基于物联网的智能仓储管理系统

仓储管理至今依靠人力完成货物出入库时的信息登记和货物统计。该项工作不仅信息登记效率低, 统计速度慢, 而且人工成本高, 还容易导致统计出错。

2005年, ITU在信息社会世界峰会 (WSIS) 上发布了《ITU互联网报告2005:物联网》。物联网是通过RFID、GPS、摄像头、红外感应等传感设备, 按照事先制定的协议, 将自然界中的物品与互联网相连, 进行信息通信, 以实现智能化识别、定位、跟踪和监控等功能的一种网络[1,2]。其中, RFID是一种物品识别新技术[3]。该技术被应用于识别货物电子标签, 不仅可以采集货物信息, 而且实现了自动统计货物出入库时的数量, 还能够自动生成货物信息报表[4]。

基于物联网RFID技术[5]和现代仓储管理的需求, 本文设计了一种基于物联网的智能仓储管理系统。该系统大大提高货物出入库时信息登记的速度和准确性。

一般情况下, 物联网的3层体系结构为:感知层、网络层和应用层[6,7]。

感知层是物联网的实现基础。感知层中的感知技术和识别技术主要负责货物识别和信息采集等工作, 从而实现信息共享。

网络层是物联网的通信渠道。网络层中的2G网络、3G网络、4G网络和互联网是物联网信息传递和信息共享的通信基础, 通过互联互通功能, 实现信息传输。

应用层是物联网的价值体现。应用层主要负责与各行业领域中的专业技术互为融合, 实现智能化管理[8]。

物联网是集RFID技术、传感技术、嵌入式系统技术等于一身的物物相连的互联网, 其核心技术之一就是RFID技术[9]。

RFID技术利用RFID阅读器和RFID电子标签之间的无线电信号实现双向数据通信, 进而实现目标识别和信息采集。另外, RFID技术不仅可以识别静态物体, 还可以识别运动物体, 甚至可以同一时间识别多个物体。

根据实现的方式不同, RFID可分为有源RFID和无源RFID。无源RFID的电子标签不需要携带电池, 其能量需要从阅读器发出的电磁场中获得, 进而实现目标识别, 携带方便。有源RFID[10]的电子标签本身携带电池, 可主动发出无线电信号, 成本较高, 同时携带不方便。因此, 基于无源RFID的优点, 本文设计了一种新的智能化仓储管理系统。

通常情况下, RFID系统[11]组成分为:电子标签、阅读器 (包含天线) 、计算机系统3部分。

电子标签具有唯一的产品电子码, 并具有通信速率快、信息容量大、可重复使用、安全保密性高、抗干扰性强等特点。当电子标签进入阅读器天线发射的磁场后, 电子标签凭借感应电流获取能量, 从而使电子标签向阅读器发出自身存储的信息。

天线主要负责实现阅读器与电子标签之间的信息交互。阅读器向电子标签发射射频信号, 同时电子标签向阅读器发送信息。

阅读器主要负责识别或采集信息, 并负责解码。同时, 阅读器可以将多个物理天线映射成为1个逻辑天线, 1个逻辑天线代表了1个数据采集点与电子标签进行数据通信的工作范围。

计算机系统主要负责将信息上传至中心服务器进行信息处理。同时, 计算机系统负责调整阅读器的工作状态, 配置相应的接口参数, 以及下达设备管理指令等。

另外, 计算机系统可以将多台阅读器映射成为1台逻辑阅读器, 1台逻辑读写器代表了1个数据采集点。

本文基于物联网设计一种新的智能化仓储管理系统。通过物联网的技术手段, 实现智能化库储管理的目标。

该系统通过RFID电子标签实现出入库货物的自动识别和出入库货物的信息登记, 同时通过无线传感器网络对仓储货物进行库存盘点, 进而提高了货物出入库管理的智能化水平。其中, 系统网络架构[12]如图1所示。

基于物联网的智能仓储管理系统功能主要分为:货物操作、报表和信息查询三大功能模块。其中, 系统功能结构如图2所示。

a) 入库操作模块。该模块主要负责入库货物的信息采集以及对货物数量的清点, 然后将相关信息和货物数量上传至中心服务器。同时, 中心服务器根据上传的货物信息和货物数量进行相应库存货物数量的增加处理。

b) 出库操作模块。该模块主要负责出库货物的信息采集, 以及对货物数量的清点, 然后将相关信息和货物数量上传至中心服务器。同时, 中心服务器根据上传的货物信息和货物数量进行相应库存货物数量的减少处理。

c) 库存盘点操作模块。该模块主要负责库存货物的信息采集, 以及对库存货物数量的清点, 然后将相关信息和货物数量上传至中心服务器。同时, 中心服务器根据上传的货物信息和货物数量与货物入库数量和货物出库数量之差进行比对处理。

d) 入库报表模块。该模块根据入库模块实现时提供的入库货物信息和入库货物数量生成相应的报表。

e) 出库报表模块。该模块根据出库模块实现时提供的出库货物信息和出库货物数量生成相应的报表。

f) 库存报表模块。该模块根据库存盘点模块实现时提供的库存盘点货物信息和库存盘点货物数量生成相应的报表。

g) 货物信息查询模块。中心服务器用于存储货物的详细信息, 如货物ID、类别、名称、入库时间、出库时间、库存数量、供货商等, 并能实时地响应远程应用程序的请求, 允许通过货物ID或名称等关键字对货物信息进行查询。

h) 入库数量查询模块。中心服务器用于存储入库货物信息和入库货物数量, 如货物ID、类别、名称、入库时间、入库数量等, 并能实时地响应远程应用程序的请求, 允许通过货物ID或名称等关键字对入库货物数量进行查询。

i) 出库数量查询模块。中心服务器用于存储出库货物信息和出库货物数量, 如货物ID、类别、名称、出库时间、出库数量等, 并能实时地响应远程应用程序的请求, 允许通过货物ID或名称等关键字对出库货物数量进行查询。

j) 库存数量查询模块。中心服务器用于存储库存货物信息和库存货物数量, 如货物ID、类别、名称、库存数量等, 并能实时地响应远程应用程序的请求, 允许通过货物ID或名称等关键字对库存货物数量进行查询。

该系统采用物联网RFID技术将电子标签存储的信息, 自动采集到中心服务器, 实现货物数量的智能统计, 进而通过互联网实现信息共享, 实现智能仓储管理。

该系统采用RFID技术和无线传感器网络实现货物识别。RFID天线发出一定频率的电信号后会产生一定范围的磁场, 当电子标签进入磁场范围内会获得能量, 并通过无线传感器网络向阅读器发送自身的编码等信息, 完成货物识别过程。

另外, 阅读器读取电子标签自身编码等信息, 解码后通过互联网上传至中心服务器处理, 从而完成货物数量统计。

该系统根据具体应用情况, 可以在仓库检验门配备1台或多台阅读器采集货物信息。但是信息采集时, 系统容易重复采集信息, 导致数据冗余。

因此, 应采用算法1去冗。该算法不仅可以避免重复数据, 还可以减少系统服务器的负荷。

第1步:阅读器通过天线产生的磁场识别电子标签, 并向电子标签发送争用指令。

第2步:电子标签收到指令后, 会自动激活, 同时电子标签启用同步时钟参数和信道争用周期参数。

第3步:根据已启用的同步时钟参数和信道争用周期参数, 电子标签确定发送时隙的位置。

第4步:电子标签在信道争用周期内向已确认的发送时隙位置填充数据。

第5步:电子标签按照序列号顺序发送数据。

第6步:电子标签向阅读器发送相关信息。

第7步:阅读器向电子标签发送休眠指令, 停止发送重复数据。

该系统基于互联网环境, 采用B/S模式开发。同时, 本系统可以实现货物入库、货物出库、货物盘点、统计报表、货物查询等业务功能。从而使基于物联网技术的仓储管理系统实现了货物出入库的智能化统计和信息采集。其中, 系统业务工作流程如图3所示。

a) 入库前, 供应商在发货到仓库前负责在货物上粘贴电子标签。本系统采用EPC代码作为货物的惟一标志码, 并在中心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货物, 同时可以对货物进行分类统计。

b) 入库时, 仓库管理人员首先根据仓库货物入库计划, 将入库货物清单导入到系统阅读器, 再由安装在仓库验货门上的阅读器天线对供应商粘贴的入库货物的电子标签发射频率信号, 然后通过阅读器采集货物信息, 并对货物数量进行清点, 同时完成扫描入库, 核对数据。最后将采集到的货物信息上传至中心服务器进行相应货物增加处理。

c) 库存盘点时, 仓库管理员通过手持RFID在仓库内可以定期对库存货物进行盘点。盘点结束后, 仓库管理员将盘点的货物信息上传至中心服务器, 以便维护和更新数据库。同时, 仓储管理员可以随时随地查询库存货物的当前状态及相关信息。

d) 出库时, 仓库管理人员首先根据仓库货物出库计划, 将出库货物清单导入到系统阅读器, 再由安装在仓库验货门上的阅读器天线对仓库中出库货物的电子标签发射频率信号, 然后通过阅读器采集货物信息, 从数据库中调取入库时记录的信息进行校验, 校验结果正确, 正常出库, 校验结果不正确, 报警提示。最后将采集到的货物信息上传至中心服务器进行货物减少处理。

该系统基于物联网技术实现了出入库货物批量自动识别和统计, 大大提高了货物信息采集和统计效率, 降低了货物管理人员的劳动强度, 同时实现了仓储智能化管理, 保证了货物快捷出入、高效盘点, 降低了出错率。但是, 由于该系统要求所有的货物必须贴上具有一定成本的电子标签, 因此如何降低系统成本, 还需要进一步深入研究。