盘输入模块等功能模块,其框图如图2所示。

(1)MCU主控制器模块采用意法半导体(ST)公司的STM32F103RB芯片,该芯片是基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的32位处理器,时钟频率达到72 MHz,信号处理最高可达1.25DMips/MHz,能实现较高复杂度的运算要求。内嵌128KB FLASH程序存储器,具有丰富且灵活的外设,包括UART、SPI等串行接口,具有出众的性能[8]。

(2)ZigBee无线传输通信模块实现与货物信息管理系统的数据通信与传输。ZigBee是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网技术。在工业控制、家庭智能化以及无线传感器网络等方面有广泛的应用前景[9,10,11]。该技术采用IEEE802.15.4标准作为物理层(PHY)和媒体访问控制子层(MAC)标准,传输范围一般在10~100m之间。但在增加射频发射功率之后,传输范围也可增加到1~3km。仓库中有较多的读写器,ZigBee将它们连接成为一个网络,并将数据实时传输到货物信息管理系统,从而实现对库存作业中到货检查、入库、出库、库存盘点等各个环节的数据自动数据采集与更新,保证了库存作业各个环节数据录入的速度和正确性,又确保能够做出正确的库存控制和决策。

(3)RFID读写模块采用RMU900UHF RFID[12]。模块工作在低电压+3.3V,工作频率为915 MHz或925MHz,支持EPCC1GEN2/ISO18000-6C协议,最大输出功率为27dBm。提供UART、WIEGAND接口,方便与STM32F103RB进行通信,完成货物信息采集。天线部分,采用陶瓷天线,由滤波器和谐振电路组成。利用STM32F103RB自带的UART来完成对UHF RMU900的操作。

(4)TFT液晶屏具有高分辨率、对比度高、层次感强、色彩鲜明等特点,而且尺寸轻薄,功耗较低,使其被广泛应用于各类便携式的嵌入式设备中。本文采用触摸型DST2001PH完成对货物信息的LCD液晶显示。该TFTLCD屏26万色,采用与IL9320兼容的XPT2046控制器,拥有16位的80并口,方便与MCU通信。

数据读取终端采用uC/OS-II实时操作系统进行多任务管理,如图3所示。uC/OS-II具有执行效率高、占用空间小、实时性能好和可扩展性强等优点[13],整个软件设计分为3个部分,分别为:硬件驱动层,系统层和应用层。定时器为系统提供时钟节拍,系统通过任务调度调用相关应用程序。由于uC/OS-II并没有管理除中断外其他的硬件,因此,大部分的硬件相关事件的处理由应用层直接管理。系统在初始化之后,对多个任务进行管理,包括按键的检测与处理、电子标签的识别、以及标签数据的发送等。

货物信息管理系统基于模块化分类设计,对每个业务流程各环节高效处理,包括出库管理、入库管理、库存盘点等。系统设计分为3层结构,如图4所示。在底层借助RFID数据读取终端实现SQL数据库中货物信息的存储;在数据访问接口层中,结合ADO编程实现数据访问链接;在应用层中,借助开发工具实现本地信息系统和网络客户端系统的构建。

(1)SQL数据库具有强大的查询访问功能、高吞吐量和稳定的数据访问功能。根据系统3层结构的设计方案,在SQL2000平台上分别建立了2个数据库用来存储和管理来自数据读取终端的物资信息。

(2)在数据访问层接口中,本地信息系统数据接口采用Microsoft的数据访问ADO技术。ADO通过其内部属性和方法提供统一的数据访问接口和应用程序层接口(API)。其中,OLE DB接口是一套部件对象模型(COM)接口,它也是一种底层数据访问界面的接口,接口支持大量可应用于数据源的DBMS功能,它提供了对各种数据库高效率的访问,使数据源能够共享数据。

ASP数据接口也采用ADO编程的连接方式访问数据库。其核心对象是Connection、Recordset和Command。通过ADO编程,用户只需要编写简单的脚本就能够使网页连接上与ODBC兼容的数据库和OLE DB兼容的数据源。

(3)在应用层库存管理人员进行入库、出库、库存查询等仓库管理业务的操作。网络客户端主要面向需要网络查询信息数据的用户,实现包括用户的访问、查询等功能,最终实现与底层数据库的信息交互。B/S结构(即浏览器和服务器结构的用户工作界面)是通过浏览器来实现,而其主体的逻辑事务在服务器端执行。这样就大大简化了客户端电脑的负荷,减轻了系统升级更新所需的工作量。

本文利用物联网技术将物联网系统地用到仓储系统建设中,应用RFID技术设计了一种货物管理系统。数据读取终端对RFID电子标签进行读取,同时具有通信、控制和计算功能;基于ZigBee的传感器网络将多个读写器连接成为一个网络,并将数据实时传输到货物信息管理系统,从而实现了到货检查、入库、出库、库存盘点等各个环节的数据自动数据采集与更新,保证了正确的库存控制和决策;货物信息管理系统实现了出入库货物扫描、查询、盘点和后台数据库信息的实时更新等功能,满足物流企业对各项作业流程高效率的要求。该系统最大程度上减少人为错误的发生,避免了人工作业费时费力的现象,提高了供应链之间协同作业的能力,降低了物流公司运作成本。