物联网技术下物流智能仓储系统构架及功能说明

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论文摘要

  物联网超越了互联网形成了人与物之间、物与物之间更加全面的互联和互通.随着信息化技术的发展,将物联网技术应用到现代物流业中支持国内商业发展的重要性越发凸显[1].

  电子商务飞速发展所代表的中国新经济,急待构建更大规模、更高效率、更完善的智能型网络、更优质服务的社会化智能物流基础设施.2013 年的马云退而不休,中国智能物流网络(China Smart Logistic Network,简称 CSN)成为阿里巴巴庞大商业帝国的下一核心.中国智能骨干网 CSN 体系,将通过自营及合作等多种模式,形成在全国范围内基于八个核心智能仓储中心的开放、共享、社会化智能仓储设施网络实现 24 小时送货必达.

  一、物流智能仓储系统中的物联网技术基础

  (一)RFID 技术

  RFID 是一种自动化的识别技术,首先它利用了射频信号通过交变磁场或电磁场实现穿过物品的外包装与标签间进行非接触式的双向通信,明显优于以激光方式被动读取信息的传统条形码识别技术;其次,RFID 识别的是非常具体的单个物品,不像条形码只能识别一类物品,RFID 最大化满足了对物品识别的精确性要求,给每件物品上了"二代身份证";此外,RFID还具有耐高温、防水、防磁,使用时间长可反复使用、能加密数据、读取范围广等特点.RFID技术这些显着的优势,被普遍认为在不远的将来会最终取代现在还广泛应用的条形码,成为实现物品自动化识别的最有效手段.DHL 和 UPS 这些跨国专业物流公司都已在其物流中心用RFID 技术取代了条形码扫描,在其包裹的分拣和定位中使用该自动识别技术.

  RFID 技术在现代物流业中应用的优势在于能在很大程度上降低了物流操作员用来检测物资信息的人工成本,并减少了物流管理中信息采集的错误率问题.RFID 技术的集成应用将会实现供应链环节中许多需要人工操作的单元实现自动化作业.在物资中转的物流仓储环节中利用 RFID 技术能够实时准确了解商品的库存信息,实现自动化的存货、取货操作,完成准时出货(Just-in-time product shipment);在物流运输环节中利用 RFID 和 GPS 的集成实现货物的实时跟踪,特别针对有时限、温度、防震等特殊要求的物品贴上 RFID 标签,在仓储及运输过程中监测时间、温度、震动等其他参数保证物资完好;在商品销售端使用 RFID 标签直接跟踪产品的销售业绩,及时统计各种商品的需求量,为进一步指导生产提供更全面及时的产品销售数据记录和分析,提高产品快速适应市场的能力;物品贴上 RFID 标签可以实现产品流通中的溯源,保证产品的安全性特别是能够实现食品、药品这些关系民生重要物资的安全性问题.

  RFID 阅读器主要负责的是与电子标签的无线双向通信,将读取的标签信息传到计算机数据中心,且接收来自数据中心的控制指令进行相应控制和管理.电子标签与阅读器之间数据传输的发射和接收还需要天线,电子标签的天线与阅读器的天线有差别,天线的形状和相对位置及系统功率会影响数据的现场传输效果.RFID 技术在物流智能仓储中应用的原理如图 1所示:

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  (二)无线传感技术

  WSN 无线传感器网络技术能够实时采集、监测、感知物理环境中的各种传感器的数据信息并将数据传输到中心服务器处理以获得更全面的融合后的信息.流行的无线网络技术有:

  WiFi、蓝牙、红外和 ZigBee 技术来实现网内的动态数据交换.其中 WiFi 是无线宽带网络范畴的,其定位目标是取代网络中的有线设备的,但缺点在一旦接入点 AP(Access Point)失效,整个网络将无法工作[2].蓝牙、红外还有 ZigBee 技术是无线低速网络范畴的协议,是为了适应物联网中能力较低节点的低速率、低功耗、低通信半径、低运算能力的节点采用的通信协议,具体特点及差异见表 1.802.15.4/ ZigBee 是近年来兴起的介于蓝牙(BlueTooth)和红外技术的近距离无线连接的组网技术,是一种简单、低速、功耗低、质优价廉的最为着名的无线网络技术标准.基于 Zigbee 协议的无线传感器网络应用在智能化楼宇、库房仓储自动化等现实案例中的数据传输,组网简单、操作可靠、能方便嵌入到各种设备节点上,价格便宜等优点.根据物流仓储智能化具体要求采用 ZigBee 技术的无线组网形式最适合仓储环境所需.综合表内特点分析物流仓储智能化建设中采用 ZigBee 协议组网简单,灵活,实现成本低,扩展维护费用低.ZigBee组网中所有节点是独立工作的,其中某节点若出现故障,能通过另外的节点来传输数据,并可任意地将新的 RFID 阅读器扩展到该网络中[3].
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  二、智能物流网络中智能仓储环节建设方向

  (一)仓储物资数据信息的可视化智能建设方向

  在物流活动的整体流程中,仓库是物资从源头到目的地顺利流通的中转站.小、微物流企业信息化程度普遍较低特别在仓储环节中基本都还依赖于人工对物资出、入库进行信息采集的工作,仓储物资的库存信息无法实现可视化的网络查询,更谈不上对仓储物资进行有效地组织物流活动、最优化库存配置来提高效率,降低成本等智能行为.在智能型的仓储单元中,不仅仅是实现自动采集物资信息,还要与网络相连,随时把采集后的仓储物资信息通过网络传输到数据中心,进行实时可视化的数据调整和指挥.具备自动感知、能自适应并与外界平滑交互的智能化仓储单元是提高物流整体操作智能化的关键环节.

  (二)由传统的"人找货"升级为"货找人"的高效智能仓储模式

  在目前,物流产业链中的仓储单元依赖于人工釆集物资信息下的"人找货"模式,不仅效率低下,而且出错频繁货物损耗大.在国家提倡提高国民工资水平背景下,加之通货膨涨,现在的劳动力成本在物流产业张,据统计所占比重已经上升到 30%左右,劳动力成本的急剧增大已经成为物流业迅速发展的瓶颈.

  非接触式的 RFID 识别技术实现数据的自动采集,该识别技术,有助于加强物流企业中的仓储环节的信息化程度,提高物资出、入库及物资查询、盘点的工作效率.将 RFID 芯片嵌入叉车托盘或者直接贴在货物上,作为物联网的终端节点,实现对仓储物资的自动识别、追踪、管理构成物联网框架下的智能型物流仓储单元[4].另外,使用 RFID 技术的手持终端可以同时对多个目标进行较远距离的扫描读取物资信息,而传统条形码只能逐个货物进行人工近距离读取,效率太低.

  (三)物流智能仓储单元中的无线组网方式

  通常的物流管理信息系统,采用的是内部局域网技术,并预留下与外网、无线网扩展的接口.在以物资仓储为对象的物流信息系统局域网中,较常采用现场总线技术、无线网技术等网络技术实现库区的组网建设.在物资仓储这种需要高度防火措施的环境下,采用无线局域网的组网形式会比现场总线的明线组网形式更加安全可靠.

  在无线网的网络技术下将自动采集来的物资信息发送到服务器的数据中心中进行数据分析后进一步得到物资库存的最优化配置,有效的组织指导物流活动,目的在于增加物流企业利益的同时提高物流企业的核心竞争力[5].

  三、物联网技术下物流智能仓储系统构架及功能说明
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  设计基于物联网技术的并具备推广意义的物流仓储智能化解决方案的基本构架图如图2所示.首先,将 RFID 电子标签嵌入到仓储的物资中;在 RFID 阅读器帮助下读取物资信息,进行物资的自动识别工作;各种传感器设备的数据信息采集后,选取基于 802.15.4/ZigBee协议搭建无线网络将信息发送到服务器的数据中心中;处理后的数据发送至 LCD 可视化终端界面实现仓储智能指示.经由嵌入式网关将无线网卡、GPRS 通信模块相连实现用户与智能仓储中心间信息交互的的移动访问,摄像头、可视化端在嵌入式网关的接口下实现仓储中心的安防、监控及可视化指示功能.

  (一)自动化出入库和盘点功能说明

  在出、入库管理中使用适合短距离信息识别,运用无线电波进行操作和通信的被动式RFID标签来自动化采集货物信息,并确定入库后的货物的实际存储位置.具体的入库工作流程:

  1. 供应商首先把商品信息传送至智能仓储管理系统中;2.货物放在托盘上,RFID 天线读取货物数据;3.将读到的数据与数据库进行比较,无误差或误差在一定范围内则将入库信息转换成库存信息,若出现错误则出现错误提示,工作人员将另行处理.

  在出库管理中使用 RFID 技术可以有效提高货物的出库效率和装载的准确性,能有效解决下面的三个问题:

  1.自动拣货,实现"货找人"提高货物的分拣效率;2.正确实现出库物资的信息采集;3.准确无误的保证货物装载到正确的配送的运输车辆上.在仓库管理系统(WMS)中将物资状态转换成待出库状态后,RFID 阅读器自动会收取物资信息,并在系统服务器中优化出拣货路线直接将最优的拣货线图传输给工作人员实现待出库物资的"货找人".分拣完毕物资出库时,通过出库口通道处的 RFID 阅读器,RFID 标签上的货物信息转入 WMS 系统并与订单比较无误后顺利出库,相应的库存量减少;若出现错误则由 WMS 输出错误提示,提醒工作人员禁止问题物资出库[6].使用 RFID 技术,智能仓储中心的员工接到盘点指令后,携带阅读器进入库区依次遍历全部货物信息同时将所有物资信息通过无线网络传送给主控服务器;盘点动作完成后,主控系统将记录执行此次盘点任务的手持设备已经离开库区,将发送过来的全部货品信息与主控计算机上的全部货品内容进行比对,并将结果告知管理人员,大大提高了货物仓储的盘点效率.

  特别是需要特殊仓储环境的物资,在 RFID 标签帮助下可以对需冷藏或保温、保鲜的物资、危险品等物资在各种传感器装备下的仓储环境进行可视化监控,实现无障碍沟通,实现批次、货位、和温度管理的完美结合,大大降低了仓储物流成本,及提高了物流仓储的安全性、可靠性及客户的满意度水平.RFID 技术实现了智能仓储中物资电子数据的自动化读取和导入,及单据流、工作流、货物流的三合为一的无缝全程可视化监管.

  (二)可视化指示功能说明

  在物流仓储智能化的系统应用中,选择液晶模块将最终处理得到的智能型数据显示出来,方便指导一线的物流操作人员进行实时操作,例如,在货物分拣时主控计算机传来的最优拣货路径就可以通过系统所选用的点阵 LCD 液晶显示模块,来显示货物所在位置的最优路径数据信息.智能仓储中心中根据不同 LCD 屏幕的背光强度,LCD 液晶模块消耗的功耗也有所差别.

  摄像头实时捕获仓储中心的画面,而后在 USB 接口将图像数据传输给网关处理.智能仓储中心的管理员既可以在显示器上看到仓储中心物资的画面,又可以通过 PC 远程访问的方式来观看和控制仓储中心传感器数据从而改善仓储环境.

  智能仓储中心通过检测距离达 7m,角度为 100 度的人体红外感应器模块,和辅助的摄像头协作后,该节点模块采集信息后向主控中心发送信号,同时启动声光报警装置实现了智能仓储中心的智能安防.

  (三)远程访问与控制功能说明

  智能仓储中心通过嵌入式网关加入 zigbee 协议组建的局域网,管理员可以通过 PC 访问物联网数据,通过操作界面远程控制各传感器动作,维护系统稳定.GPRS 通信模块接入到网关中实现手机对智能仓储中心数据的移动访问,了解物资在仓储中心的数据信息,并完成各种传感器参数的设置.

  参考文献:

  [1]刘云. 物联网导论[M].北京:科学出版社, 2011.

  [2]周艳.基于 RFID 的物联网仓储实验系统设计[J].长江大学学报:自然科学版,2012,9(8).

  [3]吴侃.基于 Zigbee 无线网络与 RFID 技术的烟草仓库烟箱管理系统[D].济南:山东大学,2012.

  [4]黄志雨.物联网中的智能物流仓储系统研究[J].自动化仪表,2011,32(3).

  [5] 孙 欣 .ZigBee 自 组 网 技 术 在 第 三 方 物 流 智 能 仓 储 中 的 应 用 [J]. 现 代 电 子 技术,2012,35(14).

  [6]丁明跃.物联网识别技术[M].北京:中国铁道出版社, 2012.

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