基于RFID的智能仓储管理系统

物联网系统综合设计报告物联网系统综合设计报告 题题 目目 智能仓储系统的设计与实现智能仓储系统的设计与实现 考生姓名 郭守昊郭守昊 考 号 048614206001 单 位常州纺织服装职业技术学院常州纺织服装职业技术学院 专 业 物联网工程 二一六年三月一日二一六年三月一日 目 录 1 绪论.1 1.1 WMS 国内外研究及发展动态分析.2 1.1.1 国外研究动态.2 1.1.2 国内发展动态.2 1.2 WMS 的发展趋势.3 2 系统总体设计.4 2.1 网络架构.4 2.2 系统流程.4 2.3 系统组成.4 3 系统详细设计.5 3.1 基于 RFID 技术的库存管理流程设计.5 3.1.1 总体流程.5 3.1.2 收货入库流程.6 3.1.3 库存盘点流程.7 3.1.4 出库流程.8 4 系统的实现.10 4.1 RFID 标签及读写器.10 4.2 RFID 中间件及数据过滤.10 4.3 传感器、微处理器、通信芯片及协议.11 5 总结与思考.11 参考文献：.12 1 绪论 智能仓储是物流过程中的一个环节，确保货物仓库管理各个环节数据输入的速度和准确 性，也可以保证企业能够及时的掌握库存的真实数据。通过科学的编码，对库存货物的批次、 保质期等信息进行管理。 建立一个智能仓储系统需要物联网的鼎力支持，现代仓储系统内部不仅物品复杂、形态 各异、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。 目前仓储业智能终端技术有机器人技术、RF手持终端、语音提示终端、视频监控终端、 无人搬运车等技术。借助这些技术，实现了物品的自动搬运、机器人自动堆码跺、物品自动 识别、智能辅助人工拣选等作业。在智能仓储管控系统中，物联网技术与WMS技术相结合， 实现了仓储也智能化与自动化。能够实现对物流过程智能控制与管理的还不多，物联网及物 流信息化还仅仅停留在对物品自动识别、自动感知、自动定位、过程追溯、在线追踪、在线 调度等一般的应用 1.1 WMS 国内外研究及发展动态分析 仓储管理是指通过仓库对商品进行储存和保管。仓储管理系统是仓储管理信息化的具体形 式，是一个实时的计算机软件系统。它能够按照运作的业务规则和运算法则，对信息、资源、 行为、存货和分销运作进行更完美地管理，使其最大化满足有效产出和精确性的要求。仓储 管理系统是企业物流系统中不可缺少的子系统。物流系统的整体目标是以最低成本提供令客 户满意的服务，而仓储管理系统在其中发挥着重要作用。 1.1.1 国外研究动态 国外的WMS软件处于领先地位的是美国SAP公司的ERP软件，该ERP软件提供分布式仓储及 库存控制模块，在制造业企业中得到广泛应用。1此外专家系统在网络化分布式仓储管理 及库存控制领域也有广泛应用，如美国空军物流部门研发了针对仓储管理和库存控制问题的 专家系统“存货管理辅助系统”，用于存货计划的专家系统IVAN，收集和扫描零售数据 误差的专家系统Infoscan等。此外，IBM推出的在SOA的基础上WMS也比较典型，其基本结构、 标准模块和数据交换接口标准等方面的研究正在深入。20世纪90年代以来，国外开始结合现 代制造技术例如FMS、CIMS、RF、ERP、SCM和现代管理技术JIT等进行备件搬运和平面布置的 研究，对仓储管理系统的研究也扩大到产品订货到销售的整个过程。至今，已经有很多基于 XML、物联网技术、ARM、立体仓库等类型的WMS软件问世。 1.1.2 国内发展动态 国外的WMS软件处于领先地位的是美国SAP公司的ERP软件，该ERP软件提供分布式仓储 及库存控制模块，在制造业企业中得到广泛应用。此外专家系统在网络化分布式仓储管理及 库存控制领域也有广泛应用，如美国空军物流部门研发了针对仓储管理和库存控制问题的专 家系统“存货管理辅助系统”，用于存货计划的专家系统IVAN，收集和扫描零售数据误 差的专家系统Infoscan等。此外，IBM推出的在SOA的基础上WMS也比较典型，其基本结构、 标准模块和数据交换接口标准等方面的研究正在深入。20世纪90年代以来，国外开始结合现 代制造技术例如FMS、CIMS、RF、ERP、SCM和现代管理技术JIT等进行备件搬运和平面布置的 研究，对仓储管理系统的研究也扩大到产品订货到销售的整个过程。至今，已经有很多基于 XML、物联网技术、ARM、立体仓库等类型的WMS软件问世。 我国的WMS研究在起步上比较晚，技术上相对落后。在应用系统方面，主要有昆船自 动化工程公司的TIMMS2.0软件，该软件提供从自动化立体仓库(ASRS)到人工仓库多管理模 式，具有规范和统一的物流控制接口，并已跟Hair公司的ERP软件相结合，现有按订单收货、 转储、成品B2B发货等功能；重庆奥林电子技术有限公司研制开发WMS2.0软件，支持IC卡 条形码读入等多种控制接口，具有配送管理功能；汇驿EVIN WAREHOUSE软件，它面向第三方 物流企业现代仓储管理的设计，能接收来自仓储管理设备如手持终端(RF)、无线射口与大型 ERP系统如SAP进行数据交换。我国市场上WMS的应用呈现出二元结构：以跨国公司或国内少 数先进企业为代表的高端市场，其应用WMS的比例较高，采用的系统也集中在国外基本成熟 的主流品牌；以国内企业为代表的中低端市场，主要应用国内开发的WMS产品。我国物流需 求还不是很成熟，仓储管理相对落后，目前在市场占有主流的仍然是传统的WMS。而传统的 WMS在过程设计方面，还不能实现统一配置企业内部资源。 从应用角度而言，国内企业WMS 应用系统主要分为以下几类：第一类是基于典型的配送中心业务的应用系统，该类系统多用 于制造业或分销业的供应链管理中。如北京医药股份有限公司的现代物流中心就是这样的一 个典型。在销售物流和供应物流中也存在典型的应用系统，如连锁超市的配送中心，生产企 业的零配件配送中心等。 第二类是以仓储作业技术的整合为主要目标的系统，解决各种自 动化设备的信息系统之间整合与优化的问题。如武钢第二热轧厂的生产物流信息系统即属于 此类。此类系统涉及的流程相对规范、专业化，多出现在大型ERP系统之中，成为一个重要 组成部分。 第三类是以仓储业的经营决策为重点的应用系统，其鲜明的特点是具有非常灵 活的计费系统、准确及时的核算系统和功能完善的客户管理系统，为仓储业经营提供决策支 持信息。华润物流有限公司的润发仓库管理系统就是这样的一个案例。此类系统多用于一些 提供公共仓仓储服务的企业中，其流程管理、仓储作业的技术共性多、特性少，所以要求不 高，适合对多数客户提供通用的服务。 1.2 WMS 的发展趋势 随着信息技术的不断发展，制造企业对库存的要求越来越高，对仓储管理系统的要求也 十分复杂，不仅希望能够达到对生产过程的实时控制，实现计算机分与网络化管理，而且仓 储管理系统还需要能够同时处理上千份订单并随时应付紧急订单；同时还要把社会的库存设 施、各相关供应商、零售商、批发商、制造商甚至客户的库存管理设施整合起来实行企业库 存管理的优化，即在供应链管理的体制下实行库存管理。 因此WMS趋向于仓储管理电子化、 管理信息化、生产即时化，故与物联网结合的物流设备RFID加上商品的条形码可能是未来一 个时期在WMS中探索应用推广的一条实用之路；与此同时，配送需求的专业化市场细分化正 在深入，要求WMS更加支持JIT配送的专业化，将生产企业的库存转移给其上游（供应商）或 下游（零售商），以期实现生产企业的“零库存”；而WMS中库存管理模块则将成为一个越 来越重要的组成部分，它促进了WMS的建模理论和方法的研究，以及优化方法和算法的研究， 库存管理与控制是现代企业生产动作中的一个核心问题。 2 系统总体设计 对系统的总体设计，首先要有网络框架，系统流程和系统组成。 2.1 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1所示。 图1 智能仓储物联网总体结构 2.2 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。 2.3 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。 3 系统详细设计 3.1 基于 RFID 技术的库存管理流程设计 汽车将物料送至仓库门口，一般情况下，贷架上摆放多件箱体，每个货架和箱体都应该 有自己的RFID标签(实际上现在很多低附加值的物品并没能完全做到，部分也是因为客广隐 私的原因)。RFID阅读器则放置在仓库大门、传送带、堆放点和叉车臂上。通过阅读器读取 到的标签信息，货架和架上箱体(container)在供应链上活动的一系列信息都可以被跟踪采 集到。 3.1.1 总体流程 现代库存营理的主要业务流程是基础资料管理、收货入库管理、库存盘点管理和拣货出 库管理，系统流程图如图2所示。 图2 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。 3.1.2 收货入库流程 收货入库流程如图 3 所示： 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; else JOptionPane.showMessageDialog(null,”No Tags”,”提示信息”, JOptionPane.ERROR_MESSAGE); else JOptionPane.showMessageDialog(null,”not connected”,”提示信 息”, JOptionPane.ERROR_MESSAGE); 图 3 收货入库业务流程图 3.1.3 库存盘点流程 库存盘点是指对现有库存进行清点，并将实际库存状况与账面统计予以比对，业务流程 如图4所示： 图 4 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。 3.1.4 出库流程 出库流程主要根据货物出库单信息，对所需货物进行分拣处理，并进行出库管理，业务 流程如图5所示。 图 5 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 warehousePosIDWarehouseName from WarehouseTable Where Status = GoodsID”; ResultSet rs=statement.executeQuery(sql); txtFields.Text=rs.getString(“WarehousePosID”); rsclose(); 4 系统的实现 4.1 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。 4.2 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6 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。 图 6 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。 4.3 传感器、微处理器、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 总结与思考 智能仓储物联网解决了传统仓储管理过程中物流信息处理效率低以及出入库盘点不准确 等问题，系统在出入库、监控、盘点、拣货等方面具有快速、便捷、准确、高效及高度自动 化等优点。在现代物流领域，物联网已经体现出其积极的促进作用。通过该系统的分析与实 现，形成一种利用物联网进行物流仓储管理的新型实用的设计方法。可以结合本文的部分基 础理论知识和具体系统架构方法进行深入研究和探讨，在切实理解物联网原理和技术特点的 基础上，进一步促进其在诸多领域的更广应用和更大发展。 随着物联网技术的不断发展和 应用系统的推广普及，未来物联网技术在性能等各个方面都会有较大的提高。展望未来，物 联网技术的发展将呈现如下趋势： 1)标签产品多样化。未来用户个性化需求较强，单一产品不能适应未来发展和市场需 求。芯片频率、容量、天线、封装材料等组合形成产品系列化，与其他高科技融合，如与传 感器、GPS、生物识别结合将由单一识别向多功能识别发展。 2) 系统网络化。当RFID系统应用普及到一定程度时，每件产品通过电子标签赋予身份 标识，与互联网、电子商务结合将是必然趋势，也必将改变人们传统的生活、工作和学习方 式。 3) 系统的兼容性更好。随着标准的统一，系统的兼容性将会得到更好的发挥。产品替 代性更强。 4) 与其他产业融合。与其他IT产业一样，当标准和关键技术解决和突破之后，与其他 产业如3C、3G网等融合将形成更大的产业集群，并得到更加广泛的应用，实现跨地区、跨行 业应用。 但是物联网RFID目前标准亟待统一，包括空中接口规范、物理特性、读写器协议、 编码体系、测试规范、应用规范、数据管理、信息安全等。由于产业界对于RFID的应用前景 大都持乐观的期待，最理想的情况是借由标准的制定与技术的突破，加速降低成本，提升技 术成熟度，满足各种应用环境的需求。 参考文献参考文献： 1 SONG H SH,WANG G Q.The high performance car license plate recognition system and its core techniquesC.Proceedings of IEEE International Conference on Vehicular 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