基于RFID的物聯網倉儲實驗系統設計

周 艷 (武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

基于RFID的物聯網倉儲實驗系統設計

周 艷 (武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

以RFID技術和物聯網為基礎，構建基于RFID的物聯網倉儲實驗系統，對其實驗功能需求和設計方案進行了分析。該系統應在完成原有驗證性實驗的基礎上，開設更多的綜合性和設計性實驗。同時，開設物聯網和工業工程交叉領域的綜合性和設計性實驗。綜合考慮物聯網和RFID技術的特點，將系統設計為包括感知層、控制層和應用層的3層體系機構。在此基礎上，探討了系統的硬件設備和軟件平臺。最后，提出了該實驗系統的教學實驗內容，對培養從事工業工程領域的系統設計、分析及應用研究方面的高等工程技術人才具有重要作用。

射頻識別(RFID)；物聯網；倉儲；實驗系統

“物聯網”(Internet of Things)是指將各種信息傳感設備及系統，如傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、全球定位系統和其他基于物一物通信模式(M2M)的短距無線自組織網絡，通過各種接入網與互聯網結合起來而形成的一個巨大智能網絡，可以實現人與物體的溝通和對話，也可以實現物體與物體互相間的連接和交互[1]。物聯網中不僅要做到“物物相連”，還要做到能夠對物料進行識別、定位、追蹤和管理，而RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術就是能夠讓物體“開口說話”的技術[2]。由于其方便快捷，能夠快速存儲和讀取更多數據，安全性好以及實時動態通信等優點，是物聯網中規?；R別技術的不二選擇。

作為新一輪的信息技術革命，物聯網成為國家經濟技術發展的戰略支柱之一。因此，作為物聯網根本要素的人才培養尤為重要。高校實驗教學是高等教育的一個重要組成部分，它的質量高低直接影響著教學質量與科研質量。高校要想擔當起新形勢下物聯網人才的培養，構建一個集成度高、開放性好、系統功能完善、先進的、模塊化的物聯網實驗系統迫在眉睫。下面，筆者結合現代物流技術的發展和工業工程專業特點，以RFID和物聯網為基礎，提出了基于RFID的物聯網倉儲實驗系統設計。

1 系統的實驗功能要求和設計方案

1.1系統的實驗功能要求

實驗室原有設備主要包括自動化倉儲設備、揀選倉庫和搬運設備(搬運機器人和AGV)等，可完成工業工程導論、物流工程、生產計劃與控制等工業工程專業課程的部分驗證性實驗，綜合性和設計性實驗幾乎沒有。近幾年來物聯網技術的發展迅猛，已成為物流技術和生產管理的研究熱點，目前關于該方面的實驗設備還沒有，更無法進行該方面研究型實驗，不利于本科生畢業設計和研究生實驗環節的開展。

圖1 系統的設計方案

基于上述原因，筆者在原實驗室自動化倉儲系統的基礎上進行改進和完善，構建基于RFID的物聯網倉儲實驗系統。在完成原有驗證性實驗的基礎上，開設更多的綜合性和設計性實驗。同時，開設物聯網和工業工程交叉領域的綜合性和設計性實驗。通過模擬典型的物流配送過程，配合專業倉儲管理軟件，直觀地展示了現代工業控制中的各項基本技術的結合與應用，為學生創造了一個較先進的實物教學環境，使學生熟悉和掌握物聯網的構成、實現方法及實際應用，以提高教學效果。系統應實現的實驗功能如下：①RFID的應用；②數據庫連接及編程；③倉儲軟件的設計開發；④物流工程技術的綜合應用；⑤生產計劃與控制的綜合應用；⑥數據整合及分析；⑦數據庫維護及系統擴展接口。

1.2系統的設計方案

基于RFID的物聯網倉儲實驗系統將RFID技術應用在自動化立體倉庫和揀選倉庫等設備中，用于物料的入庫、存儲、分揀以及出庫自動化識別管理，實現對物料的信息采集、入庫存儲、定期盤點、分揀出庫等功能。綜合考慮物聯網和RFID技術的特點，將該系統設計為包括感知層、控制層和應用層的3層體系機構。同時，充分考慮系統的開放性和可擴展性，使之可以和眾多設備和軟件進行系統集成，系統設計方案如圖1所示。

圖1中，感知層由射頻識別系統和無線網關節點組成，負責對物料的環境參數、品質特征等信息進行采集，通過無線網絡發送給控制層。系統的控制層由服務器和數據庫構成，是連接感知層和應用層的紐帶。從網關節點獲取的大量原始數據經處理后存儲到數據庫中， 應用服務器根據實驗者的不同需求完成相應信息的適配，并根據實驗者的設置觸發相關的通知信息；同時完成控制指令的生成和下發。系統的應用層即為服務層，提供公共信息服務以及系統服務，包括手持終端和客戶端管理軟件等[3]。

2 系統的硬件設備

圖2 系統的控制結構

根據自動化倉儲中心流程，在每個托盤上固定安裝一張電子標簽，將托盤上的物料信息與電子標簽捆綁輸入數據庫。在立庫的入口處和出口處安裝識別系統，托盤上電子標簽所攜帶的相關信息被捕獲，并傳輸到服務器系統，由系統根據貨位信息安排入庫位置。當貼有標簽的目標通過設定的信號采集點時，標簽立即發射出具有代表身份特征的射頻信號，經系統接收、中間件處理并發送到服務器系統，并發出一系列指令到客戶端，實現對物料的信息采集、入庫存儲、定期盤點、分揀出庫等功能。系統的控制結構圖如圖2所示。

基于RFID的物聯網倉儲實驗系統主要由安裝在配送中心流程各環節的EPC射頻識別系統、手持終端、耳機、控制用計算機和無線路由器等硬件設備組成。

2.1EPC射頻識別系統

EPC射頻識別系統主要由電子標簽，讀寫器和計算機系統組成。EPC射頻識別系統實現EPC代碼的自動采集，經由相應的傳輸網絡，可以實現信息管理、信息流通等功能[3]。

1)電子標簽 電子標簽采用EPC編碼技術,物聯網中編碼要做到“一物一碼”， 不僅能實現對每一個物料的管理，而且還能實現對物料的實時追蹤，同時還具有物體的具體分類和屬性信息，實現分類查詢、統計應用等。該系統主要在托盤上貼上電子標簽，將托盤上的物料信息與電子標簽綁定。電子標簽選用VT-85，使用EPC Class1 Gen2協議，滿足系統的功能要求。

2)讀寫器 讀寫器主要用于讀/寫電子標簽上的信息，當電子標簽進入讀寫器的有效讀取范圍時，讀寫器的天線就會產生感應電流，使電子標簽獲得能量被激活并向讀寫器發送出自身編碼等信息，讀寫器接收到來自電子標簽的載波信號，對接收的信號進行解調和解碼后送至計算機主機進行處理。該系統在倉庫出入線增加RFID讀寫器，進行設備安裝，通過無線通訊方式與系統PC機進行通訊。筆者選用VI-85D讀寫器，可根據需要在902～928MHz范圍內定制頻率。

3)計算機系統 計算機主要對讀寫器發送的信號進行處理。

2.2手持終端

手持終端具有無線連接、語音播放、RFID讀寫器等功能。物流配送過程中，手持終端上的RFID讀寫器能夠識別物料的電子標簽，系統通過無線網絡發送語音數據流給手持終端并在實驗者的頭戴式耳機上播放相關信息[4]。該系統采用VH-70手持終端，其操作系統為Windows CE 5.0 操作系統，微處理器為SAMNSUNG 400MHz CPU，滿足系統對手持終端的要求。

3 系統的軟件平臺

基于RFID的物聯網倉儲實驗系統的軟件平臺為自主研發的倉庫管理信息系統(WMS)，主要控制流程各環節的動作，完成收貨入庫管理、盤點調撥管理、揀貨出庫管理以及整個系統的數據備份、數據查詢、數據統計、報表生成、報表管理。WMS系統重點對數據庫，RFID通訊以及倉儲邏輯控制、存儲控制等部分進行開發?？紤]實驗需要，軟件平臺開放源代碼供學生進行二次開發。WMS包含3個模塊：身份識別模塊、自動倉儲管理模塊和輔助揀選管理模塊。

3.1身份識別模塊

身份識別模塊是建立在校園網共享平臺的基礎上，利用校園網的智能“一卡通”進行身份的識別，該功能只需實驗室配置相應的設備即可。實驗室內通過安裝“一卡通”讀卡器，感知身份信息，同時將身份信息發送到系統數據庫進行身份驗證。無“一卡通”將無法進入實驗室，強行進入會進行報警。

3.2自動倉儲管理模塊

自動倉儲管理模塊可以實現基本信息設置、倉庫管理、出庫管理、入庫管理、移庫管理、動態盤點、質量管理、生產管理接口、查詢打印、統計分析等功能。其中生產管理接口設計了與生產環節的接口，支持生產出入庫，也可單獨附加一定的生產數據采集功能，實現“WMS+簡單加工”的業務模式。

3.3輔助揀選管理模塊

輔助揀貨管理模塊可以載入客戶ERP或WMS系統中的訂貨單并轉換成揀貨單，并將需揀之內容自動在貨架上顯示出來。在完成某訂單的揀貨工作后，電子輔助揀貨系統會將現場的揀貨信息送至客戶的ERP或WMS系統中。輔助揀選管理模塊包括摘取式分揀流程和播種式分揀流程。摘取式分揀流程能夠實現揀貨資料的即時監控、硬件自我檢測、標簽的對應維護、緊急插單、缺貨通知、查詢作業與報表作業等功能。播種式分揀流程在摘取式分揀流程的基礎上，增加了批次分割處理功能、缺貨處理功能和回收作業模式。

4 結 語

構建基于RFID的物聯網倉儲實驗系統，在擴展實驗內容的基礎上，還可以充分發掘實驗深度，開設RFID開發包的應用實驗、RFID讀寫通訊與人機界面程序開發、物流跟蹤系統軟件開發、物流數據庫開發和信息數據采集與集中控制等設計性和綜合性實驗。同時，該系統還能較好地滿足課程設計、創新設計和科研活動的需要，對培養從事工業工程領域的系統設計、分析及應用研究方面的高等工程技術人才具有重要作用。

[1]劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010，37(6):1-4,10.

[2]張捍東，朱林.物聯網中的RFID技術及物聯網的構建[J].計算機技術與發展，2011，21(5):56-59.

[3]季德雨，田豐，王傳云.融合WSN和RFID的智能人庫管理系統設計[J].沈陽航空航天大學學報，2011，28(2):59-62.

[4]李章林，盧桂章，鞠浩，等.基于RFID的廣義物流中的移動智能終端設計[J].自動化與儀表，2007，22(1):1-4,9.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.040

TP273

A

1673-1409(2012)08-N121-03

2012-05-26

周艷(1983-)，女，2005年大學畢業，碩士，助理工程師，現主要從事工業工程方面的實驗教學與研究工作。

[編輯] 洪云飛