基于RFID的中藥材物流倉儲智能化管理系統設計與應用

祝培源，張改梅，孫柏青，魯建東，劉輝，宋曉利，石佳子，林樂豪

基于RFID的中藥材物流倉儲智能化管理系統設計與應用

祝培源，張改梅*，孫柏青，魯建東，劉輝，宋曉利，石佳子，林樂豪

（北京印刷學院，北京 102600）

針對中藥材物流倉儲中的自動化程度低、效率低和數據不準確等問題，對其進行數字化和智能化管理，以提高效率和數據準確性。結合中藥材的流通環境，基于無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification, RFID）、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、物聯網技術和溫濕度檢測技術，設計并開發中藥材物流倉儲智能化管理系統，并提出一種改進基于碰撞位的漢明重數分組查詢樹算法（HCQT）。算法消除了空閑時隙，減少了碰撞時隙，使得中藥材RFID系統信息采集傳輸更高效。實現了中藥材在物流倉儲各環節的管理功能，以及溫濕度、物流倉儲數據的實時智能更新，并應用于環境實時監測。系統實現了對中藥材物流倉儲的自動化管理，提高了工作效率，在大量智能包裝的物流系統中具有良好的應用前景。

中藥材；包裝；無線射頻技術；物流倉儲；查詢樹算法

目前，我國中藥材多采用傳統的物流管理形式，其集中管理力度、可控管理力度較低[1]。在中藥材物流倉儲中對環境的溫濕度要求較高，溫濕度過高或過低都會影響藥物的有效性[2]。目前，國內缺乏專門針對中藥材包裝的物流倉儲管理體系，其物流倉儲管理現狀存在出入庫費時費力、精準度低、業務流程復雜、人力資源投入較大，以及溫濕度檢測還停留在人工記錄階段等問題[3]。如何實現中藥材物流倉儲信息化管理是提高中藥材物流倉儲效率的關鍵。文中通過研究中藥材在物流倉儲環節中的薄弱點，設計中藥材物流倉儲過程的追溯系統，綜合采用GPS[4]、RFID[5-8]、無線通信等技術，構建中藥材包裝物流倉儲信息追溯系統，以實現中藥材產品在物流、倉儲過程中信息的采集和追溯。

1 中藥材物流倉儲智能化管理系統設計

1.1 中藥材物流倉儲智能化管理系統總體架構

倉儲管理系統以RFID技術為基礎，以RFID標簽為信息載體，以手持閱讀器或固定式閱讀器為采集設備，完成倉儲管理工作[9]。整個流程包括出入庫管理、庫存管理、訂單管理、人員管理等。RFID的使用可以使倉庫管理更加科學，從而提高管理效率[10]。系統總體邏輯結構如圖1所示。整個系統架構主要包括基礎設施層、應用服務層、網關接口層和終端顯示層。基礎設施層主要提供保證系統正常運行的硬件資源。應用服務層提供業務通信、管理等功能，方便系統的部署和管理。網關接口層包含每個服務的入口邏輯，可以通過HTTP、Socket、Web service等訪問每個服務端。終端顯示層為不同的終端設備提供不同的顯示接口，方便用戶對系統進行操作和管理。

文中設計的系統由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統包括RFID系統、數據采集系統，RFID系統主要負責貨物的出入庫與運輸，數據采集系統結合各類傳感器（如溫濕度、氧氣等）對貨物的環境信息進行實時檢測。RFID系統的基本構成如圖2所示。軟件系統包括服務端管理系統和閱讀器系統。

1.2 硬件設備的選擇

為了確保系統快速、高效、穩定、不間斷地運行，采用超高頻RFID標簽作為實驗標簽，溫濕度傳感器采用DHT11模塊（溫度測量范圍為?20～+60 ℃，精度為±2 ℃；相對濕度測量范圍為5%～95%，精度為±5%）。GPS 采用 L76X GPS 模塊。DHT11是一款集成式溫濕度復合傳感器，工作電壓為3.3～5 V，測量范圍為0～50 ℃、0%～80%（相對濕度），它的溫度分辨率為1 ℃，相對濕度的分辨率為1%，精度分別為±2 ℃、±5%。

圖1 物流倉儲總體架構

圖2 RFID系統基本構成

2 中藥材物流倉儲智能化管理系統軟件設計

中藥材在運輸流通環節會面臨溫濕度等環境參數的變化[11]，基于中藥材物流環節，針對用戶開發不同的使用模塊，以實現用戶的有效管理和信息管理。

2.1 系統軟件的關鍵流通信息

中藥材的流通環節主要包括運輸環節、儲存環節、裝卸搬運環節、包裝流通加工環節等。每個鏈接的信息如圖3所示。在物聯網大數據技術的支持下，數據中心可以實時接收中藥材包裝的信息資源[12]，保證不同物流運輸的及時性。借助物聯網大數據技術，可以方便地獲取中藥材的倉儲信息，有利于倉庫管理人員的管理，能夠及時發現存在或發生的問題。

圖3 各環節信息展示

利用RFID技術，實現中藥倉儲的自動化信息管理，共享物流公司之間的信息資源，可以有效提高物流倉儲的效率[13]。利用信息追溯系統共享相關信息，更容易掌握中藥材加工包裝信息的關鍵點，了解貨物的特殊屬性，有效避免操作不當造成的安全問題。

2.2 系統各模塊功能

軟硬件模塊分為RFID模塊、信息采集和系統服務端模塊，每個模塊分別包含多個子功能模塊，如圖4所示。RFID模塊主要針對RFID手持閱讀器的中藥材基本信息、中藥材出庫入庫狀況和庫存管理情況進行管理。信息采集模塊通過各類傳感器采集中藥材所處的環境信息，為用戶提供中藥材從倉儲管理到運輸銷售到貨物目的地的全過程信息查詢和溯源，包括貨物出入庫情況、中轉信息、位置信息、溫濕度和GPS等信息。系統服務端只對管理員開放，管理員可通過系統對用戶信息、中藥材基本信息、訂單情況、人員信息和環境信息等進行查看、增、刪、改、查等操作。

圖4 系統功能結構

3 RFID防碰撞算法優化設計

RFID標簽無需人工逐個掃描，大大節省了人力、物力。由于在物流系統的智能包裝管理中會產生RFID多標簽碰撞現象，因此如何在避免碰撞的情況下準確、快速地讀取RFID標簽數據，是RFID應用在智能包裝系統中需要研究和解決的問題之一[14]。RFID防碰撞算法主要分為2類：基于ALOHA隨機算法，主要包括ALOHA分組自適應分配間隙（GAAS）[15]、動態幀時隙 ALOHA（DFSA）[16]等；基于樹的確定性算法，主要包括樹的基本查詢（QT）算法[17]、碰撞樹（CT）算法[18]等。基于ALOHA隨機算法的執行過程相對簡單、易于實現，但標簽存在“餓死”問題。雖然基于樹的確定性算法可以解決標簽“餓死”的問題，但存在識別周期長、標簽能耗高的問題[19]。

1.3 診斷標準 糖尿病的診斷符合 1999年世界衛生組織（World Health Organization，WHO）糖尿病診斷標準[5]，肝癌的診斷符合《原發性肝癌診療規范（2011年版）》[6]肝癌診斷標準。進入隊列的時間為完成基線調查的日期，出隊列時間為首次診斷肝癌日期、死亡日期或本次隨訪截止日期（2017年8月31 日）。

QT算法是一種無記憶算法，可以識別所有標簽，但會產生大量未占用空間和碰撞空間，導致識別效率低下。為了提高QT算法的性能，Zhang等[20]對正交樹進行了改進，提出了A4PQT（自適應正交剪枝查詢樹）算法，能有效減少空閑時間窗口，但不能避免空閑時間窗口。

為了避免空閑時間窗口，文中提出了基于碰撞位的漢明重數組查詢樹算法的改進（Collision Bit-Based Query Tree Algorithm for Grouping of Hamming Heavy Numbers，HCQT）算法。HCQT算法只關注以最高碰撞位為首的連續3個比特位上所產生的碰撞，根據碰撞位數選擇不同方法來確定準確的查詢前綴，可以實現無空閑間隙，減少了碰撞間隙。

3.1 算法分析與設計

由于標簽的碰撞概率與標簽數量成正比，因此通過對標簽進行分組，可以避免碰撞，并提高了識別率。在識別應答器前，讀寫器會發送1個空的輪詢序列，作為初始化輪詢命令傳輸的輪詢前綴，首先根據應答器編碼中1的數量將應答器分為0組和1組，即偶數組和奇數組。此時，在讀寫器工作范圍內所有的應答器都會做出響應，然后對碰撞位進行分組處理，存在以下4種情況。

1）只有1個標簽響應無碰撞，完成數據交換后，結束工作。

2）若有1位碰撞位，即該首位碰撞位后2位為非碰撞位，則閱讀器直接將第1個碰撞位設置為0和1，生成2個新的請求前綴，并將其存儲在堆棧中。如果讀取器收到的碰撞碼為10?11?0，則讀取器可以直接生成100、101這2個新的請求前綴。

3）如果有2個碰撞位，即第1個碰撞位之后的2個位中有1個是碰撞位。此時，讀寫器在下一個時隙發送用戶查詢命令，以確定標簽的碰撞情況，并返回準確反映標簽碰撞信息的4位映射數據。讀寫器收到標簽返回的關聯數據后，會準確識別出碰撞信息最高的2個標簽，然后確定下一個查詢命令。映射關系如表1所示。

表1 映射關系

Tab.1 Mapping relation

表2 對應的漢明權重

Tab.2 Correspondence of Hamming weights

3.2 算法流程

算法的具體流程如圖5所示。

1）初始化，查詢前綴堆棧，發送閱讀器請求指令，響應閱讀器作用范圍內的所有標簽。

2）符合當前查詢指令的標簽響應。

3）在閱讀器收到標簽反饋后的標簽信息中，如果只有1個標簽有信號反饋，則識別和屏蔽標簽，完成數據交換；如果標簽碰撞，則根據標簽編碼中1的數量為奇數或偶數分為2組，然后閱讀器根據碰撞位數分為以下3種情況：在碰撞位為1時，直接生成2個新的查詢前綴，轉到步驟4）；當碰撞位置為2時，閱讀器根據接收到的映射數據序列碼，確定新的查詢前綴，并將其轉移到步驟4）；當碰撞位置為3時，閱讀器按照漢明的權重原則對標簽進行分組，并根據不同組中的碰撞位特征推斷標簽的前綴組合，并將其轉移到步驟4）。

圖5 算法流程

4）將新的查詢前綴壓入堆棧。

5）按照從棧頂到棧底的順序，閱讀器將查詢指令發送到標簽，并返回步驟2）。

6）判斷棧是否空，如果棧不空，則返回步驟5）；若棧為空，則表示所有標簽均已識別，識別過程結束。

3.3 算法性能分析

將HCQT算法在識別過程中識別標簽所需的總間隙與QT算法、A4PQT算法、CT進行了比較，如圖6所示。將HCQT算法在識別過程中的吞吐率與QT算法、A4PQT算法、CT進行了比較，如圖7所示。性能分析和實驗模擬結果表明，HCQT算法在總間隙和吞吐率方面具有良好的性能，可以有效提高RFID在中藥物流倉儲智能管理系統中的性能。

圖6 總間隙對比

圖7 吞吐率對比

4 中藥材物流倉儲智能化管理系統的實現

4.1 RFID手持閱讀機功能

在物流倉庫中，將貼好標志的智能包裝產品通過RFID傳感器后，根據需要將商品放置于指定倉庫。根據產品的需要做好出庫管理工作，如果產品被放錯了地方，則通過自動改變倉庫地址，利用移動感手持閱讀器感應貨物數據，并發送到后臺系統改變庫存數據，進而完成快捷有效的移庫操作。倉儲人員需盤點庫存商品的數據，及時糾正錯誤，實現倉儲貨物的信息追溯，減少了人力、物力的消耗。RFID手持閱讀器的登錄與系統如圖8所示。

4.2 服務端部分功能界面

服務端頁面功能展示如圖9所示，管理員可在此進行賬號管理、客戶管理、商品管理、商品明細管理、訂單管理、RFID管理、貨架管理、硬件數據管理等。數據采集端可以實時采集環境中的溫濕度氧氣等數據，并回傳至前端，便于人員實時檢測，檢測系統硬件如圖10所示。

圖8 登錄與系統展示

圖9 服務端頁面

圖10 檢測系統硬件照片

系統接收到的溫濕度信息如圖11所示。系統可通過調整時間查看不同日期的溫濕度信息，實現溫濕度信息的追溯。

圖11 溫濕度檢測界面

4.3 系統功能應用

為了驗證系統的可行性，模擬櫻桃的倉儲環境，選擇多功能集成保鮮袋為包裝材料，對同一品種、同一批次的新鮮成熟櫻桃進行包裝，分別采用全封閉、半封閉、大氣環境等3種存儲方式，進行2組實驗，每種存儲方式選取8個櫻桃，共計48個櫻桃。數據采集端通過物聯網技術實時監測和記錄包裝環境的溫度、濕度和氧氣濃度（體積分數），并將數據上傳至服務器端，如圖12所示。測得氧氣濃度的對比如圖13所示。

圖12 模擬實驗

圖13 氧氣濃度對比

為了驗證中藥材物流倉儲智能化管理系統的硬件檢測結果的準確性，將測試結果與溫濕度計結果進行對比，見表3。結果基本一致，證明了系統的準確性。

表3 溫濕度測量值對比

Tab.3 Comparison between temperature and humidity values

5 結語

結合國內中藥材的運輸存儲情況，利用物聯網、RFID等技術設計并開發了中藥材物流倉儲智能化管理系統，實現了中藥材物流倉儲中各環節的功能，并結合溫濕度、氧氣等傳感器對環境信息進行實時監測，對比結果證明了系統的有效性。中藥材智能管理系統的使用，保證了物流倉儲管理的智能化，使得各個環節更加精準高效，將其應用于中藥材高附加值商品物流領域，提高了物流倉儲效率，加快了現代中藥材物流倉儲的信息化進程。

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Design and Application of RFID-based Intelligent Management System for Logistics and Warehousing of Chinese Medicinal Materials

ZHU Peiyuan, ZHANG Gaimei*, SUN Baiqing, LU Jiandong, LIU Hui, SONG Xiaoli, SHI Jiazi, LIN Lehao

(Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China)

The work aims to solve the problems of low automation, low efficiency and data inaccuracy in the logistics and warehousing of Chinese medicinal materials by conducting necessary digital and intelligent management, in order to improve efficiency and data accuracy. Combined with the circulation environment of Chinese medicinal materials and based on Radio Frequency Identification (RFID), Global Positioning System (GPS), Internet of Things (IoT) technology and temperature and humidity detection technology, an intelligent management system for logistics and warehousing of Chinese medicinal materials was designed and developed and an improved collision bit-based Hamming's heavy-count grouped query tree algorithm (HCQT) was proposed. The algorithm eliminated idle time slots and reduced collision time slots, which made the information collection and transmission of RFID system for Chinese medicinal materials more efficient. The management function of Chinese medicinal materials in all aspects of logistics and warehousing as well as temperature and humidity, data intelligent real-time update was realized and the algorithm was applied to real-time environmental monitoring. The system realizes the automated management of the logistics and warehousing of Chinese medicinal materials, improves the work efficiency, and has a good application prospect in a large number of intelligent packaging logistics system.

Chinese medicinal materials; packaging; RFID; logistics warehousing; query tree algorithm

TP311.1

A

1001-3563(2024)05-0212-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.026

2023-09-02

國家自然科學基金（51305038）；北京印刷學院科技項目（Ed201804, Eb201701）；國家新聞出版署智能綠色柔版印刷重點實驗室項目（ZBKT201810）