基于物聯網的智能化物流倉儲管理系統設計方案

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，目前多個國家都在花巨資進行深入研究。物聯網是由多項信息技術融合而成的新型技術體系。隨著物聯網的提出與發展，"物聯網促進物流智能化"已被廣泛關注。"基于物聯網的智能物流"包含三個基本要點：一是如何部署更加廣泛、及時、準確的信息采集技術；二是如何把這些信息實現互聯互通，既滿足專用的要求，也能實現方便的開放和共享；三是信息如何管理、加工、應用，解決各種現實問題，把虛擬世界的信息轉化到實體世界的應用中來，也就是進入到IBM 稱之為"智慧地球"的時代。

在物流領域看來，物聯網只是技術手段，目標是物流的智能化。倉儲管理是現代物流的重要組成部分，本文試圖通過對物聯網的研究設計一種新型高智能化的倉儲管理系統，為"智能物流"開展細節的研究和探索。

2 物聯網

2.1 概念

在2005 年突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯盟（ITU）發布了《互聯網報告2005:物聯網》一文，正式提出了物聯網的概念。2009 年初，在美國總統奧巴馬與美國工商業領袖舉行的會議上，IBM 首席執行官提出"智慧地球"的概念，并建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施，從此物聯網的概念進入了國家的戰略層，發達國家也紛紛效仿，提出相應的戰略對策。隨即物聯網概念也在中國升溫，2009年8 月溫家寶總理指出，在國家重大科技專項中加快推進傳感網發展，盡快建立"感知中國中心",2010 年物聯網進入了人代會的政府工作報告。

關于物聯網概念有很多解釋，簡言之：物聯網是指通過射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描儀等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡

在這個網絡中，系統可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監控并觸發相應事件。

2.2 技術體系

結合實際應用對物聯網涉及的核心技術進行歸類和梳理，主要包括感知與標識技術、網絡與通信技術、計算與服務技術及管理與支撐技術四大體系。

感知和標識技術是物聯網的基礎，負責采集物理世界中發生的物理事件和數據，實現外部世界信息的感知和識別。網絡是物聯網信息傳遞和服務支撐的基礎設施，通過泛在的互聯功能，實現感知信息高可靠性、高安全性傳送；通信技術包括各種有線及無線通信，其中近距離無線通信技術將是物聯網的研究重點。

海量感知信息的計算與處理是物聯網的核心支撐，需要研究數據融合、高效存儲、語義集成、數據挖掘等關鍵技術，攻克物聯網"云計算"中的虛擬化、網格計算、服務化和智能化技術；服務和應用是物聯網的最終價值體現，需要面向典型應用需求，提煉核心共性支撐技術，研究規范化、通用化服務體系結構以及應用支撐環境、面向服務的計算技術等。管理與支撐技術是保證物聯網實現"可運行-可管理-可控制"的關鍵，包括測量分析、網絡管理和安全保障等方面。

2.3 結構與原理

如圖1 所示，物聯網劃分為感知層、網絡層和應用層3 層。其中感知層用于識別物體，采集信息；網絡層用于傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層與各行各業的專業技術深度融合，實現智能化管理。

圖1 物聯網結構

一個簡單物聯網的工作過程如圖2 所示[8].物品在生產完成時，貼上存儲有電子產品代碼（EPC）的電子標簽對物品屬性進行標識，同時將這個EPC 代碼的詳細信息存儲在EPC 信息服務系統的服務器中。在運輸、銷售、使用、回收等任何環節，當某個讀寫器在其讀取范圍內監測到標簽的存在，就會將標簽所含EPC 數據傳往與其相連的中間件，中間件以該EPC 數據為鍵值，在ONS 服務器獲取包含該物品信息的EPC 信息服務器的網絡地址，然后中間件根據該地址查詢EPC信息服務器，獲得物品的特定信息，并將信息轉換為適合網絡傳輸處理的數據格式。再將物品的信息通過網絡傳輸到信息處理中心，由處理中心利用應用程序完成更深層次的計算處理。

圖2 物聯網工作示意圖

3 系統設計

3.1 網絡架構

針對倉儲管理中存在的物流信息處理效率低以及出入庫盤點不準確等問題，提出一種基于物聯網的倉儲管理系統設計方案。方案中的倉儲管理物聯網通過RFID 電子標簽實現物品的自動識別和出入庫，利用無線傳感器網絡對倉儲車間進行實時監控，從而極大地提高了倉儲管理的智能化水平。其系統物聯網的總體結構如圖3 所示。

圖3 智能倉儲物聯網總體結構

3.2 系統流程

倉儲管理系統的工作流程包括入庫、出庫、移庫、盤點、揀選與分發等環節。系統采用國際上最先進的無線射頻身份識別技術（RFID），為每件物品提供一個惟一標志碼（EPC 代碼），并在服務器中存儲貨物的相關屬性信息，從而使系統能夠自動識別物品，可以對物品進行跟蹤和監控。另外，倉儲車間還安裝多個攝像頭或視頻傳感器以及溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等構成無線傳感器網絡，并使其基本覆蓋所有盲區，這樣工作人員可以在監控中心隨時了解倉儲車間的情況，并及時處理。這樣就在高效、準確、快捷的基礎上，進一步提高了倉儲管理的安全性。

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3.3 系統組成

結合上述分析，智能倉儲物聯網主要由倉儲物品識別、信息采集處理、倉儲物品監控、后臺信息服務器、本地數據庫服務器、業務系統六大模塊組成。

在倉儲物品識別模塊，系統采用EPC 代碼作為物品的惟一標志碼，為每個物品貼上一個具有EPC 的RFID 標簽。標簽由存入EPC 的硅芯片和天線組成，附在被標志物品上，EPC 代碼內含一串數字代表物品ID、類別、名稱、供應商、生產日期、產地、入庫時間、貨架號等信息，信息存儲在后臺EPC-IS 服務器的數據庫中。同時，隨著物品在倉庫內外的轉移或變化，這些數據可以得到實時地更新。

在信息采集處理模塊，通過RFID 數據采集接口獲取物品的詳細信息從而進行處理。當物品通過倉儲車間入口時，由設置在倉庫入口的物品標簽讀寫器讀取物品的EPC 代碼，然后根據物品的EPC 代碼訪問后臺EPC-IS 服務器，獲得物品的詳細信息，并將相關信息保存到本地數據庫，最后交由信息處理模塊進行處理。倉儲車間入口處可以安裝多部讀寫器進行分類處理，還應為不可讀標簽提供手動編碼區。

在倉儲物品監控模塊，通過在倉儲車間內外布置一系列的傳感器，包括視頻傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，使其基本覆蓋所有盲區，自組織構成一個無線傳感器網絡，通過該網絡與Internet 及業務系統互聯，使工作人員可以在監控中心隨時了解倉儲車間內外的各類情況，以便及時處理。

后臺信息服務器用于存儲物品的詳細信息，如物品ID、類別、名稱、入庫時間等，并能實時地響應遠程應用程序的請求，允許通過物品的EPC 碼對物品信息進行查詢。

本地數據庫服務器用于存儲信息采集處理模塊所獲得的物品信息，以便在業務系統中查詢和維護。倉儲工作人員可以通過無線設備或Web 客戶端隨時隨地查詢物品的當前狀態。

業務系統的功能除了出入庫管理外主要就是在庫管理，在庫管理包括在庫物品保管、在庫物品查詢、在庫物品盤點等作業。在庫物品查詢、在庫物品盤點作業過程中均采用RFID 技術。

4 系統實現

4.1 RFID 標簽及讀寫器

在智能倉儲物聯網中，針對倉儲物品識別和信息采集處理兩個模塊的應用需求，建議采用西門子研發的適用于物流、倉儲和配送的智能無線射頻識別系統--SIMATIC RFID 系統。該系統可以將數據直接存儲到附在產品上的標簽中，能夠可靠、快速、經濟地讀寫數據；而且MOBY 系列標簽通信速率快、抗干擾性強，具有不同存儲容量、不同環境耐受條件的移動存儲單元，有不同的讀/寫距離和數據傳輸速率，根據具體應用需求可選擇配合不同的接口模塊使用，可以以不同的通信方式和業務控制系統進行通信。

具體應用中可以在倉庫入口和出口處各定點安裝2-4 套SIMATIC RF 系列讀寫器，用于實現入/出庫操作；在倉庫內部再配置2-4 套移動讀寫器，用于倉儲盤點和物品揀選。

4.2 RFID 中間件及數據過濾

西門子SIMATIC RF-MANAGER 中間件為SIMATIC RF600 提供了一體化的軟件解決方案，但并不適用于本系統物聯網的物流倉儲管理應用，因此需要設計一種針對系統實用的RFID 中間件。

中間件的功能模塊包括：RFID 讀寫器接口模塊、邏輯讀寫器映射模塊、RFID 數據過濾模塊、設備管理模塊、業務系統接口模塊，如圖4 所示。其中：RFID讀寫器接口用于中間件與RFID 讀寫器的數據通信，主要有獲取RFID 數據以及下達設備管理模塊的讀寫器指令；設備管理模塊用于調整RFID 讀寫設備的工作狀態，配置相應的接口參數等；邏輯讀寫器映射模塊用于將多個物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個邏輯讀寫器。一個邏輯讀寫器代表了一個有具體含義的數據采集點，而不管該采集點在物理上由多少個讀寫器和天線組成。它屏蔽了數據采集點的具體實現方式，減少了數據過濾等上層模塊與下層數據采集部分的軟件耦合度。對于上層業務系統來說，可見的只有邏輯讀寫器，所以邏輯讀寫器映射模塊對RFID 數據有初步過濾的功能。

圖4 RFID 中間件設計

RFID 采集的原始數據量非常大，在實際應用中，根據具體的配置不同，每臺讀寫器每秒可以上報數個至數十個不等的電子標簽數據，如重復多次掃描同一個電子標簽，但其中只有少部分是對用戶有意義的、非重復性的數據，這樣大量的數據如果不經過去冗等處理而直接上傳，將會給整個RFID 系統帶來很大的負擔。因此，系統采用數據采集事件編碼的方法對RFID 采集的數據進行過濾處理。首先對電子標簽狀態的改變進行編碼，定義標簽出現的狀態編碼為0,標簽狀態消失的編碼為1;然后加入計時器機制，對計時器有效時間內的同一標簽的狀態跳變進行忽略，從而在狀態定義和時間維度兩個方面對數據進行去重化。該方法能夠很好地消除冗余數據，減少上層系統的負荷。

4.3 傳感器、微處理器、通信芯片及協議

在智能倉儲物聯網中，針對倉儲物品監控模塊的應用需求，采用Zigbee 無線傳感器網絡和有線網絡相結合并與局域網、互聯網相連的設計思路實現整個倉儲車間的物品監控。Zigbee 技術具有功耗極低、系統簡單、組網方式靈活、成本低、低等待時間等性質，適用于此類監控系統的設計。

出于節能的考慮，倉儲物品監控模塊的數據采集應要求傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數字式傳感器。主控單元建議采用Atmel 公司的Atmega16L 單片機。無線通信模塊建議采用CC1000 芯片與微控器及一些外圍無源元件一起構成。

4.4 業務系統

圖5 業務系統架構流程圖

業務系統基于Internet 環境，采用B/S 模式進行開發。如圖5 所示，在Java EE 平臺上設計并實現的業務系統包括RFID 通信管理、物品入庫管理、物品出庫管理、物品在庫管理（包括在庫物品監控、查詢和盤點）、貨位優化管理、合同管理、報表管理、費用管理、系統管理等模塊。從而使整個基于物聯網技術的倉儲管理系統無縫連接，徹底實現了信息采集、倉儲物品識別、倉儲物品監控、后臺服務器維護及本地數據庫維護等功能。

5 結束語

智能倉儲物聯網解決了傳統倉儲管理過程中物流信息處理效率低以及出入庫盤點不準確等問題，系統在出入庫、監控、盤點、揀貨等方面具有快速、便捷、準確、高效及高度自動化等優點。在現代物流領域，物聯網已經體現出其積極的促進作用。通過該系統的分析與實現，形成一種利用物聯網進行物流倉儲管理的新型實用的設計方法。可以結合本文的部分基礎理論知識和具體系統架構方法進行深入研究和探討，在切實理解物聯網原理和技術特點的基礎上，進一步促進其在諸多領域的更廣應用和更大發展。由于物聯網要求所有的物品都貼上具有一定成本的電子標簽，而且不斷壯大的物聯網會頻繁招至各類病毒攻擊，因此物聯網在倉儲物流等諸多領域的應用方面，如何降低系統成本、提高網絡安全性，還需要進一步深入研究。