吳佳怡，馮 鋒

(寧夏大學(xué) 信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

倉儲(chǔ)管理是企業(yè)運(yùn)營(yíng)中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，倉庫管理涉及到的信息量暴增，而傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)管理方式會(huì)導(dǎo)致庫存信息處理速度低且易出錯(cuò)[2]，使企業(yè)難以保持高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致企業(yè)往往會(huì)花費(fèi)大量的人力財(cái)力[3]。在號(hào)召效率的今天，企業(yè)急需新的技術(shù)和方法來提高倉儲(chǔ)管理的效率、減少倉儲(chǔ)庫存貨物的出錯(cuò)率、優(yōu)化倉儲(chǔ)管理業(yè)務(wù)并能最大限度地減少人力財(cái)力的投入[4]。

根據(jù)調(diào)查，目前企業(yè)所使用的倉儲(chǔ)管理方法大體分為兩種，一種是基于人工記錄的方法，另一種是基于條碼技術(shù)的方法。基于人工記錄的方法除了處理速率與準(zhǔn)確率較低，且隨著倉儲(chǔ)貨物的劇增暴露出人力成本偏高、追蹤追溯困難、物資周轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。而條碼技術(shù)的引入雖然能提升人工記錄的效率與準(zhǔn)確率，但其功能單一，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求，從而制約了整個(gè)供應(yīng)鏈的效率。這兩種方式管理倉儲(chǔ)均存在多種問題，導(dǎo)致企業(yè)不能夠智能自動(dòng)化的管理倉儲(chǔ)。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，文中將多傳感信息融合技術(shù)應(yīng)用到倉儲(chǔ)管理領(lǐng)域可讓企業(yè)對(duì)倉庫進(jìn)行智能化、信息化的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)防倉儲(chǔ)中的貨物受潮、發(fā)霉等導(dǎo)致貨物損壞，可延長(zhǎng)倉庫中存儲(chǔ)貨物的時(shí)間；而將RFID技術(shù)加入到倉儲(chǔ)定位追蹤系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)倉庫中貨物的識(shí)別與管理，保證倉儲(chǔ)管理中各個(gè)基本作業(yè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速率和正確性；并能對(duì)倉儲(chǔ)中存儲(chǔ)的貨物進(jìn)行精確定位，減少在調(diào)庫出庫等情況下所走的重復(fù)路線，以此來提高倉儲(chǔ)管理的效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)采用傳感器模塊(如溫濕度傳感器)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將信息上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使用多傳感信息融合技術(shù)處理收到的環(huán)境信息，從而得到精準(zhǔn)的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)管理的智能控制；采用無線射頻識(shí)別標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度，通過三邊測(cè)量法計(jì)算出貨物坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的精準(zhǔn)定位。

圖1 倉儲(chǔ)定位與追蹤

2 模塊設(shè)計(jì)

倉儲(chǔ)定位追蹤系統(tǒng)按照三層模塊規(guī)劃，根據(jù)智能倉儲(chǔ)自動(dòng)化管理要求及信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)流程，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理三部分。

2.1 數(shù)據(jù)感知

數(shù)據(jù)感知部分負(fù)責(zé)對(duì)基本信息進(jìn)行采集，在倉儲(chǔ)定位與追蹤系統(tǒng)中需要采集信息的環(huán)節(jié)有兩大部分，分別是倉儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)的信息和貨物的基本信息。對(duì)于倉儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)的信息采集，通過在倉庫放置溫濕度、光照強(qiáng)度傳感器感知倉儲(chǔ)環(huán)境基本信息；針對(duì)貨物基本信息的采集，通過無線射頻識(shí)別標(biāo)簽感知被存儲(chǔ)貨物的入庫時(shí)間、出庫時(shí)間、類型、狀態(tài)等基本信息。倉儲(chǔ)定位與追蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知所需設(shè)備如表1所示。

表1 系統(tǒng)信息采集

溫濕度傳感器采用DHT11。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)[5]，具有體積小巧、操作簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[6]，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

光照度傳感器采用GY-30。GY-30就是一種通用的光照度檢測(cè)模塊，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，直接數(shù)字輸出，具有光照識(shí)別范圍大、功耗低、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)[7]，適合倉儲(chǔ)這種大而空曠的地方使用。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至倉儲(chǔ)定位與追蹤管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊需要一種短距離無線通訊。相較于其他常用的短距離無線通信(藍(lán)牙、無線寬帶、超寬帶、近場(chǎng)通訊等)，由于ZigBee協(xié)議具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本[8]等優(yōu)勢(shì)，因此該系統(tǒng)采取ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee無線傳感網(wǎng)主要有三種邏輯設(shè)備類型:coordinator(協(xié)調(diào)器)、router(路由器)和end-device(終端設(shè)備)[9]。ZigBee模塊采用CC2530模塊，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于無線組網(wǎng)、安全和應(yīng)用等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[10]。協(xié)調(diào)器由CC2530核心板、CC2530底板組成，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置、啟動(dòng)和維護(hù)、節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。路由器由CC2530核心板、CC2530底板組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備由多個(gè)傳感器組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。

通常一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和終端設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，并最終輸出結(jié)果。該模塊主要分為兩大部分，分別是倉庫中貨物的定位部分與倉庫環(huán)境監(jiān)控。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)倉庫中貨物的定位，原有的空間定位系統(tǒng)雖然很完善，但是其應(yīng)用范圍局限于室外。室內(nèi)環(huán)境具有空間較為狹小、障礙物較多等特點(diǎn)，因此，原有的系統(tǒng)不能發(fā)揮其效用。在對(duì)比目前幾種較為常用的室內(nèi)定位方式的基礎(chǔ)上，從倉儲(chǔ)管理的具體情況出發(fā)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論，采用RSSI進(jìn)行智能節(jié)點(diǎn)與待定位貨物的距離估算，采用三邊測(cè)量法(見圖3)計(jì)算出貨物的精準(zhǔn)位置[11]。設(shè)未知貨物位置坐標(biāo)為(x,y)，已知三個(gè)貨物位置的智能節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，未知貨物節(jié)點(diǎn)到已知貨物位置的智能節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3，如圖3所示，可得：

(x-xa)2+(y-ya)2=da,a=1,2,3

(1)

圖3 三邊測(cè)量法

聯(lián)立方程組，即可得到未知貨物的坐標(biāo)(x,y),從而得到貨物的精準(zhǔn)定位。

針對(duì)倉庫環(huán)境監(jiān)控，由于倉儲(chǔ)定位追蹤管理系統(tǒng)收集到的大量環(huán)境數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，采用多傳感信息融合技術(shù)進(jìn)行處理。多傳感信息融合(multi-sensor information fusion，MSIF)或稱多傳感器數(shù)據(jù)融合(multi-sensor data fusion)，是20世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)防部[12]在開發(fā)聲納信號(hào)處理系統(tǒng)時(shí)，為了獲得更好的水下聲吶信息而提出的一種方法[13]，并開始了相關(guān)技術(shù)的研究工作。多傳感信息融合具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)精度、增強(qiáng)系統(tǒng)抗識(shí)別能力等優(yōu)勢(shì)。這種技術(shù)最初多用于軍事領(lǐng)域，但隨著傳感器技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，多傳感信息融合也在智能處理與工業(yè)化控制等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

目前為止，對(duì)于多傳感信息融合的模型及融合方法，國(guó)內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[14]。各個(gè)行業(yè)都根據(jù)自己的需要制定出一套屬于自己行業(yè)的融合方法，常見的有卡爾曼濾波、D-S證據(jù)推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯推理等方法。通過傳感器采集到的大量數(shù)據(jù)，由于傳感器本身的誤差及放置的位置帶來的誤差，得到的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致后續(xù)的控制判斷不準(zhǔn)確。所以該系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法來解決這種問題。

卡爾曼濾波(Kalman filtering)是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過程。卡爾曼濾波的整個(gè)過程可以描述為5個(gè)公式。

(1)狀態(tài)的一步預(yù)測(cè)方程：

(2)均方誤差的一步預(yù)測(cè)：

(3)濾波增益方程(權(quán)重)：

(4)濾波估計(jì)方程(T時(shí)刻的最優(yōu)值)：

(5)濾波均方誤差更新矩陣(T時(shí)刻的最優(yōu)均方誤差)：

Pt=[I-HtCt]pt,t-1。

按多傳感信息融合技術(shù)的方法處理采集到的數(shù)據(jù)，得到的精確環(huán)境信息與所要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，根據(jù)差距發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，燈、風(fēng)扇等執(zhí)行器執(zhí)行命令后即可把環(huán)境調(diào)節(jié)到要求的標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到預(yù)設(shè)目的。

3 結(jié)束語

研究了基于多傳感信息融合與無線射頻識(shí)別技術(shù)的倉儲(chǔ)優(yōu)化定位與追蹤管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠保證倉儲(chǔ)中儲(chǔ)存的貨物的質(zhì)量；同時(shí)可對(duì)倉庫中貨物進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，便于尋找貨物并且移動(dòng)，節(jié)約了人力物力；并將貨物管理的基本功能實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的人工記錄的倉儲(chǔ)管理技術(shù)相比較，該系統(tǒng)不僅可提升處理信息的速率與準(zhǔn)確率，還增加了其他功能，可達(dá)到智能自動(dòng)控制的管理標(biāo)準(zhǔn)；與基于條碼技術(shù)的倉儲(chǔ)管理技術(shù)相比較，雖然二者在處理庫存基本信息方面的效率與準(zhǔn)確率相似，但該系統(tǒng)增加了快速尋找貨物與智能監(jiān)控倉儲(chǔ)環(huán)境的功能，可幫助企業(yè)提升貨物出入庫的效率，并且可最大限度地減少因環(huán)境改變而導(dǎo)致貨物霉變、腐蝕等問題?？纱蟠筇嵘芾硇?，為企業(yè)節(jié)約成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。