工业物联网应用场景及系统构建

发布时间：2015-06-17 作者：e-works整理来源：e-works

关键字：工业物联网物联网 FRID WSN

收藏好文推荐打印

随着物联网概念的逐步拓展，物联网是什么，物联网能够干什么，特别是运营商应该做些什么，这些已经成为了当今热议的话题。

　4.3 仓储物流管理系统

　4.3.1系统设计

　1）网络架构

　针对仓储管理中存在的物流信息处理效率低以及出入库盘点不准确等问题，提出一种基于物联网的仓储管理系统设计方案。方案中的仓储管理物联网通过RFID电子标签实现物品的自动识别和出入库，利用无线传感器网络对仓储车间进行实时监控，从而极大地提高仓储管理的智能化水平，其系统物联网的总体结构如图4-4所示。

图4-4仓储物联网总体结构

　2）工作流程

　系统的工作流程包括入库、出库、移库、盘点、拣选与分发等环节系统采用国际上最先进的无线射频身份识别技术(RFID)，为每件物品提供一个惟一标志码(EPC代码)，并在服务器中存储货物的相关属性信息，从而使系统能够自动识别物品，可以对物品进行跟踪和监控。另外，仓储车间还安装多个摄像头或视频传感器以及温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等构成无线传感器网络，并使其基本覆盖所有盲区，这样工作人员可以在监控中心随时了解仓储车间的情况，并及时处理。这样就在高效、准确、快捷的基础上，进一步提高了仓储管理的安全性。概括如下图所示：

图4-5 系统流程图

　3）系统组成

　仓储物联网主要由仓储物品识别、信息采集处理、仓储物品监控、后台信息服务器、本地数据库服务器、业务系统六大模块组成。在仓储物品识别模块，系统采用EPC代码作为物品的惟一标志码，为每个物品贴上一个具有EPC的RFID标签。标签由存入EPC的硅芯片和天线组成，附在被标志物品上，EPC代码内含一串数字代表物品ID、类别、名称、供应商、生产日期、产地、入库时间、货架号等信息，信息存储在后台EPC—IS服务器的数据库中。同时，随着物品在仓库内外的转移或变化，这些数据可以得到实时地更新。在信息采集处理模块，通过RFID数据采集接口获取物品的详细信息从而进行处理。当物品通过仓储车间入口时，由设置在仓库入口的物品标签读写器读取物品的EPC代码，然后根据物品的EPC代码访问后台EPC．IS服务器，获得物品的详细信息，并将相关信息保存到本地数据库，最后交由信息处理模块进行处理。仓储车间入口处可以安装多部读写器进行分类处理，还应为不可读标签提供手动编码区。

　在仓储物品监控模块，通过在仓储车间内外布置一系列的传感器，包括视频传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，使其基本覆盖所有盲区，自组织构成一个无线传感器网络，通过该网络与Internet及业务系统互联，使工作人员可以在监控中心随时了解仓储车间内外的各类情况，以便及时处理。后台信息服务器用于存储物品的详细信息，如物品ID、类别、名称、入库时间等，并能实时地响应远程应用程序的请求，允许通过物品的EPC码对物品信息进行查询。本地数据库服务器用于存储信息采集处理模块所获得的物品信息，以便在业务系统中查询和维护。仓储工作人员可以通过无线设备或Web客户端随时随地查询物品的当前状态。业务系统的功能除了出入库管理外主要就是在库管理，在库管理包括在库物品保管、在库物品查询、在库物品盘点等作业。在库物品查询、在库物品盘点作业过程中均采用RFID技术。

　4）系统优势

　仓储物流各环节实施全过程控制管理，对货物进行货位、批次、保质期、配送等RFID电子标签管理，规范化收货、发货、补货等环节，还可以根据客户的需求制作多种合理的统计报表；RFID技术引入仓储物流管理，去掉了手工书写输入的步骤，解决库房信息陈旧滞后的弊病。RFID 技术与信息技术的结合帮助商业企业合理有效地利用仓库空间，以快速、准确、低成本的方式为客户提供最好的服务。

　基于RFID 自动识别技术的现代化仓库管理系统，能有效地对仓库流程和空间进行管理，实现批次管理、快速出入库和动态盘点；帮助仓库管理人员对库存物品的入库、出库、移动、盘点、配料等操作进行全面的控制和管理，有效的利用仓库存储空间，提高仓库的仓储能力，在物料的使用上实现先进先出，最终提高仓库存储空间的利用率，降低库存成本，提升市场竞争力。

　4.3.2系统实现

　1）RFID标签及读写器

　在智能仓储物联网中，针对仓储物品识别和信息采集处理两个模块的应用需求，建议采用西门子研发的适用于物流、仓储和配送的智能无线射频识别系统-SMAmC RFID系统。该系统可以将数据直接存储到附在产品上的标签中，能够可靠、快速、经济地读写数据；而且MOBY系列标签通信速率快、抗干扰性强，具有不同存储容量、不同环境耐受条件的移动存储单元，有不同的读／写距离和数据传输速率，根据具体应用需求可选择配合不同的接口模块使用，可以以不同的通信方式和业务控制系统进行通信。具体应用中可以在仓库入口和出口处各定点安装2-4套S蹦A11C RF系列读写器，用于实现入／出库操作；在仓库内部再配置2-4套移动读写器，用于仓储盘点和物品拣选。

　2）RFID中间件及数据过滤

　西门子SIMATIC RF．MANAGER中间件为SIMATIC RF600提供了一体化的软件解决方案，但并不适用于本系统物联网的物流仓储管理应用，因此需要设计一种针对系统实用的RFID中间件。中间件的功能模块包括：RFID读写器接口模块、逻辑读写器映射模块、RFID数据过滤模块、设备管理模块、业务系统接口模块，如下图所示。其中，RFID读写器接口用于中间件与RFID读写器的数据通信。主要有获取RFID数据以及下达设备管理模块的读写器指令；设备管理模块用于调整RFID读写设备的工作状态，配置相应的接口参数等；逻辑读写器映射模块用于将多个物理读写器或者读写器的多条天线映射成为一个逻辑读写器。一个逻辑读写器代表了一个有具体含义的数据采集点，而不管该采集点在物理上由多少个读写器和天线组成。它屏蔽了数据采集点的具体实现方式，减少了数据过滤等上层模块与下层数据采集部分的软件耦合度。对于上层业务系统来说，可见的只有逻辑读写器，所以逻辑读写器映射模块对RFID数据有初步过滤的功能。

图4-6 RFID中间件设计

　RFID采集的原始数据量非常大，在实际应用中，根据具体的配置不同，每台读写器每秒可以上报数个至数十个不等的电子标签数据，如重复多次扫描同一个电子标签，但其中只有少部分是对用户有意义的、非重复性的数据，这样大量的数据如果不经过去冗等处理而直接上传，将会给整个RFID系统带来很大的负担。因此，系统采用数据采集事件编码的方法对RFID采集的数据进行过滤处理。首先对电子标签状态的改变进行编码，定义标签出现的状态编码为0，标

　签状态消失的编码为1；然后加入计时器机制，对计时器有效时间内的同一标签的状态跳变进行忽略，从而在状态定义和时间维度两个方面对数据进行去重化。该方法能够很好地消除冗余数据，减少上层系统的负荷。

　3）传感器、微处理器、通信芯片及协议

　在智能仓储物联网中，针对仓储物品监控模块的应用需求，采用Zigbee无线传感器网络和有线网络相结合并与局域网、互联网相连的设计思路实现整个仓储车间的物品监控。Zigbee技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等性质，适用于此类监控系统的设计。出于节能的考虑，仓储物品监控模块的数据采集应要求传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。主控单元建议采用Atmcl公司的Atmegal6L单片机。无线通信模块建议采用CCl000芯片与微控器及一些外围无源元件一起构成。

　4）业务系统

图4-7 业务系统架构流程图

　业务系统基于Internet环境，采用B／S模式进行开发。如图所示，在Java EE平台上设计并实现的业务系统包括RFID通信管理、物品入库管理、物品出库管理、物品在库管理(包括在库物品监控、查询和盘点)、货位优化管理、合同管理、报表管理、费用管理、系统管理等模块。从而使整个基于物联网技术的仓储管理系统无缝连接，彻底实现了信息采集、仓储物品识别、仓储物品监控、后台服务器维护及本地数据库维护等功能。

　5）入库流程

　（1） RFID 收货：在车辆到达后，搬运货品托盘进入仓库入库区；当货品通过入库区RFID 阅读器的时候，阅读器自动从货物包装上的RFID 标签信息中读取货品信息，并将所读取的信息返回给管理主机，管理主机系统检查当前货品信息及来源单号，并自动分配上架储位，将储位信息通过RFID 阅读器写入每一件货品包装上的RFID 中。

　（2）收货单：管理主机系统将入库的货品计数数量信息及对应单号以收货单的形式打印出来。

　（3）到货确认：仓库保管在收货单上签字后交给送货人，表示确认货已收到后。

　（4）打印上架指示单：管理主机系统将入库的货品数量信息及自动分配的上架储位以上架指示单的形式打印出来。

　（5）上架作业：仓库保管按照上架指示单上所指示的储位，把货品从入库区移动到上架储位中。

　（6）入库确认：保管员在完成上架作业后，通过手持终端确认当前入库作业已经完成。手持终端通过无线网络将入库确认信息发送给管理主机系统。

　6）出库流程

　（1）出库指示：仓库报关员在收到货主的出库指示信息后，通过管理主机系统对货品的拣货储位进行分配,分配规则可根据具体货品需求进行配置，如先进先出、先到期先出、后进先出，等等。

　（2）拣货指示单：管理主机将已分配的出库指示信息以拣货单的形式打印出来，打印顺序按照拣货路线进行排序。

　（3）拣货作业；仓库保管员根据拣货指示单到货品储位处拣货，将待出库的货品移到出库区，完成后通过手持终端确认输入已拣货的出库单号。

　（4） RFID 校验：将货品从出库区移动到装车月台，当货品通过出库区RFID 阅读器的时候，阅读器自动从货物包装上的RFID 标签信息中读取货品及货位信息，并将所读取的信息返回给管理主机，管理主机对系统检查当前货品信息并计数处理，并通过RFID 阅读器向货品包装上的RFID 标签中写入已出库的标记。在整个托盘出库完成后，自动找寻已完成拣货的出库单中的出库货品及数量与之匹配校验，并返回校验结果信息。

　（5）装车指示单：管理主机系统校验通过后，自动打印装车指示单（一式多联）。

　（6）装车确认：在货品完成装车后，送货司机在装车单上签字，作为出库装车的依据交还仓库保管。

　（7）出库确认：在出库作业完成后，保管员通过手持终端确认当前出库作业已经完成。手持终端通过无线网络将出库确认信息发送给管理主机系统。

　五、总结

　本文对工业物联网问题进行了分析，提出了将RFID与WSN结合起来应用到数字化仓库中的解决方案，将RFID技术的唯一标识能力与WSN的多跳传输能力进行结合，并在此基础上对物联网下数字化仓库的中间件系统与软件架构进行研究与设计，本文的主要工作可以概括为以下几点：

　①结合现代物流的时代环境，对工业物联网管理系统进行研究与分析，同时指出现有的物联网系统中存在的问题。

　②对RFID技术与WSN技术及其技术优势进行介绍，并对RFID与WSN

　在工业物联网系统应用中的融合方式进行了介绍，并提出应用方案。

　③物联网环境下数字化仓库中的物品信息通过RFID系统实现无接触的获取，并且仓库内部署的WSN网络通过无线通信的方式传递至网关节点，然后交由中间件系统处理与分析。针对于此，设计了基于物联网的数字化仓库系统体系结构，使得RFID系统与WSN网络可以协同工作，实现仓库内物品信息的共享。

　④针对工业物联网系统的特点与需求，对工业物联网系统进行了需求分析、相关算法流程的设计、以及子系统模块的设计，并对底层设备的控制管理方式进行了分析与研究。

　⑤为了减轻数字化工业物联网系统分析处理数据时的压力，设计了基于物联网的数字化中间件系统，包括RFID中间件、ZigBee中间件以及与其他中间件交互接口的详细设计，以提高管理效率。

共8页

上一页 .. . 7 8