楊 瑋， 鄢 陳， 張志遠， 張成澤， 張亞楠

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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(shè)備為基礎(chǔ)、計算機控制技術(shù)為手段的高效物流系統(tǒng).它集倉儲、輸送、分發(fā)于一體，已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和物流領(lǐng)域.在對貨物進行管理時，需要按照具體的調(diào)度方式存儲、配送.調(diào)度系統(tǒng)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(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計問題是一個關(guān)鍵問題.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對自動化立體倉庫的優(yōu)化問題的廣泛研究取得了一定的進展.在國外，Whitley等人對應(yīng)用于自動化立體倉庫調(diào)度的啟發(fā)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(tǒng)來對輔助決策立體倉庫中的調(diào)度問題并得到了應(yīng)用[2].Kim.Byung等提出了一種基于控制和調(diào)度系統(tǒng)的混合智能 Agnet 方法并通過實例證明該方法可以優(yōu)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(diào)度問題的混合算法[4].在國內(nèi)，剡昌鋒等運用遺傳算法對自動化立體倉庫的調(diào)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(yōu)化調(diào)度問題[6].楊瑋、傅衛(wèi)平等提出了基于多色集合和粒子群算法相結(jié)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(wěn)定性和出入庫效率問題[7].但是，目前大多數(shù)學(xué)者都是針對自動化倉庫輸送系統(tǒng)的調(diào)度進行建模分析或僅僅只是對貨位分配進行優(yōu)化，未能把射頻識別(Radio Frequency Identification，簡稱RFID)技術(shù)融合到自動化立體倉庫的優(yōu)化管理中.

為彌補上述研究的不足，本文構(gòu)建了基于RFID技術(shù)的自動化立體倉庫優(yōu)化管理系統(tǒng)，對其結(jié)構(gòu)和功能進行了分析.通過對典型RFID閱讀器的研究，實現(xiàn)了RFID硬件與管理系統(tǒng)軟件的正常通信，對利用RFID技術(shù)的自動化立體倉庫優(yōu)化管理系統(tǒng)的設(shè)計有較大參考意義.

1 RFID技術(shù)簡介

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

圖1 RFID系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

2.1 需求分析

在信息技術(shù)高度化發(fā)展的環(huán)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(chǎn)業(yè)鏈的競爭力.把先進的RFID技術(shù)應(yīng)用到目前的自動化立體倉儲管理系統(tǒng)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(xiàn)管理過程的智能化高效運行，自動化立體倉庫系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)需求可以概括為以下幾條：

達到真正實現(xiàn)儲存、出入庫、盤點、揀選運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的完全自動化要求，并規(guī)范業(yè)務(wù)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(nèi)部數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢；

智能動態(tài)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(chǎn)效率；

具備數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和存儲功能，使信息的價值可以得到最大化的體現(xiàn).

基于上述需求，結(jié)合RFID技術(shù)的特點，開發(fā)基于 RFID 技術(shù)的自動化立體倉庫優(yōu)化管理系統(tǒng)，以提高企業(yè)物流管理水平，提高企業(yè)經(jīng)濟效益[12].

2.2 功能設(shè)計

依據(jù)需求分析把系統(tǒng)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(tǒng)計與報表管理模塊和系統(tǒng)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(yōu)化管理系統(tǒng)功能模塊圖

2.2.1 系統(tǒng)信息管理模塊

系統(tǒng)信息管理模塊的功能是對整個系統(tǒng)的信息進行管理.它由用戶管理、客戶管理、供應(yīng)商管理、設(shè)備管理和貨物管理5個子模塊組成.當(dāng)用戶輸入自己的賬號和密碼后，會獲得預(yù)先分配的權(quán)限，進入系統(tǒng)后用戶可根據(jù)自己的權(quán)限角色來對系統(tǒng)的信息進行維護.系統(tǒng)管理員對此系統(tǒng)擁有最高權(quán)限，可以實現(xiàn)創(chuàng)建用戶信息、禁用用戶信息、用戶權(quán)限變更等功能；而客戶管理模塊與供應(yīng)商管理模塊是完成對業(yè)務(wù)往來密切的客戶與供應(yīng)商信息進行管理與維護；設(shè)備管理模塊實現(xiàn)設(shè)備信息的收集和管理；貨物管理模塊實現(xiàn)貨物信息的維護，當(dāng)有新產(chǎn)品需要入庫時，本模塊通過相應(yīng)的操作將產(chǎn)品的代碼、名稱和種類等信息添加到數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)產(chǎn)品出庫時也通過相應(yīng)的操作從數(shù)據(jù)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(tǒng)最核心的部分，整個模塊由入庫作業(yè)、出庫作業(yè)、盤存作業(yè)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(yè)模塊：帶有電子標(biāo)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(guān)信息自動輸入到倉儲管理系統(tǒng).系統(tǒng)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(guī)定范圍內(nèi)，則準(zhǔn)許入庫并將入庫信息轉(zhuǎn)換成庫存信息；若出現(xiàn)錯誤，則由系統(tǒng)輸出提示信息，由工作人員解決.倉儲管理系統(tǒng)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(yè)模塊：訂單到達倉庫后，倉儲管理系統(tǒng)會根據(jù)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(wù)，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(tǒng).系統(tǒng)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(yīng)更新；若出現(xiàn)錯誤，則由倉儲管理系統(tǒng)輸出提示信息，由工作人員解決.

(3)盤點作業(yè)模塊：盤點作業(yè)即以倉庫為單位，統(tǒng)計倉庫中各種貨物的數(shù)量，將統(tǒng)計結(jié)果與庫存表中相對應(yīng)貨物的數(shù)量進行對比，并進行盈虧統(tǒng)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(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)計，根據(jù)貨物名稱、貨物編碼或者倉庫名可以查詢貨物的當(dāng)前的庫存數(shù)量.

2.2.4 統(tǒng)計與報表管理模塊

對自動化立體倉庫系統(tǒng)相關(guān)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(tǒng)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(shè)備運行信息進行統(tǒng)計分析，方便用戶隨時查看[14].

2.2.5 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要是以防數(shù)據(jù)破壞而進行備份和數(shù)據(jù)還原工作，主要對象是系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原和日志管理.

3 讀寫器與計算機通信設(shè)計

構(gòu)建基于RFID技術(shù)的自動化立體倉庫優(yōu)化管理系統(tǒng)，除了包括管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的搭建，最關(guān)鍵和難度最大的是基于中間件技術(shù)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計.其功能是實現(xiàn)對讀寫器(Reader)獲取電子標(biāo)簽(E-Tag)儲存的大量信息的采集、處理和傳輸給管理系統(tǒng)的過程.而數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中的讀寫器與計算機通信功能進行設(shè)計.

3.1 讀寫器技術(shù)參數(shù)

讀寫器是通過射頻耦合向RFID標(biāo)簽寫入或讀出數(shù)據(jù)的設(shè)備，是連接電子標(biāo)簽與應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁.在RFID標(biāo)簽加載數(shù)據(jù)(初始化)時，讀寫器向RFID標(biāo)簽發(fā)出“寫”的命令，將數(shù)據(jù)寫入RFID標(biāo)簽；在自動識別時，讀寫器向RFID標(biāo)簽發(fā)出“讀”命令，電子標(biāo)簽在讀寫器讀寫范圍內(nèi)向讀寫器答應(yīng)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(biāo)簽的“反饋”信息，并將這些信息傳輸?shù)娇刂破?在自動化立體倉庫的應(yīng)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(yè)的AGV小車上也會安置讀寫器，讀取貨位標(biāo)簽上的貨物信息；同時，為了動態(tài)觀察出入庫作業(yè)，會在倉庫關(guān)鍵位置放置讀寫器，確定貨物出入庫的一個中間狀態(tài).

讀寫器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

頻率(Frequency)：902～928 MHz；

標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸率(Tag data rates)：每秒32 K bits；

工作電壓(Operating Voltage)：8～10 V；

總線接口(Bus Interface)：串行(Serial), RS-232 or RS-422；

讀取距離(Read Range)：最大100英尺；

寫入距離(Read Range)：通常為讀取距離的70%；

標(biāo)簽識別(Tag identification)：每秒多達30個標(biāo)簽；

寫入速度(Write Rate)：平均速率為每字節(jié)/每標(biāo)簽/20 ms；

協(xié)議(Protocol)：ANSI NCTIS T6 256-2001標(biāo)準(zhǔn)； 其端口狀態(tài)如圖3所示.

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

3.2 讀寫器與計算機通信協(xié)議

RFID讀寫器接口采用的是命令/響應(yīng)的結(jié)構(gòu)，外部主機給讀寫器發(fā)送一個命令，然后讀寫器執(zhí)行這個命令，執(zhí)行完成后，給主機一個響應(yīng).所有的命令和響應(yīng)使用ASCII碼.

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

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)域命令參數(shù)包括一系列定義從標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)類型.使用INT,HEX,STRING,TAGID這些數(shù)據(jù)類型，就可以從標(biāo)簽的任何內(nèi)存地址中讀到具體的數(shù)據(jù).

[Literal]:該命令參數(shù)是用來規(guī)定從基本用戶界面中返回的數(shù)據(jù)的格式.

BRI響應(yīng)格式舉例為:READ TAGID.這個帶有TAGID參數(shù)，不附帶數(shù)據(jù)域參數(shù)的命令可以找域中的所有標(biāo)簽，并為每一個標(biāo)簽返回一個標(biāo)簽識別符，每一個標(biāo)簽識別符最后都帶(CRLF).所有的標(biāo)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(shè)計

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

(1)設(shè)計流程

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

圖4 軟件設(shè)計流程

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

圖5 自動化立體倉庫優(yōu)化管理系統(tǒng)RFID配置可視化界面

(2)通信程序設(shè)計

通信程序主要包括串口初始化、 標(biāo)簽的識別與讀取以及顯示信息.串口初始化主要實現(xiàn)打開和關(guān)閉串口和設(shè)置波特率等功能.部分程序代碼如下：

SerialPort sp = null; //定義串口對象

for (int i = 0; i < 256; i++)

{try

{SerialPort sp = new SerialPort("COM" + (i +1).ToString());

sp.Open();

sp.Close();

cbxCOMPort.Items.Add("COM" + (i + 1).ToString());}

catch (Exception)

{lblStatus.Text = "COM" + (i + 1).ToString() + "不可用";

continue;}

} //檢測可用串口

//設(shè)置串口屬性

sp.cbxCOMPort="COM3"; //端口號為COM3

sp.cbxBaudRate="38 400"; //波特率為38 400 kbps

sp.cbxStopBits="1"; //停止位為8

sp.cbxDataBits="8": //數(shù)據(jù)位為8

sp.cbxParity="0": //檢驗位為0

sp.Open(); //打開串口

try

{//寫入串口數(shù)據(jù)

sp.WriteLine(tbxSendData.Text);}

catch (Exception)

{lblStatus.Text = "發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)生錯誤！";

return;}

try

{//讀取串口數(shù)據(jù)

tbxRecvData.Text += sp.ReadLine();}

catch (Exception)

{ lblStatus.Text = "讀取串口時發(fā)生錯誤！";

return;}

sp.Close(); //關(guān)閉串口

(3)程序調(diào)試與運行

程序編寫后需要進行調(diào)試和運行，才能確定它的實際使用效果.在這里使用調(diào)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(diào)試程序代碼；

②調(diào)試RFID Reader嘗試接收數(shù)據(jù)；

③解析數(shù)據(jù)，解析規(guī)則參考通信協(xié)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(shè)計基本完成，通過RS232串口實現(xiàn)計算機程序?qū)τ陂喿x器所閱讀的標(biāo)簽信息的獲取.

4 結(jié)論

隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展, 信息的自動錄入正成為信息流通的“瓶頸”.RFID 技術(shù)的使用能實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(yīng)鏈管理將普遍采用的技術(shù).

本文在對自動化立體倉庫的調(diào)度管理系統(tǒng)以及RFID技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將RFID技術(shù)融入到自動化立體倉庫中，構(gòu)建了基于RFID技術(shù)的自動化立體倉庫優(yōu)化管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)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(shù)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中的讀寫器與計算機通信功能進行設(shè)計，實現(xiàn)RFID硬件與調(diào)度系統(tǒng)軟件的正常通信，并對串口通信設(shè)計提供了指導(dǎo).該系統(tǒng)的開發(fā)為企業(yè)提高管理水平和效率，降低企業(yè)成本，提高企業(yè)競爭力提供了有益的思路.

[1] D.Whitley,A.E.Howe,S.Rana,et al.Comparing Heuristic Search Methods and Genetic Algorithms for Warehouse Scheduling.Systems[C]//Systems.New York:IEEE,1998:2 430-2 435.

[2] Donald.Tepas.Workfare decision support systems:A comprehensive methodological approach to work-scheduling problems[J].Theor Issues in Ergon,2003,4(1):22-24.

[3] Kim.Byung-In,Heragu.Sunderesh.S,Graves.robert.J,et al.A hybrid scheduling and control system architecture for warehouse management[J].IEEE Transactions on Robotics & Automation,2003,19(6):91-101.

[4] Shunji Tanaka.A hybrid algorithm for the input/output scheduling problem of multi-shuttle AS/RSs[C]//SICE.New York:IEEE,2007:2 643-2 648.

[5] 剡昌鋒,吳黎曉,胡赤兵.自動化倉庫在線調(diào)度問題的研究[J].機械研究應(yīng)用,2002,12(4):25-27.

[6] 田國會,劉常有.自動化立體倉庫若干優(yōu)化調(diào)度問題及其研究進展[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,31(1):15-20.

[7] 楊 瑋,傅衛(wèi)平,王 雯,等.基于多色集合和粒子群算法的立體倉庫貨位分配優(yōu)化[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2012,31(4):648-655.

[8] 王曉華,周曉光.射頻識別技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,29(11):30-31.

[9] 王 偉.射頻識別(RFID)技術(shù)及其應(yīng)用的研究[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,31(2):139-149.

[10] 丁振華,李錦濤,馮 波.RFID中間件研究進展[J].計算機工程，2006，32(21):9-11.

[11] 狄 菲,趙衛(wèi)東,周志平,等.倉儲管理中的RFID中間件設(shè)計[J].計算機應(yīng)用，2008,28(6):257-258.

[12] 王鵬程,王 娜.自動化立體倉庫倉儲管理系統(tǒng)的開發(fā)[J].科技信息,2011,28(31):98-125.

[13] 王 猛,唐敦兵,顧文斌,等.基于RFID離散制造業(yè)車間生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].中國制造業(yè)信息化,2012,41(11):14-17.

[14] 葉國權(quán),柴 華,楊淼淇.可視化智能倉儲信息管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].軟件,2012,33(2):64-66.

[15] 陳威佳,李志鵬,彭 濤.基于VB界面RFID讀寫器的串口通信上位機軟件設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010,23(4):83-99.

[16] 郭 麗,饒 豐,蔡 苗,等.基于自動化物流倉儲系統(tǒng)的PDA應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動化,2013,35(1):89-91.