物联网智能仓储系统的设计.doc

计算机科学与技术物联网智能仓储系统物联网智能仓储系统专业： 计算机科学与技术 姓名： 张楠 陆曼 学号： 110501043 110501049 指导老师： 张文军 日期： 2014年10月25日 目录1.概述32.需求分析与技术集成33.物联网技术及其设计模式33.1物联网技术简介33.2物联网技术产生的背景43.3物联网技术未来的发展53.4目前仓储业应用的主要物联网技术54.系统实现的技术64.1RFID技术64.1.1RFID标签及读写器64.1.2RFID中间件及数据过滤74.2传感器、微处理、通信芯片及协议85.智能仓库系统设计与实现85.1总体设计85.1.1网络架构85.1.2系统流程95.1.3系统组成95.1.4系统总体技术架构105.1.5系统功能结构设计115.2详细设计165.2.1基于RFID技术的库存管理流程设计165.2.2系统的主要功能模块流程图22结论281. 概述目前在中国仓储业应用最普遍的物联网感知技术就是RFID技术，在一些先进的仓储配送中心，RFID标签及智能手持RF终端产品有比较广泛的应用。在普通的仓储系统中，除了基于条码自动识别等技术具有最广泛应用外，“电子标签辅助拣选系统”也有普遍的应用。利用这一系统，将出入库订单经计算机系统分解，传输到货架个货位，用电子手段显示拣选的数量的辅助拣选系统。这一系统简洁实用，应用较广。近两年出现了采用无线网络技术传输拣选数据，不用现场布线搭建系统，大大方便了技术的应用。在先进的仓储配送系统中，全自动输送分拣系统也常用激光、红外等技术进行物品感知、定位与计数，进行全自动的快速分拣。此外为了使仓储作业做到可视化，对仓库实行视频监控，部分仓储系统采用了视频感知监控系统，取得了良好的效果。2. 需求分析与技术集成结合RFID技术、无线传感器网络技术、视频监控技术、条码技术等实现仓储环境监控及商品出入库、智能仓位分配、辅助拣货等功能。 主要完成：货物贴标登记、商品入库登记、仓位自动分配、上架商品查询、出库单（订单）及智能拣货提示仓储环境监控等功能。3. 物联网技术及其设计模式3.1 物联网技术简介物联网(Internet of Things)指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”(Enabled)的，如贴上RFID的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通（M2M)、应用大集成（Grand Integration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网（Intranet）、专网（Extranet）、和/或互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。“物联网技术”的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术；其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。因此，物联网技术的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术叫做物联网技术。3.2 物联网技术产生的背景1、 1990年 物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机Networked Coke Machine。 2、 1999年 在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网(Internet of Things)这个概念；是1999年MIT Auto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时最早提出来的。提出了结合物品编码、RFID和互联网技术的解决方案。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（简称物联网），这也是在2003年掀起第一轮华夏物联网热潮的基础。 3、 2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。 4、 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布ITU互联网报告2005：物联网，引用了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。 5、 2008年后，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将目光放在了物联网上。 6、2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。 3.3 物联网技术未来的发展物联网将是下一个推动世界高速发展的重要生产力。物联拥有业界最完整的专业物联产品系列，覆盖从传感器、控制器到云计算的各种应用。产品服务智能家居、交通物流、环境保护、公共安全、智能消防、工业监测、个人健康等各种领域。构建了“质量好、技术优、专业性强，成本低，满足客户需求”的综合优势，持续为客户提供有竞争力的产品和服务。3.4 目前仓储业应用的主要物联网技术物联网是“物物相连的互联网”，是通过各类传感装置、RFID技术、视频识别技术、红外感应、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，根据需要实现物品互联互通的网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的智能网络系统。物联网主要有三层架构：即：感知层、网络层和应用层，根据这一物联网架构，物联网主要有三大技术体系，一是感知技术体系；二是通信与网络技术体系；三是智能技术体系。（物联网的系统架构如下图）在智能仓储中，为了对仓储货物实现感知、定位、识别、计量、分拣、监控等，主要采用传感器、RFID、条码、激光、红外、蓝牙、语音及视频监控等感知技术。在以仓储为核心的物流中心信息系统中，常采用企业内部局域网直接相连的网络技术，并留有与互联网、无线网扩展的接口；在不方便布线的地方，一般采用无线局域网技术；现代仓储系统内部不仅物品复杂、形态各异和性能各异，而且作业流程复杂：既有存储、又有移动；既有分拣，也有组合。因此以仓储为核心的智能物流中心，常采用的智能技术有：自动控制技术、智能机器人堆码跺技术、智能信息管理技术、移动计算技术、数据挖掘技术等等；4. 系统实现的技术4.1 RFID技术4.1.1 RFID标签及读写器在智能仓储物联网中，针对仓储物品识别和信息采集处理两个模块的应用需求，建议采用西门子研发的适用于物流、仓储和配送的智能无线射频识别系统SIMATIC RFID 系统。该系统可以将数据直接存储到附在产品上的标签中，能够可靠、快速、经济地读写数据；而且MOBY 系列标签通信速率快、抗干扰性强，具有不同存储容量、不同环境耐受条件的移动存储单元，有不同的读/写距离和数据传输速率，根据具体应用需求可选择配合不同的接口模块使用，可以以不同的通信方式和业务控制系统进行通信。具体应用中可以在仓库入口和出口处各定点安装2-4 套SIMATIC RF 系列读写器，用于实现入/出库操作；在仓库内部再配置2-4 套移动读写器，用于仓储盘点和物品拣选。4.1.2 RFID中间件及数据过滤西门子SIMATIC RF-MANAGER 中间件为SIMATIC RF600 提供了一体化的软件解决方案，但并不适用于本系统物联网的物流仓储管理应用，因此需要设计一种针对系统实用的RFID 中间件。中间件的功能模块包括：RFID 读写器接口模块、逻辑读写器映射模块、RFID 数据过滤模块、设备管理模块、业务系统接口模块，如图5.1 所示。其中：RFID读写器接口用于中间件与RFID 读写器的数据通信，主要有获取RFID 数据以及下达设备管理模块的读写器指令；设备管理模块用于调整RFID 读写设备的工作状态，配置相应的接口参数等；逻辑读写器映射模块用于将多个物理读写器或者读写器的多条天线映射成为一个逻辑读写器。一个逻辑读写器代表了一个有具体含义的数据采集点，而不管该采集点在物理上由多少个读写器和天线组成。它屏蔽了数据采集点的具体实现方式，减少了数据过滤等上层模块与下层数据采集部分的软件耦合度。对于上层业务系统来说，可见的只有逻辑读写器，所以逻辑读写器映射模块对RFID 数据有初步过滤的功能。RFID读写器RFID读写器RFID读写器接口模块逻辑读写器映射模块RFID数据过滤模块设备管理模块业务系统接口模块业务系统数据库图4.1 RFID中间件设计RFID 采集的原始数据量非常大，在实际应用中，根据具体的配置不同，每台读写器每秒可以上报数个至数十个不等的电子标签数据，如重复多次扫描同一个电子标签，但其中只有少部分是对用户有意义的、非重复性的数据，这样大量的数据如果不经过去冗等处理而直接上传，将会给整个RFID 系统带来很大的负担。因此，系统采用数据采集事件编码的方法对RFID 采集的数据进行过滤处理。首先对电子标签状态的改变进行编码，定义标签出现的状态编码为0，标签状态消失的编码为1；然后加入计时器机制，对计时器有效时间内的同一标签的状态跳变进行忽略，从而在状态定义和时间维度两个方面对数据进行去重化。该方法能够很好地消除冗余数据，减少上层系统的负荷。4.2 传感器、微处理、通信芯片及协议在智能仓储物联网中，针对仓储物品监控模块的应用需求，采用Zigbee 无线传感器网络和有线网络相结合并与局域网、互联网相连的设计思路实现整个仓储车间的物品监控。Zigbee 技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等性质，适用于此类监控系统的设计。出于节能的考虑，仓储物品监控模块的数据采集应要求传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。主控单元建议采用Atmel 公司的Atmega16L 单片机。无线通信模块建议采用CC1000 芯片与微控器及一些外围无源元件一起构成。5. 智能仓库系统设计与实现5.1 总体设计5.1.1 网络架构针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，提出一种基于物联网的仓储管理系统设计方案。方案中的仓储管理物联网通过RFID 电子标签实现物品的自动识别和出入库，利用无线传感器网络对仓储车间进行实时监控，从而极大地提高了仓储管理的智能化水平。其系统物联网的总体结构如图6.1所示。物品物品无线射频识别系统上位机业务系统服务器本地数据库服务器Internet后台信息服务器标签标签图5.1 智能仓储物联网总体结构5.1.2 系统流程仓储管理系统的工作流程包括入库、出库、移库、盘点、拣选与分发等环节。系统采用国际上最先进的无线射频身份识别技术（RFID），为每件物品提供一个惟一标志码（EPC 代码），并在服务器中存储货物的相关属性信息，从而使系统能够自动识别物品，可以对物品进行跟踪和监控。另外，仓储车间还安装多个摄像头或视频传感器以及温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等构成无线传感器网络，并使其基本覆盖所有盲区，这样工作人员可以在监控中心随时了解仓储车间的情况，并及时处理。这样就在高效、准确、快捷的基础上，进一步提高了仓储管理的安全性。5.1.3 系统组成结合上述分析，智能仓储物联网主要由仓储物品识别、信息采集处理、仓储物品监控、后台信息服务器、本地数据库服务器、业务系统六大模块组成。在仓储物品识别模块，系统采用EPC 代码作为物品的惟一标志码，为每个物品贴上一个具有EPC 的RFID 标签。标签由存入EPC 的硅芯片和天线组成，附在被标志物品上，EPC 代码内含一串数字代表物品ID、类别、名称、供应商、生产日期、产地、入库时间、货架号等信息，信息存储在后台EPC-IS 服务器的数据库中。同时，随着物品在仓库内外的转移或变化，这些数据可以得到实时地更新。在信息采集处理模块，通过RFID 数据采集接口获取物品的详细信息从而进行处理。当物品通过仓储车间入口时，由设置在仓库入口的物品标签读写器读取物品的EPC 代码，然后根据物品的EPC 代码访问后台EPC-IS 服务器，获得物品的详细信息，并将相关信息保存到本地数据库，最后交由信息处理模块进行处理。仓储车间入口处可以安装多部读写器进行分类处理，还应为不可读标签提供手动编码区。在仓储物品监控模块，通过在仓储车间内外布置一系列的传感器，包括视频传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，使其基本覆盖所有盲区，自组织构成一个无线传感器网络，通过该网络与Internet 及业务系统互联，使工作人员可以在监控中心随时了解仓储车间内外的各类情况，以便及时处理。后台信息服务器用于存储物品的详细信息，如物品ID、类别、名称、入库时间等，并能实时地响应远程应用程序的请求，允许通过物品的EPC 码对物品信息进行查询。本地数据库服务器用于存储信息采集处理模块所获得的物品信息，以便在业务系统中查询和维护。仓储工作人员可以通过无线设备或Web 客户端随时随地查询物品的当前状态。业务系统的功能除了出入库管理外主要就是在库管理，在库管理包括在库物品保管、在库物品查询、在库物品盘点等作业。在库物品查询、在库物品盘点作业过程中均采用RFID 技术。5.1.4 系统总体技术架构根据智能仓储系统的具体业务需求和特点，本系统采用了C/S和B/S相混合的三层体系架构。系统总体技术架构分为：技术支持层、数据层和信息交互层三部分。架构以Windows XP为前台操作平台，技术支持层主要包括了RFID、JSP、GPS和防火墙、网关等；数据层主要以SQLServer2005数据库和Analysis Service数据仓库为后台服务平台。在整个系统的硬件基础建立在全球定位系统GPS、全球移动通信GSM和无线射频识别技术RFID之上。有效的将这些高科技技术融合，实现智能仓储的管理。其中RFID用于非接触识别货物信息。货物信息就能自动被识别，通过无线网络传递给后台系统，完成货物入库、出库和盘点的管理，大大提高了仓库吞吐量。同时，系统考虑了可扩展性，有效的与ERP、CRM等系统进行集成，如图6.2所示为系统总体技术架构。入库管理模块出库管理模块盘点管理模块HTTP/SOAP信息核对服务数据/文件访问引擎基础管理数据仓储管理数据RFIDGPSJSP安全管理数据结构CRMEDIERP图5.2 系统总体技术架构5.1.5 系统功能结构设计(1) 系统的功能模块设计基于RFID自动识别技术结合无线网络技术的现代化智能仓储管理系统有效的提高了企业物流管理的质量和效率，降低企业库存成本，提升企业市场竞争力。系统的系统功能模块具体如图6.3所示。基础信息管理主要包括客户管理、机构管理、人员管理和商品信息管理等；系统管理主要包括权限管理、参数设置等；库存管理主要包括入库通知单台账、送货凭证台账、入库单台账、装卸单台账、入库差异台账等；出库业务管理主要包括出库通知单台账，出库单台账，集货表台账，出库差异台账等；移库管理；库存盘点管理；库存分析管理。主要包括库存周转率分析和滞留商品报警等；接口管理，仓储管理系统与ERP系统的集成。本课题主要设计库存管理，盘点管理。出库管理入库管理移库管理库存分析管理库存管理智能仓储管理系统系统管理盘点管理基础信息管理产品查询产品盘点RFID终端批处理图5.3 系统的功能模块入库管理RFID识别产品入库信息传回数据库图5.4 入库管理模块出库管理调拨出库销售出库产品拣货单RFID识别信息传回数据库变更信息RFID识别信息传回数据库图5.5 出库管理模块移库管理出库入库RFID识别信息传回数据库库见移动库内移动图5.6 移库管理模块库存分析管理库存周转分析仓库利用分析滞留产品报警图5.7 库存分析管理模块(2) 系统的数据库设计基于RFID自动识别技术结合无线网络技术的现代化智能仓储管理系统的数据表设计是系统设计中最重要的一部分，内容相对比较复杂，本文选取部分作为分析说明。具体数据库表ER图如图2.7所示。如：产品信息管理中PROD-INFO表包括产品编码、产品名称、产品系列号、产品简称、规格型号、产品类别、货号、产品说明、产品成本价和产品售价等信息。人员信息管理中PERSON-INFO表中包括人员编码、人员姓名、岗位、口令、人员级别和所属部门等信息。FK1I2PERSON_INFOPKKIDI1FK1FK2PERSON_IDPERSON_NAMEPERSON_POSTPERSON_ORGANSTOCK_INFOPKI1IDSTOCK_IDSTOCK_NAMESTOCK_DISCRIPTSTOCK_DIRECTORPOST_INFOPKI1IDPOST_IDPOST_NAMEPOST_DISCRIPTCATEGORY_INFOPKFK1I1IDCATEGORY_IDCATEGORY_NAMECATEGORY_DIRECTORPROD_INFOPKFK2I1FK1IDPROD_IDPROD_NAMEPROD_TYPEPROD_PRICEPROD_DESCRIPTCUSTOMER_INFOPKFK1I1IDCUSTOMER_IDCUSTOMER_NAMEADDRESSPOSTNAMEORGANIZATIONPKI1IDORGAN_IDORGAN_NAMEORGAN_CLASSORGAN_DIRECTORIN_PLANPKI1FK1I2IDPROD_IDPROD_TIMEOUT_PLANPKI1FK1I2IDPROD_IDPROD_TIMESHIFT_PLANPKI1IDPROD_IDPROD_TIME图5.8 系统数据库ER图5.2 详细设计5.2.1 基于RFID技术的库存管理流程设计(1) 总体流程采购部门供应商财务部门采购部门采购部门客户仓库部门采购订单库存盘点基础数据管理拣货出库收货入库发货入库订单客户订单库存分析需求预测报告出入库分析图5.9 仓储管理整体业务流程图供应商接到采购部门发送来的订单后安排发货，经过一系列收验货程序，仓储部门安排入库，同时将入库单据发往财务部门。仓储部门需要定期盘点库存，将信息向财务部门报告。在销售过程中，销售部门将审核完毕的客户订单传往仓储部门，仓储部门根据订单安排货物出库配送。(2) 收货入库流程采购部门供应商采购部门RFID阅读器采购部门带有RFID阅读器的叉车采购部门财务部门RFID中间件信息核对货位安排订单发货发货通知单入库单入库确认收货指令货位安排图5.10 收货入库业务流程(1)仓储部门接收并核实供应商的发货通知单。(2)根据入库货物的类型和数量，仓储管理系统对该批货物的存储区域和存储位置进行分配。(3)仓库入口处RFID阅读器通过电子标签采集货物信息，并将信息与货单比对。(4)仓库管理系统发出货位安排及相关指令，检测出空闰叉车供装载使用。(5)叉车搬运货物，入库设备根据货住安排将货物上架。入库操作关键部分是读取标签信息：首先判断阅读器是否正常，如果正常则读取标签信息，读取标签信息正常时将阅读器读取代码等相关内容显示出来。简单的实现代码如下。private void getID()TagInfo t = new TagInfo;String strTagList;int i;booean bParseResult;if(Reader.IsConnected)strTagList=Reader.TagList;bParseResult=Reader.ParseTagList(strTagList，t);if(bParseResult)txtField0 = t0.tagID;elseJOptionPane.showMessageDialog(null,”No Tags”,”提示信息”,JOptionPane.ERROR_MESSAGE);elseJOptionPane.showMessageDialog(null,”not connected”,”提示信息”,JOptionPane.ERROR_MESSAGE);(3) 库存盘点流程财务部门库存管理系统移动式RFID阅读器RFID中间件带有RFID阅读器的堆垛机制定盘点计划实地盘点盘点清单盘点数据盘点数据更新数据图5.11 库存清点业务流程图(1)选择所要盘点的仓库及具体库区。(2)生成盘点清单和盘点表。(3)管理系统通过无线网络发送指令，堆垛机定位库区，接受系统指令控制阅读器读取数据。(4)阅读器将盘点数据传送到后台管理系统。(5)系统进行后期数据处理，核对统计仓库实际溢损数量。(4) 出库流程销售部门客户RFID中间件固定RFID阅读器财务部门库存管理系统出库口包装线自动分组系统客户叉车/堆垛机货位安排数据处理数据读取订单客户订单出库采集拣货取货结果拣货数据采集出库信息采集图5.12 出库业务流程图(1)仓储系统接收来自销售部门的客户订单及发货通知。(2)库存控制系统计算出出库数据并发出出库指令。(3)叉车或者堆垛机接到指令，到制定库位依次取货。(4)手持阅读器或固定阅读器将操作结果传送至库存管理系统。(5)分拣出的货物由分拣系统执行出库操作。(6)在货物运动过程中，安装在自动分拣系统上的RFID自动识别装置阅读RFID标签，识别货物隶属于哪个订单。(7)包装、封口、出库过程中，系统根据输入在仓库查找商品，自动查询对应的仓库号和库位ID，供工作人员进行出库操作安排。关键查找过程如下。public void loadPosList()ResultSet rs=statement.executeQuery(sql);while(rs.next)CombolPos.AddItem(rs.getString(“WarehouseName”);rsclose();private void addCombolPos()String sql=”select warehousePosID，WarehouseName from WarehouseTableWhere Status = GoodsID”;ResultSet rs=statement.executeQuery(sql);txtFields.Text=rs.getString(“WarehousePosID”);rsclose();5.2.2 系统的主要功能模块流程图(1) 货物贴标登记进入厂区加入标识位1开始结束RFID卡是否有效进入称重等待区磅上是否有货物自动开启1号道闸让货物上磅同时开启红外感应设备是否完全上磅自动关闭1号道闸，亮红灯，摄像机抓拍货物信息货物信息，称重信息等记录到RFID卡，加入标识位2完成称重，自动开启2号道闸，亮