基于物联网的智能仓储信息系统设计
第 1 章 引 言
随着电子商务的快速发展，网上购物被越来越多的人所接受，伴随着网购大军的不断壮大，我国的物流业得到了迅速发展。仓储作为物流链中的核心环节，其管理效率直接影响着整个物流链的运转速度。在仓储管理过程中，大量的仓储信息伴随着货物入库、货物出库以及货物管理等活动的发生而产生，若是人工对这些信息进行记录、核实，难免会出现疏忽从而造成不必要的损失，并且人工操作的效率太低，将会严重影响整个物流链的运转速度。如何实现仓储系统的智能化、信息化管理，提高仓库内工作人员和设备的使用率，缩短货物的出入库流程，是企业缩减成本，提高自身在行业中竞争力的关键。
RFID 技术的产生以及物联网技术的快速发展，使得仓储系统的智能化、信息化，由设想变为了现实。何为物联网？顾名思义，物联网是连接物品的网络，是一个让普通的物理对象实现互联互通并最终与互联网连接的网络。RFID 技术使得货物信息能够被快速准确地识别，物联网技术将货物与互联网相联系，使得货物信息能够通过网络被仓储管理中心及时获取，同时管理中心也可以通过网络对仓库工作人员下达任务指令，实现对货物的相应处理。
目前，国内很多企业在仓库管理方面都还采用人工管理的方式，该种方式存在很多问题并且效率低下导致货物的出入库流程繁琐耗时，严重影响了整个物流链的运转速度。研究该课题的意义在于解决人工仓储管理中存在的信息化程度不高、货物信息及货位信息无法快速获取等缺陷，实现企业对物流仓储高效合理地管理，对仓库内工作人员及设备进行合理地任务分配，缩短货物的出入库流程，进而加快企业整个物流链的运转速度，缩减企业仓库管理成本，提高企业的自身竞争力。
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20 世纪 60 年代初，自动化仓库已得到广泛应用，以日、美、西欧等国家最多。最早的自动化仓库仅仅是利用自动化设备进行货物的出入库操作，虽然还不能称之为真正的自动化仓库，但其与基础的仓库相比，人工成本大大降低，工作效率也得到提高。到了二十一世纪，随着科技的进步，自动化仓储技术日趋完善，自动化仓库的效率以及仓库内仓储空间的利用率都得到了很大的提高，但仓储的管理效率仍旧不高。随着物联网技术与无线网络技术的飞速发展，智能化、信息化成为物流仓储技术发展的趋势。国外已有很多企业在对智能物流仓储系统进行研究开发，广泛采用 RFID 技术或者条形码技术进行信息采集，支持无线网络进行数据传输，支持数据库服务能力实现仓储系统的智能化管理。如 Unified Barcode & RFID 公司开发了一款仓储管理系统，该系统支持 RF(WIFI)网络、RFID 货物识别，具有信息无线采集和接收、SQL 服务能力、货物跟踪等功能；IntellTrack 公司推出了 IntelliTrack 仓储管理系统，该系统具有仓位信息管理、货物满载报警、进货冲突报警等功能，通过 RFID 识别货物，利用无线网络实现信息传输；美国第三方 Catepillar 物流公司开发了一款仿真模拟软件 CLS 智能仓储系统，世界上最大的自动控制阀门生产制造商费舍尔在使用该系统后，仓库内货物的出入效率获得很大提高，而且效率的提高大大增加了客户的满意指数。
国内已有很多企业及研究机构开始对智能仓储系统进行研究，并致力解决现代物流仓储中存在的各种缺陷，如人力资源耗费大、货物出入库效率低、人工记录数据繁琐易出错、仓储管理效率低等。目前，国内已有很多相对成熟的智能仓储解决方案。CD 软件公司所设计的白沙物流管理系统中在货物出入库、仓库盘点、货位调整等环节应用无线网络技术，成为国内仓储领域无线网络使用的先例。顺和达软件公司出品的大型央企应用产品，其解决方案基于物联网技术和互联网技术，运用物联网技术获取仓储内的各种货物信息并将相关信息发送至 Internet 服务器，工作人员可通过互联网登录服务器进行相应的任务操作如动态盘点、动态库存、单据确认、库位管理等，该系列产品已在中石油、中石化、中铁、中水电等央企诸多属下机构成功应用。
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第 2 章 总体设计方案
在考虑仓库内无线网络的组网方案时，草定了两种方案，一是 WIFI 技术，一是ZigBee 技术。为了最终确定使用哪种方案，对两种技术进行了一些比较。首先是组网方式上的比较，ZigBee 技术采用的是自组网的方式，无需对单个 ZigBee 节点进行人工设定，并且每个 ZigBee 节点都可以单独工作，除协调器节点外的任何 ZigBee 节点出现问题都不会影响整个网络的运行；而 WIFI 技术需要通过搭建 AP（Access Point）来实现大范围的无线局域网的组建，并且每个 WIFI 节点都需要人工设定其 IP 地址，当某个AP 出现故障时，其覆盖范围内的所有 WIFI 节点都将无法正常工作。其次是网络节点灵活度的比较，ZigBee 网络具有自愈合的能力，子节点可自由加入网络以及自由离开网络，无需人工为其分配地址，这为仓库自由更换或添加终端设备提供了方便；而 WIFI无线局域网的子节点加入网络时需要人工对其分配 IP 地址并且必须是整个网络中唯一的 IP，若出现相同 IP 的两个子节点则可能导致两者 IP 地址冲突无法正常进行数据传输。从成本方面考虑，仓库内组网需要的子节点数量巨大，从硬件设备成本上考虑，ZigBee模块要比 WIFI 模块相对便宜，再者 WIFI 无线局域网的运行需要额外的网络通信费用。综合这些方面的比较，最终确定了 ZigBee 技术的组网方案。组建的 ZigBee 网络结构模型如图 2-1 所示。
考虑到仓库内平面空间较广，ZigBee 技术的通信距离有限，最终确定采用 ZigBee网络拓补结构中的网状网络拓补来进行组网，以便实现大范围面积的无线网络组建。由图 2-1 所示，该网络由协调器节点、路由器节点、终端节点，这三种不同功能的节点组建而成。其中，协调器节点是整个 ZigBee 网络组建者和运行维护者；路由节点负责为数据在终端节点与协调器节点之间的传输提供最优路径，保证仓库内各终端节点能够将数据迅速可靠地发送至协调器节点，并且能够扩展 ZigBee 网络的覆盖范围；终端节点安装在仓库内的各个现场终端设备，负责终端设备与 ZigBee 网络之间的通信。
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整个系统设计包括仓库现场终端设备的设计（安装在仓库出入口处的 RFID 固定读写器的设计，配备在工作人员身上的 RFID 移动读写器的设计，安装在叉车上的无线车载模块设计），现场终端设备节点的 ZigBee 组网，以及基于 ATMega128 的网关设计。
本设计利用 RFID 技术对货物信息进行快速识别，采用 ZigBee 技术组建仓库内的无线网络，采用 ZigBee/GPRS 无线网关实现仓库内的 ZigBee 网络与 Internet 网络的连接，进而实现现场终端设备与管理中心 Internet 服务器之间的相互通信。现场终端设备可将信息通过 ZigBee 网络传送至无线网关的微控制器中进行处理，处理后再经GPRS 模块将数据传送至管理中心的 Internet 服务器，同时现场的终端设备也可以接收管理中心下发的指令信息，进而执行相应的动作。
货物随托盘进出仓库，电子标签贴在托盘上，标签上存有厂家名称、产品的种类、名称、数量等信息。当货物送到仓库时，仓库入口处安装的固定读写器会对托盘上的电子标签进行扫描，从而获得相应货物的信息，然后将这些信息通过 ZigBee 网络传送至无线网关，经由网关上的微控制器进行处理后通过 GPRS 模块发送至管理中心的 Internet服务器，管理中心根据接收到的货物信息自动为该货物分配存储仓位，然后自动将仓位信息下发给该固定读写器，由它将仓位信息写入电子标签。随后管理中心工作人员便可对仓库内处于空闲状态叉车和配备移动读写器的工作人员下发相应的货物入库任务指令，使工作人员到入口处接收货物入库。货物经固定读写器扫描后，送入仓库的入库缓存区暂存，等同批次入库货物全部进入缓存区后，仓库内工作人员需要用移动读写器对货物信息重新扫描并上传，由管理中心对该货物的仓位信息、货物状态信息进行核查，确认仓位信息及货物状态信息均已填写，进而保证货物入库的后续流程能够顺利进行。
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3.1 RFID 技术概述 ···················11
3.2 RFID 读写器设计 ···················12
3.2.1 微控制器的选取 ··················13
3.2.2 读/写卡芯片及电子标签的选取············14
3.2.3 时钟模块设计 ··················17
3.2.4 数据存储模块设计 ·······18
3.2.5 液晶显示模块设计 ·········18
3.2.6 蜂鸣器电路设计 ············19
3.2.7 ZigBee 模块设计············20
3.2.8 外部中断电路设计 ········21
3.2.9 RFID 读写器供电电路设计··············22
3.2.10 RFID 读写器各功能的软件实现·············22
3.3 无线车载模块设计 ················28
3.3.1 无线车载模块电路设计············28
3.3.2 无线车载模块功能的软件实现············29
3.4 本章小结·····················30
第 4 章 智能仓储信息系统网络传输子系统设计·········31
4.1 通信协议的制定 ····················31
4.2 仓库内 ZigBee 网络传输·················31
4.2.1 ZigBee 技术简述··············31
4.2.2 ZigBee 网络组建··············32
4.2.3 仓库内无线网络中的数据传输············33
4.3 GPRS/Internet 网络传输···········34
4.4 无线网关设计 ················35
4.4.1 GPRS 模块电路设计 ···········36
4.4.2 ATmega128 与 MG323 的通信结构 ·········38
4.4.3 无线网关供电电路设计············39
4.4.4 GPRS 模块启动和联网的软件实现···········39
4.4.5 无线网关功能的软件实现·········40
4.5 本章小结·····················42
第 5 章 系统搭建与测试················43
5.1 系统搭建················43
5.1.1 数据中心管理平台设计·········43
5.1.2 仓库内网络的搭建 ·········44
5.2 系统测试················45
5.2.1 货物入库测试 ···············45
5.2.2 货物出库测试 ················49
5.3 测试结论····················51
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第 5 章 系统搭建与测试
数据中心管理平台是基于 Web 的数据管理和应用子系统，是在 Visual Studio 2010平台下用 C#语言编写的应用类软件，主要包括货物入库登记、出库登记、入库清单生成、出库清单生成、任务分配等功能，可直接访问管理中心服务器，获取相关信息，显示到界面上供管理人员查看。
数据中心管理平台置于监控端计算机上，本次实验在 ChinaNet 网络环境下进行，GPRS 模块连接的服务器的 IP 为：27.129.163.78，端口号为 1000。服务器通过 Internet网络与无线网关相连，接收读写器扫描获得的货物信息，进行分类存储处理后，将相应信息送至管理平台界面进行显示。工作人员也可通过该平台给仓库内配备移动读写器的工作人员和装载无线车载模块的叉车下达安排任务。移动读写器和无线车载模块的机器编号分别与相应工作人员和叉车的编号一一对应，方便管理平台的给仓库内工作人员合理安排任务。固定读写器也有相应的机器编号，并且与其安装的位置即入库口或出库口的编号一致，方便管理中心对不同出入口进出的货物进行区分。
在进行系统测试时，由于实验室条件有限，并未进行大量现场终端设备的组网试验，而是组建了一个小型的仓库网络，网络覆盖面积大概 100 平米，包括两个固定读写器，多个手持移动读写器，多个无线车载模块，多个路由节点，一个无线网关。通过该小型仓库网络模拟整个系统的运行，并进行相应的系统功能测试。
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结论
在实验室环境下，自行搭建系统模型，对系统进行测试，达到了预期设计目标，初步实现了物流仓储的信息化、网络化、智能化管理，解决了常规仓库人工管理带来的繁琐耗时及容易出现的记录错误等缺陷，提高了仓储管理的工作效率，进而加快了整个物流过程的运转速度。系统经过近 48 小时连续运行，期间进行了约 20 次系统测试，各终端设备及无线网关工作正常，系统运行稳定。
本系统还可以进一步完善，可以增加一些 ZigBee 终端节点通过各种环境监测传感器对仓库内的环境进行监控，因为作为货物存储的仓库，其温、湿度环境有相应的标准，各环境监测传感器采集环境信息后通过 ZigBee 网络及无线网关最终将环境信息上传至管理中心，管理中心根据采集到的信息与相应的标准作比较，随后作出相应动作。还可增加火灾险情监测传感器，实现仓库内的火灾险情的现场报警及管理中心报警。
参考文献（略）
本文编号：42014
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/42014.html
