郭　鵬，周　俊,胡　慧

(1.湖南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

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智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭鵬1，周俊1,胡慧2

(1.湖南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

針對(duì)傳統(tǒng)倉儲(chǔ)管理浪費(fèi)人力、消耗財(cái)力、效率低下等問題，智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)利用RFID和ZigBee信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了貨物的智能入庫、揀貨、出庫，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控倉庫的溫濕度、煙霧等儲(chǔ)存環(huán)境.從系統(tǒng)運(yùn)行效果看，智能倉儲(chǔ)管理真正做到了無人值守和實(shí)時(shí)監(jiān)控.

智能倉儲(chǔ)；ZigBee；RFID

0　引　言

傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)管理以人為干預(yù)為主，從入庫、揀貨到出庫基本上都是依靠人力完成，以至于人力物力消耗巨大，效率很低.依賴于信息技術(shù)的智能倉儲(chǔ)管理雖然已經(jīng)引入了一些智能化設(shè)備，但總體上仍然處于初始階段，主要表現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，智能設(shè)備的連接以有線為主，不利于倉庫的二次改造和布線.

現(xiàn)階段，智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)逐步開始結(jié)合無線通信技術(shù)和射頻技術(shù)[1,2]，這些新技術(shù)的引入加速了現(xiàn)有倉儲(chǔ)的二次改造和智能化，無線網(wǎng)絡(luò)在布線上的靈活性，能很好滿足智能倉儲(chǔ)管理中數(shù)據(jù)近距離和低速率的需要.同時(shí)，隨著RFID無線射頻技術(shù)的發(fā)展，從貨物入庫到出庫的整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)了飛躍性的發(fā)展和創(chuàng)新性的變革.RFID非接觸、讀寫速度快的特點(diǎn)，使得貨物在入庫、揀貨、出庫等環(huán)節(jié)上可完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器化和智能化.

近來，面向ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)已然成為了當(dāng)前社會(huì)的研究熱點(diǎn)，相關(guān)方面的理論研究和應(yīng)用也取得了豐碩的成果.ZigBee具有無線自組網(wǎng)和低功耗的特點(diǎn)，并且可以嵌入到各種移動(dòng)設(shè)備，非常適合對(duì)倉庫廣闊空間內(nèi)各種環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測.

1　相關(guān)技術(shù)

LabVIEW是美國NI公司推出的一種集成開發(fā)環(huán)境，采用與傳統(tǒng)文本字符代碼完全不同的圖形化編程語言，在程序運(yùn)行方式上，LabVIEW的G語言程序根據(jù)數(shù)據(jù)流的流動(dòng)來運(yùn)行程序，而不是根據(jù)指令的空間順序來運(yùn)行，所以不具備傳統(tǒng)高級(jí)語言程序時(shí)間局部性和空間局部性的特點(diǎn).除圖形化編程以外，LabVIEW的顯著特點(diǎn)是具備功能強(qiáng)大的函數(shù)庫和豐富的圖形界面控件，LabVIEW的函數(shù)庫包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)等一系列數(shù)據(jù)相關(guān)函數(shù)，圖形界面控件包含了外觀類似于示波器、萬用表等的用戶界面，所以LabVIEW非常適合于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和虛擬儀器編程、控制和仿真[3].

藍(lán)牙作為低速、短距離、低功耗的無線通信方式，一直以來是工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制領(lǐng)域的首選方案，但其功耗大、組網(wǎng)規(guī)模小、價(jià)格昂貴，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線通信技術(shù)，采用了五層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，傳輸可靠性高，自組網(wǎng)能力強(qiáng).通過物理層使用擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)，MAC層使用CSMA沖突避免和應(yīng)答重傳機(jī)制，ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸可靠性有了很大提高，而在自組網(wǎng)方面，ZigBee采用了直擴(kuò)方式，各傳感器節(jié)點(diǎn)可以在1秒內(nèi)自由加入網(wǎng)絡(luò)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)只有8各節(jié)點(diǎn)，而ZigBee自組網(wǎng)可以達(dá)到65000個(gè)節(jié)點(diǎn).

所以，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)非常適合具有大量分散傳感器的控制領(lǐng)域[4].

RFID是指無線射頻技術(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，它主要用于非接觸的讀寫目標(biāo)數(shù)據(jù).它由專用的RFID讀寫器和RFID標(biāo)簽兩部分構(gòu)成，與傳統(tǒng)條形掃描采用光信號(hào)不同的是，RFID讀寫器采用的高頻率信號(hào)，根據(jù)供電方式，RFID可分為有源RFID和無源RFID兩種，有源RFID使用自供電，可滿足遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)掃描需要，無源RFID使用近距離讀寫器供電，用于近距離數(shù)據(jù)讀寫和定位，由于RFID易于操控、高速率識(shí)別、非接觸的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到智能交通、醫(yī)院、智慧城市等智能控制領(lǐng)域.

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)倉庫智能化管理，該系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示.

圖1　功能模塊圖

在智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，上位機(jī)處理中心是該系統(tǒng)的核心，處理中心中配置有信息處理和監(jiān)測環(huán)境的軟件[6]， 可以對(duì)入庫出庫貨物的信息進(jìn)行處理，該系統(tǒng)的運(yùn)行處理過程為：

(1)上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，對(duì)貨物的基本信息存取.

(2)溫度節(jié)點(diǎn)，濕度節(jié)點(diǎn)，煙霧濃度節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給ZigBee協(xié)調(diào)器.

(3)協(xié)調(diào)器將整合來自出庫各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再通過串口傳給上位機(jī).

(4)每個(gè)貨物都攜帶有特定的RFID標(biāo)簽，通過RFID讀寫器將信息存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，同時(shí)更新上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫.

(5)上位機(jī)與讀寫器之間的通信是通過路由器，設(shè)定好路由器的IP地址，與上位機(jī)通信.

(6)上位機(jī)軟件處理所有數(shù)據(jù)信息以及與ZigBee協(xié)調(diào)器和讀寫器通信.

2.2系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1ZigBee組網(wǎng)

組建一個(gè)完整的Zigbee網(wǎng)絡(luò)分為兩步：第一步是協(xié)調(diào)器初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；第二步是路由器或終端加入網(wǎng)絡(luò).

1)協(xié)調(diào)器初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)

協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的流程如圖2所示.

圖2　協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)

(1)檢測協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)是通過NLME_NETWORK_FORMATION.request發(fā)起的，但發(fā)起NLME_NETWORK_FORMATION.

(2)信道掃描，協(xié)調(diào)器發(fā)起建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將請(qǐng)求MAC子層對(duì).

(3)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如果掃描到一個(gè)合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN描述符.

(4)運(yùn)行新網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置好后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過MLME_START.

通過以上流程協(xié)調(diào)器就建立了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并處于允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài).

2)路由器或終端加入網(wǎng)絡(luò)

子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求通過MAC關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程如圖3所示.

圖3　加入網(wǎng)絡(luò)

步驟如下：

(1)子節(jié)點(diǎn)發(fā)起信道掃描

(2)子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)各PAN信息

(3)子節(jié)點(diǎn)選擇父節(jié)點(diǎn)

(4)子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求MAC關(guān)聯(lián)

(5)父節(jié)點(diǎn)響應(yīng)MAC關(guān)聯(lián)

(6)子節(jié)點(diǎn)響應(yīng)連接成功

(7)父節(jié)點(diǎn)響應(yīng)連接成功

2.2.2上位機(jī)軟件編寫

上位機(jī)程序采用Labview實(shí)現(xiàn)，功能是編寫網(wǎng)絡(luò)接口與讀寫器通信，編寫串口接口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信.

3　運(yùn)行效果

3.1貨物上架

將貨物放置于對(duì)應(yīng)的貨架上時(shí)，效果如圖4所示.

圖4　貨物上架

3.2環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境的溫濕度以及煙霧濃度監(jiān)測界面，效果如圖5所示.

圖5　環(huán)境監(jiān)測

4　結(jié)束語

該智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)的智能化管理，不僅可以提高貨物出入庫的效率，實(shí)現(xiàn)貨品的信息化統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)揀貨、盤點(diǎn)和管理，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控倉庫的溫度、煙霧等環(huán)境信息，預(yù)防火災(zāi)等安全隱患的發(fā)生. 因此具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，值得應(yīng)用和推廣.該系統(tǒng)結(jié)合了應(yīng)用廣泛的無線通信技術(shù)，使得管理更加便捷化，智能化，方便化.如若將本系統(tǒng)移植到移動(dòng)應(yīng)用端，那將具有更廣闊的市場前景.

[1] 華玉鑫. 倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 信息通信, 2016，(1)：146-147.

[2] 劉曉麗,李平.倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 中國市場, 2013，(18)：13-14.

[3] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)出版社, 2005.

[4] 李戰(zhàn)明,李振興.ZigBee技術(shù)在人員搜救系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào)， 2011，25(2)：186-189.

[5] 王曉華.RFID技術(shù)在卡片倉庫管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 物流技術(shù)， 2008，27(7)：119-123.

[6] 高連周.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能物流管理系統(tǒng)的構(gòu)建[J]. 物流技術(shù)， 2012，31(12)：124-125.

Design and Implementation of Intelligent Warehouse Management System

GUO Peng1，ZHOU Jun1,HU Hui2

(1.Colleage of Computer and Communication,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104, China;2. College of Electrical & Information Engeering,Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

Considering waste of human resources, consumption of financial resources, delay time and other issues for traditional warehouse management, intelligent warehouse management system carries out intelligent warehousing, picking goods and monitoring in real time temperature and humidity, smoke and other storage environment by using RFID and ZigBee information technology. From the view of the system operation effect, the intelligent storage management has realized unmanned and real-time monitoring.

intelligent warehouse; ZigBee; RFID

2016-04-20

郭鵬(1978-)，男，博士研究生，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、語義物聯(lián).

TP311.13

A

1671-119X(2016)03-0042-04