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    基于RFID的自動化立體倉庫優化管理系統的設計與實現

      信息來源:   發布時間:2021-12-10  點擊數:

    0引言

    自動化立體倉庫是以高層貨架為主體、成套的搬運設備為基礎、計算機控制技術為手段的高效物流系統.它集倉儲、輸送、分發于一體, 已廣泛應用于制造業和物流領域.在對貨物進行管理時, 需要按照具體的調度方式存儲、配送.調度系統決策的及時快速與否直接決定了自動化立體倉庫的倉儲效益, 因此在自動化立體倉庫管理中, 調度系統的設計問題是一個關鍵問題.

    目前, 國內外學者對自動化立體倉庫的優化問題的廣泛研究取得了一定的進展.在國外, Whitley等人對應用于自動化立體倉庫調度的啟發式方法和遺傳算法進行了比較[1].Donald.Tepas引入了一種知識信息系統來對輔助決策立體倉庫中的調度問題并得到了應用[2].Kim.Byung等提出了一種基于控制和調度系統的混合智能 Agnet 方法并通過實例證明該方法可以優化立體倉庫的貨位揀選問題[3].Shunji.Tanaka提出了一種解決自動化立體倉庫出入庫調度問題的混合算法[4].在國內, 剡昌鋒等運用遺傳算法對自動化立體倉庫的調度問題進行了研究[5].田國會、劉常有等針對自動化倉庫的實際運行過程, 提出影響倉庫運行效益的若干優化調度問題[6].楊瑋、傅衛平等提出了基于多色集合和粒子群算法相結合的決策模型, 以解決自動化立體倉庫貨位分配時貨架的穩定性和出入庫效率問題[7].但是, 目前大多數學者都是針對自動化倉庫輸送系統的調度進行建模分析或僅僅只是對貨位分配進行優化, 未能把射頻識別 (Radio Frequency Identification, 簡稱RFID) 技術融合到自動化立體倉庫的優化管理中.

    為彌補上述研究的不足, 本文構建了基于RFID技術的自動化立體倉庫優化管理系統, 對其結構和功能進行了分析.通過對典型RFID閱讀器的研究, 實現了RFID硬件與管理系統軟件的正常通信, 對利用RFID技術的自動化立體倉庫優化管理系統的設計有較大參考意義.

    1 RFID技術簡介

    射頻識別技術 (Radio Frequency Identification, RFID) 作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術和信息標準化的基礎, 已經被世界公認為本世紀十大重要技術之一[8].作為一種非接觸式的自動識別技術, 它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據, 識別工作無須人工干預, 可工作于各種惡劣環境.RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽, 操作快捷方便[9].一個典型的RFID系統由射頻電子標簽 (RFID Tag) 、讀寫器 (RFID Reader) 及應用支撐軟件組成.電子標簽由芯片與天線組成, 每個芯片都有唯一的標識碼[10].同時, 介于前端RFID讀寫器硬件模塊和后端數據庫與應用軟件之間的中介, 稱為RIFD中間件 (RFID Middleware) .應用程序端使用中間件所提供的一組通用的應用程序接口 (API) , 即能連接到RFID讀寫器, 讀取RFID標簽數據[11].整個系統的工作流程是:電子標簽中保存有約定格式的電子數據, 并附著在待識別物體的表面;而讀寫器通過天線發送一定頻率的射頻信號, 當電子標簽進入天線工作區域時產生感應電流, 電子標簽獲得能量被激活并把數據通過天線發送給閱讀器;閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統;后臺主系統根據相應的軟件模塊做出相應的處理和控制.根據整個流程得到整個RFID系統圖如圖1所示.

    圖1 RFID系統組成

    圖1 RFID系統組成  下載原圖


    2系統結構與功能設計

    2.1 需求分析

    在信息技術高度化發展的環境下, 自動化立體倉庫管理效率的提高, 能夠很大程度上提高整個產業鏈的競爭力.把先進的RFID技術應用到目前的自動化立體倉儲管理系統中, 對提高自動化立體倉庫運行的自動化和智能化程度意義重大.為了實現管理過程的智能化高效運行, 自動化立體倉庫系統設計的目標需求可以概括為以下幾條:

    達到真正實現儲存、出入庫、盤點、揀選運輸等環節的完全自動化要求, 并規范業務流程;

    擁有強大的查詢功能.具體包括實時貨物信息的查詢和追蹤、實時貨位信息的查詢、客戶內部數據的關聯查詢;

    智能動態分配貨位、人力、物力, 從而減少倉庫管理人員的工作量, 提高生產效率;

    具備數據的統計和存儲功能, 使信息的價值可以得到最大化的體現.

    基于上述需求, 結合RFID技術的特點, 開發基于 RFID 技術的自動化立體倉庫優化管理系統, 以提高企業物流管理水平, 提高企業經濟效益[12].

    2.2 功能設計

    依據需求分析把系統分為基本信息管理模塊、庫存功能管理模塊、查詢管理模塊、統計與報表管理模塊和系統管理模塊5個模塊[13], 其功能模塊圖如圖2所示.

    圖2 自動化立體倉庫優化 管理系統功能模塊圖

    圖2 自動化立體倉庫優化 管理系統功能模塊圖  下載原圖


    2.2.1 系統信息管理模塊

    系統信息管理模塊的功能是對整個系統的信息進行管理.它由用戶管理、客戶管理、供應商管理、設備管理和貨物管理5個子模塊組成.當用戶輸入自己的賬號和密碼后, 會獲得預先分配的權限, 進入系統后用戶可根據自己的權限角色來對系統的信息進行維護.系統管理員對此系統擁有最高權限, 可以實現創建用戶信息、禁用用戶信息、用戶權限變更等功能;而客戶管理模塊與供應商管理模塊是完成對業務往來密切的客戶與供應商信息進行管理與維護;設備管理模塊實現設備信息的收集和管理;貨物管理模塊實現貨物信息的維護, 當有新產品需要入庫時, 本模塊通過相應的操作將產品的代碼、名稱和種類等信息添加到數據庫中, 當產品出庫時也通過相應的操作從數據庫中進行刪除.

    2.2.2 庫存功能管理模塊

    庫存功能管理是整個自動化立體倉庫管理系統最核心的部分, 整個模塊由入庫作業、出庫作業、盤存作業3個子模塊組成.具體功能主要包括以下幾部分:

    (1) 入庫作業模塊:帶有電子標簽的貨物, 入庫時通過入庫口通道的RFID閱讀器, 即可將貨物相關信息自動輸入到倉儲管理系統.系統將實際入庫信息與客戶提供的入庫單信息進行對比, 若無誤差或誤差在規定范圍內, 則準許入庫并將入庫信息轉換成庫存信息;若出現錯誤, 則由系統輸出提示信息, 由工作人員解決.倉儲管理系統按照最佳的存儲方式, 選擇空貨位, 支配巷道堆垛機運輸貨物至指定位置存儲.

    (2) 出庫作業模塊:訂單到達倉庫后, 倉儲管理系統會根據訂單的要求, 確定最佳的揀貨方案;按照揀選方案, 安排訂單揀選任務, 支配巷道堆垛機到指定貨位, 按照揀選方案進行揀選.貨物出庫時, 同入庫一樣, 通過出庫口通道處的RFID閱讀器, 將貨物信息傳入倉儲管理系統.系統將貨物信息與訂單進行對比.若無誤, 則順利出庫, 同時貨物的庫存量相應更新;若出現錯誤, 則由倉儲管理系統輸出提示信息, 由工作人員解決.

    (3) 盤點作業模塊:盤點作業即以倉庫為單位, 統計倉庫中各種貨物的數量, 將統計結果與庫存表中相對應貨物的數量進行對比, 并進行盈虧統計分析.

    2.2.3 查詢管理模塊

    整個查詢管理模塊由入庫查詢、出庫查詢、盤點查詢和庫存查詢4個子模塊組成.查詢管理功能主要是對系統已經完成的入庫、出庫和盤點操作進行條件查詢, 使得管理員獲得想要的信息, 查詢條件包括貨物名、時間段、倉庫名.另外重要的功能是庫存的查詢統計, 根據貨物名稱、貨物編碼或者倉庫名可以查詢貨物的當前的庫存數量.

    2.2.4 統計與報表管理模塊

    對自動化立體倉庫系統相關報表的信息管理, 包括貨物庫存表、貨位信息表、出入庫歷史記錄3個子模塊.統計報表管理模塊為自動化立體倉庫所有物資狀況建立記錄, 對設備運行信息進行統計分析, 方便用戶隨時查看[14].

    2.2.5 系統管理模塊

    系統管理模塊主要是以防數據破壞而進行備份和數據還原工作, 主要對象是系統數據庫.同時添加日志管理功能, 方便問題的查詢.具體包括3個模塊:數據備份、數據還原和日志管理.

    3讀寫器與計算機通信設計

    構建基于RFID技術的自動化立體倉庫優化管理系統, 除了包括管理系統和數據庫的搭建, 最關鍵和難度最大的是基于中間件技術的數據采集子系統的設計.其功能是實現對讀寫器 (Reader) 獲取電子標簽 (E-Tag) 儲存的大量信息的采集、處理和傳輸給管理系統的過程.而數據采集子系統設計的核心是讀寫器與計算機的通信.本文通過對ITRF91501 Reader的研究, 對數據采集子系統中的讀寫器與計算機通信功能進行設計.

    3.1 讀寫器技術參數

    讀寫器是通過射頻耦合向RFID標簽寫入或讀出數據的設備, 是連接電子標簽與應用系統的橋梁.在RFID標簽加載數據 (初始化) 時, 讀寫器向RFID標簽發出“寫”的命令, 將數據寫入RFID標簽;在自動識別時, 讀寫器向RFID標簽發出“讀”命令, 電子標簽在讀寫器讀寫范圍內向讀寫器答應并確認自己的身份, 無需接觸, 讀寫器就可以遠距離讀取電子標簽的“反饋”信息, 并將這些信息傳輸到控制器.在自動化立體倉庫的應用過程中, 讀寫器普遍放置在出入庫檢驗臺, 掃描出入庫貨物的信息;實施盤點作業的AGV小車上也會安置讀寫器, 讀取貨位標簽上的貨物信息;同時, 為了動態觀察出入庫作業, 會在倉庫關鍵位置放置讀寫器, 確定貨物出入庫的一個中間狀態.

    讀寫器的主要技術參數如下:


    圖3 ITRF91501讀寫器端口狀態圖

    圖3 ITRF91501讀寫器端口狀態圖  下載原圖


    讀寫器上共有4個狀態顯示燈號, 編號為0、1、2、3, 通過觀察狀態指示燈, 確定RFID Reader的工作情況, 從而方便通信程序的調試.

    3.2 讀寫器與計算機通信協議

    RFID讀寫器接口采用的是命令/響應的結構, 外部主機給讀寫器發送一個命令, 然后讀寫器執行這個命令, 執行完成后, 給主機一個響應.所有的命令和響應使用ASCII碼.

    下面簡單介紹一下讀寫器標準接口 (Basic Reader Interface-BRI) 的指令集及其響應, [ ]中的值表示可選參數, ( ) 中的值表示必選參數.

    讀命令有以下的語法:READ[Literal], [Data Field], [Literal], [Data Field].

    Data Field可以是BRI所定義的任一個數據類型, 如果沒有定義, 將缺省認為是TAGID類型.Literal使用雙引號界定的任何字符串.

    [Data Field]:可選的數據域命令參數包括一系列定義從標簽返回的數據格式的數據類型.使用INT, HEX, STRING, TAGID這些數據類型, 就可以從標簽的任何內存地址中讀到具體的數據.

    [Literal]:該命令參數是用來規定從基本用戶界面中返回的數據的格式.

    BRI響應格式舉例為:READ TAGID.這個帶有TAGID參數, 不附帶數據域參數的命令可以找域中的所有標簽, 并為每一個標簽返回一個標簽識別符, 每一個標簽識別符最后都帶 (CRLF) .所有的標簽識別符都返回后, 用戶界面會顯示OK> (CRLF) .

    3.3 串口通信軟件設計

    所謂串口通信 (Serial Communication) , 是指外設和計算機間, 通過數據信號線 、地線、控制線等, 按位進行傳輸數據的一種通訊方式.這種通信方式使用的數據線少, 在遠距離通信中可以節約通信成本, 但其傳輸速度比并行傳輸低.本文研究的ITRF91501 Reader, 主機通信是通過9針的D-sub連接標準, 總線接口選用串口RS232, 并通過RFID串口編程, 實現讀寫器與數據采集子系統的串口通信.程序設計采用的是Microsoft Visual Studio 2010的編程環境, 具體步驟如下:

    (1) 設計流程

    串口通信軟件要能實現串口初始化設置和標簽的識別與讀取功能, 并能將標簽的唯一ID號顯示在窗口上[15].具體的設計流程如圖4所示.

    圖4 軟件設計流程

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    可視化界面設計主要包括以下幾個方面:①串口初始化選項;②標簽識別和讀取界面;③顯示信息界面.設計完成后的界面如圖5所示.

    圖5 自動化立體倉庫優化管理系統 RFID配置可視化界面

    圖5 自動化立體倉庫優化管理系統 RFID配置可視化界面  下載原圖


    (2) 通信程序設計




    (3) 程序調試與運行

    程序編寫后需要進行調試和運行, 才能確定它的實際使用效果.在這里使用調試的步驟不是直接通過串口線連接Reader嘗試讀取, 而是采用以下步驟:

    ①通過虛擬串口工具調試程序代碼;

    ②調試RFID Reader嘗試接收數據;

    ③解析數據, 解析規則參考通信協議部分的BRI指令集;

    ④在UI界面上集成命令按鈕[16].

    至此, 讀寫器與計算機的通信設計基本完成, 通過RS232串口實現計算機程序對于閱讀器所閱讀的標簽信息的獲取.

    4結論

    隨著計算機和互聯網技術的飛速發展, 信息的自動錄入正成為信息流通的“瓶頸”.RFID 技術的使用能實現數據的自動識別與采集、交換, 保障物流管理各流程的高速、順暢, 是未來商品和物資流通乃至供應鏈管理將普遍采用的技術.

    本文在對自動化立體倉庫的調度管理系統以及RFID技術研究的基礎上, 將RFID技術融入到自動化立體倉庫中, 構建了基于RFID技術的自動化立體倉庫優化管理系統的基本結構, 對其結構和功能進行了分析.同時通過對典型RFID讀寫器的研究, 對基于中間件技術的數據采集子系統中的讀寫器與計算機通信功能進行設計, 實現RFID硬件與調度系統軟件的正常通信, 并對串口通信設計提供了指導.該系統的開發為企業提高管理水平和效率, 降低企業成本, 提高企業競爭力提供了有益的思路.

    標簽: 倉庫 倉庫管理



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