物聯網系統綜合設計報告物聯網系統綜合設計報告 題題 目目 智能倉儲系統的設計與實現智能倉儲系統的設計與實現 考生姓名 郭守昊郭守昊 考 號 048614206001 單 位常州紡織服裝職業技術學院常州紡織服裝職業技術學院 專 業 物聯網工程 二 一六年三月一日二 一六年三月一日 1 15 目 錄 1 緒論 1 1 1 WMS 國內外研究及發展動態分析 2 1 1 1 國外研究動態 2 1 1 2 國內發展動態 2 1 2 WMS 的發展趨勢 3 2 系統總體設計 4 2 1 網絡架構 4 2 2 系統流程 4 2 3 系統組成 4 3 系統詳細設計 5 3 1 基于 RFID 技術的庫存管理流程設計 5 3 1 1 總體流程 5 3 1 2 收貨入庫流程 6 3 1 3 庫存盤點流程 7 3 1 4 出庫流程 8 4 系統的實現 10 4 1 RFID 標簽及讀寫器 10 4 2 RFID 中間件及數據過濾 10 4 3 傳感器 微處理器 通信芯片及協議 11 5 總結與思考 11 參考文獻 12 1 緒論 智能倉儲是物流過程中的一個環節 確保貨物倉庫管理各個環節數據輸入的速度和準確 性 也可以保證企業能夠及時的掌握庫存的真實數據 通過科學的編碼 對庫存貨物的批次 保質期等信息進行管理 建立一個智能倉儲系統需要物聯網的鼎力支持 現代倉儲系統內部不僅物品復雜 形態 各異 性能各異 而且作業流程復雜 既有存儲 又有移動 既有分揀 也有組合 因此 以倉儲為核心的智能物流中心 2 15 目前倉儲業智能終端技術有機器人技術 RF手持終端 語音提示終端 視頻監控終端 無人搬運車等技術 借助這些技術 實現了物品的自動搬運 機器人自動堆碼跺 物品自動 識別 智能輔助人工揀選等作業 在智能倉儲管控系統中 物聯網技術與WMS技術相結合 實現了倉儲也智能化與自動化 能夠實現對物流過程智能控制與管理的還不多 物聯網及物 流信息化還僅僅停留在對物品自動識別 自動感知 自動定位 過程追溯 在線追蹤 在線 調度等一般的應用 1 1 WMS 國內外研究及發展動態分析 倉儲管理是指通過倉庫對商品進行儲存和保管 倉儲管理系統是倉儲管理信息化的具體形 式 是一個實時的計算機軟件系統 它能夠按照運作的業務規則和運算法則 對信息 資源 行為 存貨和分銷運作進行更完美地管理 使其最大化滿足有效產出和精確性的要求 倉儲 管理系統是企業物流系統中不可缺少的子系統 物流系統的整體目標是以最低成本提供令客 戶滿意的服務 而倉儲管理系統在其中發揮著重要作用 1 1 1 國外研究動態 國外的WMS軟件處于領先地位的是美國SAP公司的ERP軟件 該ERP軟件提供分布式倉儲及 庫存控制模塊 在制造業企業中得到廣泛應用 1 此外專家系統在網絡化分布式倉儲管理 及庫存控制領域也有廣泛應用 如美國空軍物流部門研發了針對倉儲管理和庫存控制問題的 專家系統 存貨管理輔助系統 用于存貨計劃的專家系統IVAN 收集和掃描零售數據 誤差的專家系統Infoscan等 此外 IBM推出的在SOA的基礎上WMS也比較典型 其基本結構 標準模塊和數據交換接口標準等方面的研究正在深入 20世紀90年代以來 國外開始結合現 代制造技術例如FMS CIMS RF ERP SCM和現代管理技術JIT等進行備件搬運和平面布置的 研究 對倉儲管理系統的研究也擴大到產品訂貨到銷售的整個過程 至今 已經有很多基于 XML 物聯網技術 ARM 立體倉庫等類型的WMS軟件問世 1 1 2 國內發展動態 國外的WMS軟件處于領先地位的是美國SAP公司的ERP軟件 該ERP軟件提供分布式倉儲 及庫存控制模塊 在制造業企業中得到廣泛應用 此外專家系統在網絡化分布式倉儲管理及 庫存控制領域也有廣泛應用 如美國空軍物流部門研發了針對倉儲管理和庫存控制問題的專 家系統 存貨管理輔助系統 用于存貨計劃的專家系統IVAN 收集和掃描零售數據誤 差的專家系統Infoscan等 此外 IBM推出的在SOA的基礎上WMS也比較典型 其基本結構 標準模塊和數據交換接口標準等方面的研究正在深入 20世紀90年代以來 國外開始結合現 代制造技術例如FMS CIMS RF ERP SCM和現代管理技術JIT等進行備件搬運和平面布置的 研究 對倉儲管理系統的研究也擴大到產品訂貨到銷售的整個過程 至今 已經有很多基于 XML 物聯網技術 ARM 立體倉庫等類型的WMS軟件問世 我國的WMS研究在起步上比較晚 技術上相對落后 在應用系統方面 主要有昆船自 動化工程公司的TIMMS2 0軟件 該軟件提供從自動化立體倉庫 AS RS 到人工倉庫多管理模 式 具有規范和統一的物流控制接口 并已跟Hair公司的ERP軟件相結合 現有按訂單收貨 3 15 轉儲 成品B2B發貨等功能 重慶奧林電子技術有限公司研制開發WMS2 0軟件 支持IC卡 條形碼讀入等多種控制接口 具有配送管理功能 匯驛EVIN WAREHOUSE軟件 它面向第三方 物流企業現代倉儲管理的設計 能接收來自倉儲管理設備如手持終端 RF 無線射口與大型 ERP系統如SAP進行數據交換 我國市場上WMS的應用呈現出二元結構 以跨國公司或國內少 數先進企業為代表的高端市場 其應用WMS的比例較高 采用的系統也集中在國外基本成熟 的主流品牌 以國內企業為代表的中低端市場 主要應用國內開發的WMS產品 我國物流需 求還不是很成熟 倉儲管理相對落后 目前在市場占有主流的仍然是傳統的WMS 而傳統的 WMS在過程設計方面 還不能實現統一配置企業內部資源 從應用角度而言 國內企業WMS 應用系統主要分為以下幾類 第一類是基于典型的配送中心業務的應用系統 該類系統多用 于制造業或分銷業的供應鏈管理中 如北京醫藥股份有限公司的現代物流中心就是這樣的一 個典型 在銷售物流和供應物流中也存在典型的應用系統 如連鎖超市的配送中心 生產企 業的零配件配送中心等 第二類是以倉儲作業技術的整合為主要目標的系統 解決各種自 動化設備的信息系統之間整合與優化的問題 如武鋼第二熱軋廠的生產物流信息系統即屬于 此類 此類系統涉及的流程相對規范 專業化 多出現在大型ERP系統之中 成為一個重要 組成部分 第三類是以倉儲業的經營決策為重點的應用系統 其鮮明的特點是具有非常靈 活的計費系統 準確及時的核算系統和功能完善的客戶管理系統 為倉儲業經營提供決策支 持信息 華潤物流有限公司的潤發倉庫管理系統就是這樣的一個案例 此類系統多用于一些 提供公共倉倉儲服務的企業中 其流程管理 倉儲作業的技術共性多 特性少 所以要求不 高 適合對多數客戶提供通用的服務 1 2 WMS 的發展趨勢 隨著信息技術的不斷發展 制造企業對庫存的要求越來越高 對倉儲管理系統的要求也 十分復雜 不僅希望能夠達到對生產過程的實時控制 實現計算機分與網絡化管理 而且倉 儲管理系統還需要能夠同時處理上千份訂單并隨時應付緊急訂單 同時還要把社會的庫存設 施 各相關供應商 零售商 批發商 制造商甚至客戶的庫存管理設施整合起來實行企業庫 存管理的優化 即在供應鏈管理的體制下實行庫存管理 因此WMS趨向于倉儲管理電子化 管理信息化 生產即時化 故與物聯網結合的物流設備RFID加上商品的條形碼可能是未來一 個時期在WMS中探索應用推廣的一條實用之路 與此同時 配送需求的專業化市場細分化正 在深入 要求WMS更加支持JIT配送的專業化 將生產企業的庫存轉移給其上游 供應商 或 下游 零售商 以期實現生產企業的 零庫存 而WMS中庫存管理模塊則將成為一個越 來越重要的組成部分 它促進了WMS的建模理論和方法的研究 以及優化方法和算法的研究 庫存管理與控制是現代企業生產動作中的一個核心問題 2 系統總體設計 對系統的總體設計 首先要有網絡框架 系統流程和系統組成 4 15 2 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1所示 圖1 智能倉儲物聯網總體結構 2 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 2 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 5 15 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 3 系統詳細設計 3 1 基于 RFID 技術的庫存管理流程設計 汽車將物料送至倉庫門口 一般情況下 貸架上擺放多件箱體 每個貨架和箱體都應該 有自己的RFID標簽 實際上現在很多低附加值的物品并沒能完全做到 部分也是因為客廣隱 私的原因 RFID閱讀器則放置在倉庫大門 傳送帶 堆放點和叉車臂上 通過閱讀器讀取 到的標簽信息 貨架和架上箱體 container 在供應鏈上活動的一系列信息都可以被跟蹤采 集到 3 1 1 總體流程 現代庫存營理的主要業務流程是基礎資料管理 收貨入庫管理 庫存盤點管理和揀貨出 庫管理 系統流程圖如圖2所示 6 15 圖2 倉儲管理整體業務流程圖 供應商接到采購部門發送來的訂單后安排發貨 經過一系列收驗貨程序 倉儲部門安排入 庫 同時將入庫單據發往財務部門 倉儲部門需要定期盤點庫存 將信息向財務部門報告 在銷售過程中 銷售部門將審核完畢的客戶訂單傳往倉儲部門 倉儲部門根據訂單安排貨物 出庫配送 3 1 2 收貨入庫流程 收貨入庫流程如圖 3 所示 1 倉儲部門接收并核實供應商的發貨通知單 2 根據入庫貨物的類型和數量 倉儲管理系統對該批貨物的存儲區域和存儲位置進行分配 3 倉庫入口處 RFID 閱讀器通過電子標簽采集貨物信息 并將信息與貨單比對 4 倉庫管理系統發出貨位安排及相關指令 檢測出空閏叉車供裝載使用 5 叉車搬運貨物 入庫設備根據貨住安排將貨物上架 入庫操作關鍵部分是讀取標簽信息 首先判斷閱讀器是否正常 如果正常則讀取標簽信息 讀取標簽信息正常時將閱讀器讀取代 碼等相關內容顯示出來 簡單的實現代碼如下 private void getID TagInfo t new TagInfo String strTagList int i boo ean bParseResult if Reader IsConnected strTagList Reader TagList bParseResult Reader ParseTagList strTagList t if bParseResult txtField 0 t 0 tagID else 7 15 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 圖 3 收貨入庫業務流程圖 3 1 3 庫存盤點流程 庫存盤點是指對現有庫存進行清點 并將實際庫存狀況與賬面統計予以比對 業務流程 如圖4所示 8 15 圖 4 庫存清點業務流程圖 1 選擇所要盤點的倉庫及具體庫區 2 生成盤點清單和盤點表 3 管理系統通過無線網絡發送指令 堆垛機定位庫區 接受系統指令控制閱讀器讀取數據 4 閱讀器將盤點數據傳送到后臺管理系統 5 系統進行后期數據處理 核對統計倉庫實際溢損數量 3 1 4 出庫流程 出庫流程主要根據貨物出庫單信息 對所需貨物進行分揀處理 并進行出庫管理 業務 流程如圖5所示 9 15 圖 5 出庫業務流程圖 1 倉儲系統接收來自銷售部門的客戶訂單及發貨通知 2 庫存控制系統計算出出庫數據并發出出庫指令 3 叉車或者堆垛機接到指令 到制定庫位依次取貨 4 手持閱讀器或固定閱讀器將操作結果傳送至庫存管理系統 5 分揀出的貨物由分揀系統執行出庫操作 6 在貨物運動過程中 安裝在自動分揀系統上的RFID自動識別裝置閱讀RFID標簽 識別貨物 隸屬于哪個訂單 7 包裝 封口 出庫過程中 系統根據輸入在倉庫查找商品 自動查詢對應的倉庫號和庫位 ID 供工作人員進行出庫操作安排 關鍵查找過程如下 public void loadPosList ResultSet rs statement executeQuery sql while rs next CombolPos AddItem rs getString WarehouseName rs close private void addCombolPos 10 15 String sql select warehousePosIDWarehouseName from WarehouseTable Where Status GoodsID ResultSet rs statement executeQuery sql txtFields Text rs getString WarehousePosID rs close 4 系統的實現 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6 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 11 15 圖 6 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 5 總結與思考 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 隨著物聯網技術的不斷發展和 12 15 應用系統的推廣普及 未來物聯網技術在性能等各個方面都會有較大的提高 展望未來 物 聯網技術的發展將呈現如下趨勢 1 標簽產品多樣化 未來用戶個性化需求較強 單一產品不能適應未來發展和市場需 求 芯片頻率 容量 天線 封裝材料等組合形成產品系列化 與其他高科技融合 如與傳 感器 GPS 生物識別結合將由單一識別向多功能識別發展 2 系統網絡化 當RFID系統應用普及到一定程度時 每件產品通過電子標簽賦予身份 標識 與互聯網 電子商務結合將是必然趨勢 也必將改變人們傳統的生活 工作和學習方 式 3 系統的兼容性更好 隨著標準的統一 系統的兼容性將會得到更好的發揮 產品替 代性更強 4 與其他產業融合 與其他IT產業一樣 當標準和關鍵技術解決和突破之后 與其他 產業如3C 3G網等融合將形成更大的產業集群 并得到更加廣泛的應用 實現跨地區 跨行 業應用 但是物聯網RFID目前標準亟待統一 包括空中接口規范 物理特性 讀寫器協議 編碼體系 測試規范 應用規范 數據管理 信息安全等 由于產業界對于RFID的應用前景 大都持樂觀的期待 最理想的情況是借由標準的制定與技術的突破 加速降低成本 提升技 術成熟度 滿足各種應用環境的需求 參考文獻參考文獻 1 SONG H SH WANG G Q The high performance car license plate recognition system and its core techniques C Proceedings of IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety 2005 42 45 2 ZHENG D N ZHAO Y N WANG J X An efficient method of license plate location J Pattern Recognition 3 International Telecommunication Union Internet Reports 2005 The Internet of things Geneva ITU 2005 4 ITU NGN GSI Rapporteur Group Requirements for support of USN applications and services in NGN environment Geneva International Telecommunication Union ITU 2007 5 袁寶明 于萬波 魏小鵬 汽車牌照定位綜述 J 大連大學學報 2002 23 2 6 12 6 曾麗華 李超 熊璋 基于邊緣與顏色信息的車牌精確定位算法 J 北京航空航天大學學報 2007 33 9 3110 3115 7 趙兵 魯敏 匡綱要 于慧穎 基于混合特征的車牌定位算法 J 計算機工程與設計 2007 28 23 5668 5670 13 15 8 李慶慶 張燕平 基于模