張芹, 應(yīng)君裕, 沈誠, 章一萍

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司 計(jì)量中心, 湖北 武漢 430080;2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著電力公司信息化建設(shè)水平的不斷提高，通過自動(dòng)化計(jì)量庫房的建設(shè)實(shí)現(xiàn)計(jì)量資產(chǎn)出入庫、資產(chǎn)盤點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)度，提升庫房資產(chǎn)管理人員的工作效率，實(shí)現(xiàn)計(jì)量資產(chǎn)的精細(xì)化管理甚至在庫計(jì)量資產(chǎn)的泛在互聯(lián)已經(jīng)成為電力公司亟待解決的管理痛點(diǎn)[1]。目前大多數(shù)計(jì)量庫房的管理仍處于手動(dòng)或半自動(dòng)化管理狀態(tài)。在計(jì)量資產(chǎn)入庫過程中，由于數(shù)量龐大，完全依靠人工操作，耗費(fèi)大量工作時(shí)間，并且長時(shí)間進(jìn)行機(jī)械操作容易導(dǎo)致較大的故障概率[2-3]。即使一些計(jì)量庫房開始使用條形碼技術(shù)來識(shí)別計(jì)量資產(chǎn)信息，但是因?yàn)楦皆谟?jì)量設(shè)備外表面的條形碼很容易磨損或被遮蓋，造成計(jì)量資產(chǎn)識(shí)別失敗。因此將物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于計(jì)量庫房的管理成為電力公司計(jì)量資產(chǎn)主管部門的必然選擇。RFID標(biāo)簽是嵌入標(biāo)簽數(shù)據(jù)中的芯片，由于標(biāo)簽表面的損壞，完全避免了識(shí)別困難[4]。即使在沒有光線的環(huán)境中，也可以成功讀取標(biāo)簽的信息。同時(shí)，由于計(jì)量資產(chǎn)類型和型號(hào)眾多，電子標(biāo)簽的信息存儲(chǔ)量大可以更好實(shí)現(xiàn)計(jì)量資產(chǎn)信息的詳細(xì)記錄，彌補(bǔ)了條形碼信息量較少的缺陷，更有利于貨物的監(jiān)控，避免了計(jì)量庫房管理中不必要的麻煩[5]。因此，本研究設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的高效智能的計(jì)量庫房自動(dòng)化管理系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

IOT是物聯(lián)網(wǎng)的縮寫。從技術(shù)角度看，物聯(lián)網(wǎng)可以概括為：物理和虛擬對(duì)象的鏈接、對(duì)象識(shí)別、自主數(shù)據(jù)采集和感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)連接、聯(lián)盟服務(wù)和全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)包括3個(gè)不同的層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示[6]。

圖1 IOT的三層架構(gòu)

感知層由傳感器組成，可以對(duì)位置或環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。

網(wǎng)絡(luò)層是使用各種各樣的無線接入技術(shù)，為應(yīng)用層和感知層之間提供數(shù)據(jù)傳輸功能。在網(wǎng)絡(luò)層中每個(gè)IOT設(shè)備都有一個(gè)IP地址，具備遠(yuǎn)程連接的功能。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)核心，是實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化管理業(yè)務(wù)或智能化控制系統(tǒng)的主要載體。

1.2 射頻識(shí)別

RFID技術(shù)是在物體上嵌入PFID標(biāo)簽，通過RFID閱讀器獲取信息。RFID系統(tǒng)通常包括標(biāo)簽、閱讀器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。RFID是一種利用無線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)無物理連接的雙向交通的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，同時(shí)獲取相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)。整個(gè)RFID識(shí)別過程不需要人工干預(yù)，對(duì)工作環(huán)境的要求特別低，廣泛應(yīng)用于沙漠、戈壁等無人區(qū)域。RFID技術(shù)被用來跟蹤運(yùn)動(dòng)中的物體或識(shí)別大量的物體。RFID不僅高效，而且準(zhǔn)確可靠。短距離射頻產(chǎn)品也可以在環(huán)境特別惡劣或?qū)θ梭w健康有害時(shí)正常使用，所以已經(jīng)成為條形碼的高效替代技術(shù)。例如，在化學(xué)灌裝線上跟蹤化學(xué)存儲(chǔ)容器，在ETC自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)使用遠(yuǎn)距離射頻技術(shù)在5米外完成車輛識(shí)別，區(qū)域車輛識(shí)別門禁系統(tǒng)也采用了遠(yuǎn)程RFID技術(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

計(jì)量庫房自動(dòng)化管理的主要功能是依靠超高頻RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)量資料的自動(dòng)化庫存管理主要取決于RFID標(biāo)簽與讀寫器之間能否進(jìn)行信息交換。如果讀寫器無法與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無論如何庫管系統(tǒng)都無法正常工作。因此讀寫器成功地傳輸和接收RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是基于RFID解決方案的庫管系統(tǒng)正常工作的前提。

基于物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量庫房自動(dòng)化管理原型系統(tǒng)的硬件設(shè)備考慮了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境。選擇功能模塊的精度，以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)因素，最終選擇的設(shè)備參數(shù)如下[7]。

標(biāo)簽型號(hào)：IS014443TYPEA MF系列不干燥不干膠紙電子標(biāo)簽;

感應(yīng)頻率：14.0±0.5 MHz;

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：IS014443TYFEA;

工作頻率：13.56 MHz;

通信速度：106 kits/s;

可擦次數(shù)：10萬次;

讀寫設(shè)備：四通道遠(yuǎn)程讀寫；

寫入設(shè)備：JT900R;

支持協(xié)議:ISO14443TYPEA/B,ISO15693;

與計(jì)算機(jī)接口:RS232/485/TTL/USB;

工作溫度區(qū)間：-20至60 ℃。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S模型三層架構(gòu)設(shè)計(jì)。通過將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用程序分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊高內(nèi)聚、低重合的要求[8-9]。軟件系統(tǒng)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

UI表示層(UI)是用戶使用系統(tǒng)時(shí)呈現(xiàn)在用戶面前的軟件界面。業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)是一種特定的面向問題的操作，可以理解為獲取一個(gè)操作命令并處理業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)訪問層(DAL)提供完成數(shù)據(jù)添加、刪除、更改和檢查等工作的數(shù)據(jù)庫操作功能。

本設(shè)計(jì)中的三層體系結(jié)構(gòu)實(shí)際上是在頂層表示層和底層數(shù)據(jù)訪問層之間添加一個(gè)中間業(yè)務(wù)邏輯層，后者處理業(yè)務(wù)邏輯和主要功能。所以，三層架構(gòu)不能簡單地理解為傳統(tǒng)意義上的三臺(tái)機(jī)器，而是邏輯上的三層軟件架構(gòu)，也許這三層功能運(yùn)行在在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中。軟件用戶界面不與數(shù)據(jù)庫直接連接，而是以業(yè)務(wù)邏輯層為鏈接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行間接交互。表示層位于頂層，直接面向用戶。軟件用戶界面位于能夠接收和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的層上。業(yè)務(wù)邏輯層在三層體系結(jié)構(gòu)中位于中間層，在上下兩層之間的信息傳遞過程中起著非常重要的作用。業(yè)務(wù)邏輯層具有低耦合結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)在層與層之間從上到下傳輸。因此，更改上層的代碼實(shí)現(xiàn)過程不會(huì)更改底層應(yīng)用程序。此外本研究在實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的過程中采用面向接口的開發(fā)模式，進(jìn)一步降低了層之間的依賴性。因此，對(duì)于可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)邏輯層扮演兩個(gè)角色：是數(shù)據(jù)訪問層的指令發(fā)布方；是表示層的指令接收方。由此可見業(yè)務(wù)邏輯層的重要性不言而喻。數(shù)據(jù)訪問層，也稱為數(shù)據(jù)持久層，主要功能是操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

物流自動(dòng)化管理系統(tǒng)總體E-R，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)E-R圖

2.4 RFID標(biāo)簽防撞算法的比較與分析

常見的RFID標(biāo)簽讀取防碰撞算法有基本二叉樹防撞算法、動(dòng)態(tài)二叉樹防撞算法和后退二叉樹防撞算法[10-11]。三種算法的發(fā)送二進(jìn)制請(qǐng)求代碼的總數(shù)量，如圖4所示。

圖4 三種算法的發(fā)送二進(jìn)制請(qǐng)求代碼的總數(shù)量

從圖4可以看出，后向二叉樹防碰撞算法傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼總量明顯小于基本二叉樹防碰撞算法和動(dòng)態(tài)二叉樹防碰撞算法。同時(shí)讀取20個(gè)RFID標(biāo)簽時(shí),基本二進(jìn)制樹防碰撞算法需要發(fā)送請(qǐng)求244位代碼,動(dòng)態(tài)二進(jìn)制樹防碰撞算法需要發(fā)送請(qǐng)求代碼為2 304位,后向二進(jìn)制樹防碰撞算法需要發(fā)送請(qǐng)求代碼為1 664位,不到一半的發(fā)送的請(qǐng)求代碼基本二進(jìn)制樹防碰撞算法。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量長期持續(xù)增加時(shí)，三種算法的性能都有所下降，但與基本的二叉樹防碰撞算法和動(dòng)態(tài)二叉樹防碰撞算法相比，后向二叉樹防碰撞算法的性能較慢，降低率較小。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量最大為100時(shí)，基本的二叉樹防碰撞算法需要發(fā)送51 200位的請(qǐng)求代碼，動(dòng)態(tài)二叉樹防碰撞算法需要發(fā)送40 960位的請(qǐng)求碼，而后退二叉樹防碰撞算法只需要發(fā)送30 720位的請(qǐng)求碼。這充分證明了后向二叉樹防沖突算法在識(shí)別標(biāo)簽時(shí)發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)更少。

因此，與基本的二叉樹防碰撞算法和動(dòng)態(tài)二叉樹防撞算法相比，后向二叉樹防撞算法能夠更快地識(shí)別所有標(biāo)簽。當(dāng)然，為了保證所有標(biāo)簽都能準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)簽，后退二叉樹的抗碰撞算法也會(huì)有一定數(shù)量的冗余請(qǐng)求碼[12]。但是，發(fā)送的請(qǐng)求代碼數(shù)量仍然明顯少于基本的二叉樹防沖突算法和動(dòng)態(tài)二叉樹防碰撞算法。此外，后向二叉樹防碰撞算法減少了傳輸請(qǐng)求的數(shù)量，也降低了碰撞比特大小的概率，在一定程度上減少了標(biāo)簽的識(shí)別時(shí)間。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 主要業(yè)務(wù)流程

當(dāng)計(jì)量資產(chǎn)被導(dǎo)入庫房所安裝RFID閱讀器，通過調(diào)用RFID標(biāo)簽防碰撞算法所有附在計(jì)量資產(chǎn)上的RFID標(biāo)簽信息都被識(shí)別出來。然后，通過信息采集和處理接口，將其發(fā)送到庫房管理模塊，庫房管理模塊根據(jù)標(biāo)簽代碼對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并及時(shí)生成庫存清單。接下來，系統(tǒng)通過本地?cái)?shù)據(jù)庫接口更新本地?cái)?shù)據(jù)庫中的庫存表。倉儲(chǔ)模塊根據(jù)資產(chǎn)類別分配庫區(qū)和貨位。操作員收到指令掃描位置標(biāo)簽，并將資產(chǎn)放置在正確的庫區(qū)和貨位。計(jì)量資產(chǎn)就位后，對(duì)資產(chǎn)的外包裝進(jìn)行RFID標(biāo)簽掃描，確認(rèn)資產(chǎn)已存儲(chǔ)在正確貨位內(nèi)。最后，系統(tǒng)生成了庫存摘要清單并更新數(shù)據(jù)庫。入庫業(yè)務(wù)流程圖，如圖5所示。

圖5 入庫業(yè)務(wù)流程

當(dāng)系統(tǒng)收到出庫清單時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)庫房中計(jì)量資產(chǎn)貨位的遠(yuǎn)近來安排出庫順序。庫房操作員按指定順序依次到達(dá)指定地點(diǎn)，掃描位置標(biāo)簽，再掃描計(jì)量資產(chǎn)RFID標(biāo)簽，確認(rèn)正確的資產(chǎn)。同時(shí)，將所選庫位庫存狀態(tài)轉(zhuǎn)換為空。當(dāng)清單中的所有計(jì)量資產(chǎn)都安排好后，通過庫房出口處安裝的標(biāo)簽閱讀器，調(diào)用后退標(biāo)簽防碰撞算法對(duì)所有RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行識(shí)別。此外，所識(shí)別的信息通過信息采集和處理接口發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理模塊，以獲取計(jì)量資產(chǎn)信息，自動(dòng)生成資產(chǎn)清單并與出庫清單進(jìn)行比較。如果不一致，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示信息，提醒庫管員檢查；如果一致，則會(huì)順利出運(yùn)，庫存數(shù)據(jù)庫會(huì)更新。

3.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)功能黑盒測試的主要任務(wù)是檢查所有功能的正確性。測試的關(guān)鍵是根據(jù)特定的功能特征或設(shè)計(jì)用例直接測試這些功能。測試主要目的是通過檢查結(jié)果的正確性來判斷系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能或業(yè)務(wù)規(guī)則。大多數(shù)功能測試都是由用戶直接通過系統(tǒng)UI進(jìn)行的。提交輸入后，通過判斷輸出或分析結(jié)果來定義測試的最終成功或失敗。

系統(tǒng)中用戶登錄功能測試:用戶登錄輸入正確的用戶類型、用戶ID和密碼。只有用戶類型、用戶ID和密碼格式正確，且用戶類型、用戶ID和密碼匹配，用戶才能成功登錄應(yīng)用系統(tǒng),如表1所示。

用戶信息管理功能測試:測試顯示庫房操作員可以成功添加用戶信息，可以修改或刪除添加的用戶信息,如表2所示。

表1 系統(tǒng)登錄測試用例

表2 添加用戶功能測試用例

庫存計(jì)量資產(chǎn)信息管理功能測試:測試結(jié)果表明庫房管理員可以成功添加計(jì)量資產(chǎn)的詳細(xì)信息;如果數(shù)據(jù)輸入不合理，系統(tǒng)可以識(shí)別出來，并修改或刪除添加的信息,如表3所示。

表3 添加計(jì)量資產(chǎn)信息功能測試用例

計(jì)量資產(chǎn)倉管功能測試:主要測試庫管員能否使用RFID讀取設(shè)備同時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別各種計(jì)量資產(chǎn)的信息，并將其放入數(shù)據(jù)庫記錄表中,如表4所示。

表4 計(jì)量資產(chǎn)庫存管理功能測試用例

3.3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

通過對(duì)計(jì)量庫房自動(dòng)化管理原型系統(tǒng)的測試，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行如下分析。

從測試結(jié)果來看，該系統(tǒng)利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)批量計(jì)量資產(chǎn)的配送、倉儲(chǔ)和庫存的管理。由于檢測物品種類少、數(shù)量少、標(biāo)簽信息的采集精度高，誤差很小。

通過詳細(xì)的測試用例，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤或崩潰。該倉庫管理系統(tǒng)能夠滿足物流自動(dòng)化管理的需要。

4 總結(jié)

本研究通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在計(jì)量庫房自動(dòng)化管理中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究和分析，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量庫房自動(dòng)化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了使用RFID標(biāo)簽來識(shí)別計(jì)量資產(chǎn)、讀取資產(chǎn)信息并存儲(chǔ)計(jì)量資產(chǎn)信息的功能。文中對(duì)分析了電子標(biāo)簽識(shí)別與碰撞的原因，研究了各種標(biāo)簽的防碰撞算法，并為系統(tǒng)選擇了最合適的后向二叉樹防碰撞算法。最后，通過需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量庫房自動(dòng)化管理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程。該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的物流自動(dòng)化管理。下一步，本研究將以計(jì)量庫房自動(dòng)化管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探討在庫計(jì)量資產(chǎn)泛在互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方法。