第 1 章   引   言 

1.1   課題研究的背景 
隨著電子商務的快速發(fā)展，網(wǎng)上購物被越來越多的人所接受，伴隨著網(wǎng)購大軍的不斷壯大，我國的物流業(yè)得到了迅速發(fā)展。倉儲作為物流鏈中的核心環(huán)節(jié)，其管理效率直接影響著整個物流鏈的運轉速度。在倉儲管理過程中，大量的倉儲信息伴隨著貨物入庫、貨物出庫以及貨物管理等活動的發(fā)生而產(chǎn)生，若是人工對這些信息進行記錄、核實，難免會出現(xiàn)疏忽從而造成不必要的損失，并且人工操作的效率太低，將會嚴重影響整個物流鏈的運轉速度。如何實現(xiàn)倉儲系統(tǒng)的智能化、信息化管理，提高倉庫內工作人員和設備的使用率，縮短貨物的出入庫流程，是企業(yè)縮減成本，提高自身在行業(yè)中競爭力的關鍵。 
RFID 技術的產(chǎn)生以及物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，使得倉儲系統(tǒng)的智能化、信息化，由設想變?yōu)榱爽F(xiàn)實。何為物聯(lián)網(wǎng)？顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)是連接物品的網(wǎng)絡，是一個讓普通的物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通并最終與互聯(lián)網(wǎng)連接的網(wǎng)絡。RFID 技術使得貨物信息能夠被快速準確地識別，物聯(lián)網(wǎng)技術將貨物與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)系，使得貨物信息能夠通過網(wǎng)絡被倉儲管理中心及時獲取，同時管理中心也可以通過網(wǎng)絡對倉庫工作人員下達任務指令，實現(xiàn)對貨物的相應處理。 

目前，國內很多企業(yè)在倉庫管理方面都還采用人工管理的方式，該種方式存在很多問題并且效率低下導致貨物的出入庫流程繁瑣耗時，嚴重影響了整個物流鏈的運轉速度。研究該課題的意義在于解決人工倉儲管理中存在的信息化程度不高、貨物信息及貨位信息無法快速獲取等缺陷，實現(xiàn)企業(yè)對物流倉儲高效合理地管理，對倉庫內工作人員及設備進行合理地任務分配，縮短貨物的出入庫流程，進而加快企業(yè)整個物流鏈的運轉速度，縮減企業(yè)倉庫管理成本，提高企業(yè)的自身競爭力。 

……

1.2   智能倉儲的發(fā)展現(xiàn)狀 
20 世紀 60 年代初，自動化倉庫已得到廣泛應用，以日、美、西歐等國家最多。最早的自動化倉庫僅僅是利用自動化設備進行貨物的出入庫操作，雖然還不能稱之為真正的自動化倉庫，但其與基礎的倉庫相比，人工成本大大降低，工作效率也得到提高。到了二十一世紀，隨著科技的進步，自動化倉儲技術日趨完善，自動化倉庫的效率以及倉庫內倉儲空間的利用率都得到了很大的提高，但倉儲的管理效率仍舊不高。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術與無線網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，智能化、信息化成為物流倉儲技術發(fā)展的趨勢。國外已有很多企業(yè)在對智能物流倉儲系統(tǒng)進行研究開發(fā)，廣泛采用 RFID 技術或者條形碼技術進行信息采集，支持無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，支持數(shù)據(jù)庫服務能力實現(xiàn)倉儲系統(tǒng)的智能化管理。如 Unified Barcode & RFID 公司開發(fā)了一款倉儲管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持 RF(WIFI)網(wǎng)絡、RFID 貨物識別，具有信息無線采集和接收、SQL 服務能力、貨物跟蹤等功能；IntellTrack 公司推出了 IntelliTrack 倉儲管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有倉位信息管理、貨物滿載報警、進貨沖突報警等功能，通過 RFID 識別貨物，利用無線網(wǎng)絡實現(xiàn)信息傳輸；美國第三方 Catepillar 物流公司開發(fā)了一款仿真模擬軟件 CLS 智能倉儲系統(tǒng)，世界上最大的自動控制閥門生產(chǎn)制造商費舍爾在使用該系統(tǒng)后，倉庫內貨物的出入效率獲得很大提高，而且效率的提高大大增加了客戶的滿意指數(shù)。 

國內已有很多企業(yè)及研究機構開始對智能倉儲系統(tǒng)進行研究，并致力解決現(xiàn)代物流倉儲中存在的各種缺陷，如人力資源耗費大、貨物出入庫效率低、人工記錄數(shù)據(jù)繁瑣易出錯、倉儲管理效率低等。目前，國內已有很多相對成熟的智能倉儲解決方案。CD 軟件公司所設計的白沙物流管理系統(tǒng)中在貨物出入庫、倉庫盤點、貨位調整等環(huán)節(jié)應用無線網(wǎng)絡技術，成為國內倉儲領域無線網(wǎng)絡使用的先例。順和達軟件公司出品的大型央企應用產(chǎn)品，其解決方案基于物聯(lián)網(wǎng)技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，運用物聯(lián)網(wǎng)技術獲取倉儲內的各種貨物信息并將相關信息發(fā)送至 Internet 服務器，工作人員可通過互聯(lián)網(wǎng)登錄服務器進行相應的任務操作如動態(tài)盤點、動態(tài)庫存、單據(jù)確認、庫位管理等，該系列產(chǎn)品已在中石油、中石化、中鐵、中水電等央企諸多屬下機構成功應用。 

……

第 2 章   總體設計方案 

2.1   倉庫無線網(wǎng)絡組網(wǎng)方案論證 
在考慮倉庫內無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)方案時，草定了兩種方案，一是 WIFI 技術，一是ZigBee 技術。為了最終確定使用哪種方案，對兩種技術進行了一些比較。首先是組網(wǎng)方式上的比較，ZigBee 技術采用的是自組網(wǎng)的方式，無需對單個 ZigBee 節(jié)點進行人工設定，并且每個 ZigBee 節(jié)點都可以單獨工作，除協(xié)調器節(jié)點外的任何 ZigBee 節(jié)點出現(xiàn)問題都不會影響整個網(wǎng)絡的運行；而 WIFI 技術需要通過搭建 AP（Access  Point）來實現(xiàn)大范圍的無線局域網(wǎng)的組建，并且每個 WIFI 節(jié)點都需要人工設定其 IP 地址，當某個AP 出現(xiàn)故障時，其覆蓋范圍內的所有 WIFI 節(jié)點都將無法正常工作。其次是網(wǎng)絡節(jié)點靈活度的比較，ZigBee 網(wǎng)絡具有自愈合的能力，子節(jié)點可自由加入網(wǎng)絡以及自由離開網(wǎng)絡，無需人工為其分配地址，這為倉庫自由更換或添加終端設備提供了方便；而 WIFI無線局域網(wǎng)的子節(jié)點加入網(wǎng)絡時需要人工對其分配 IP 地址并且必須是整個網(wǎng)絡中唯一的 IP，若出現(xiàn)相同 IP 的兩個子節(jié)點則可能導致兩者 IP 地址沖突無法正常進行數(shù)據(jù)傳輸。從成本方面考慮，倉庫內組網(wǎng)需要的子節(jié)點數(shù)量巨大，從硬件設備成本上考慮，ZigBee模塊要比 WIFI 模塊相對便宜，再者 WIFI 無線局域網(wǎng)的運行需要額外的網(wǎng)絡通信費用。綜合這些方面的比較，最終確定了 ZigBee 技術的組網(wǎng)方案。組建的 ZigBee 網(wǎng)絡結構模型如圖 2-1 所示。 

考慮到倉庫內平面空間較廣，ZigBee 技術的通信距離有限，最終確定采用 ZigBee網(wǎng)絡拓補結構中的網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓補來進行組網(wǎng)，以便實現(xiàn)大范圍面積的無線網(wǎng)絡組建。由圖 2-1 所示，該網(wǎng)絡由協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點、終端節(jié)點，這三種不同功能的節(jié)點組建而成。其中，協(xié)調器節(jié)點是整個 ZigBee 網(wǎng)絡組建者和運行維護者；路由節(jié)點負責為數(shù)據(jù)在終端節(jié)點與協(xié)調器節(jié)點之間的傳輸提供最優(yōu)路徑，保證倉庫內各終端節(jié)點能夠將數(shù)據(jù)迅速可靠地發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，并且能夠擴展 ZigBee 網(wǎng)絡的覆蓋范圍；終端節(jié)點安裝在倉庫內的各個現(xiàn)場終端設備，負責終端設備與 ZigBee 網(wǎng)絡之間的通信。

……

2.2   總體設計概述 
整個系統(tǒng)設計包括倉庫現(xiàn)場終端設備的設計（安裝在倉庫出入口處的 RFID 固定讀寫器的設計，配備在工作人員身上的 RFID 移動讀寫器的設計，安裝在叉車上的無線車載模塊設計），現(xiàn)場終端設備節(jié)點的 ZigBee 組網(wǎng)，以及基于 ATMega128 的網(wǎng)關設計。
本設計利用 RFID 技術對貨物信息進行快速識別，采用 ZigBee 技術組建倉庫內的無線網(wǎng)絡，采用 ZigBee/GPRS 無線網(wǎng)關實現(xiàn)倉庫內的 ZigBee 網(wǎng)絡與 Internet 網(wǎng)絡的連接，進而實現(xiàn)現(xiàn)場終端設備與管理中心 Internet 服務器之間的相互通信�，F(xiàn)場終端設備可將信息通過 ZigBee 網(wǎng)絡傳送至無線網(wǎng)關的微控制器中進行處理，處理后再經(jīng)GPRS 模塊將數(shù)據(jù)傳送至管理中心的 Internet 服務器，同時現(xiàn)場的終端設備也可以接收管理中心下發(fā)的指令信息，進而執(zhí)行相應的動作。 

貨物隨托盤進出倉庫，電子標簽貼在托盤上，標簽上存有廠家名稱、產(chǎn)品的種類、名稱、數(shù)量等信息。當貨物送到倉庫時，倉庫入口處安裝的固定讀寫器會對托盤上的電子標簽進行掃描，從而獲得相應貨物的信息，然后將這些信息通過 ZigBee 網(wǎng)絡傳送至無線網(wǎng)關，經(jīng)由網(wǎng)關上的微控制器進行處理后通過 GPRS 模塊發(fā)送至管理中心的 Internet服務器，管理中心根據(jù)接收到的貨物信息自動為該貨物分配存儲倉位，然后自動將倉位信息下發(fā)給該固定讀寫器，由它將倉位信息寫入電子標簽。隨后管理中心工作人員便可對倉庫內處于空閑狀態(tài)叉車和配備移動讀寫器的工作人員下發(fā)相應的貨物入庫任務指令，使工作人員到入口處接收貨物入庫。貨物經(jīng)固定讀寫器掃描后，送入倉庫的入庫緩存區(qū)暫存，等同批次入庫貨物全部進入緩存區(qū)后，倉庫內工作人員需要用移動讀寫器對貨物信息重新掃描并上傳，由管理中心對該貨物的倉位信息、貨物狀態(tài)信息進行核查，確認倉位信息及貨物狀態(tài)信息均已填寫，進而保證貨物入庫的后續(xù)流程能夠順利進行。 

……

第 3 章   智能倉儲信息系統(tǒng)現(xiàn)場終端設備設計········11 
3.1   RFID 技術概述 ···················11 
3.2   RFID 讀寫器設計 ···················12 
3.2.1   微控制器的選取 ··················13 
3.2.2   讀/寫卡芯片及電子標簽的選取············14 
3.2.3   時鐘模塊設計 ··················17 
3.2.4   數(shù)據(jù)存儲模塊設計 ·······18 
3.2.5   液晶顯示模塊設計 ·········18 
3.2.6   蜂鳴器電路設計 ············19 
3.2.7   ZigBee 模塊設計············20 
3.2.8   外部中斷電路設計 ········21 
3.2.9   RFID 讀寫器供電電路設計··············22 
3.2.10   RFID 讀寫器各功能的軟件實現(xiàn)·············22 
3.3   無線車載模塊設計 ················28 
3.3.1   無線車載模塊電路設計············28 
3.3.2   無線車載模塊功能的軟件實現(xiàn)············29 
3.4   本章小結·····················30 
第 4 章   智能倉儲信息系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)設計·········31 
4.1   通信協(xié)議的制定 ····················31 
4.2   倉庫內 ZigBee 網(wǎng)絡傳輸·················31 
4.2.1   ZigBee 技術簡述··············31 
4.2.2   ZigBee 網(wǎng)絡組建··············32 
4.2.3   倉庫內無線網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸············33 
4.3   GPRS/Internet 網(wǎng)絡傳輸···········34 
4.4   無線網(wǎng)關設計 ················35 
4.4.1   GPRS 模塊電路設計 ···········36 
4.4.2   ATmega128 與 MG323 的通信結構 ·········38 
4.4.3   無線網(wǎng)關供電電路設計············39 
4.4.4   GPRS 模塊啟動和聯(lián)網(wǎng)的軟件實現(xiàn)···········39 
4.4.5   無線網(wǎng)關功能的軟件實現(xiàn)·········40 
4.5   本章小結·····················42 
第 5 章   系統(tǒng)搭建與測試················43 
5.1   系統(tǒng)搭建················43
5.1.1   數(shù)據(jù)中心管理平臺設計·········43 
5.1.2   倉庫內網(wǎng)絡的搭建 ·········44 
5.2   系統(tǒng)測試················45 
5.2.1   貨物入庫測試 ···············45 
5.2.2   貨物出庫測試 ················49 

5.3   測試結論····················51 

……

第 5 章   系統(tǒng)搭建與測試

5.1   系統(tǒng)搭建
數(shù)據(jù)中心管理平臺是基于 Web 的數(shù)據(jù)管理和應用子系統(tǒng)，是在 Visual  Studio  2010平臺下用 C#語言編寫的應用類軟件，主要包括貨物入庫登記、出庫登記、入庫清單生成、出庫清單生成、任務分配等功能，可直接訪問管理中心服務器，獲取相關信息，顯示到界面上供管理人員查看。
數(shù)據(jù)中心管理平臺置于監(jiān)控端計算機上，本次實驗在 ChinaNet 網(wǎng)絡環(huán)境下進行，GPRS 模塊連接的服務器的 IP 為：27.129.163.78，端口號為 1000。服務器通過 Internet網(wǎng)絡與無線網(wǎng)關相連，接收讀寫器掃描獲得的貨物信息，進行分類存儲處理后，將相應信息送至管理平臺界面進行顯示。工作人員也可通過該平臺給倉庫內配備移動讀寫器的工作人員和裝載無線車載模塊的叉車下達安排任務。移動讀寫器和無線車載模塊的機器編號分別與相應工作人員和叉車的編號一一對應，方便管理平臺的給倉庫內工作人員合理安排任務。固定讀寫器也有相應的機器編號，并且與其安裝的位置即入庫口或出庫口的編號一致，方便管理中心對不同出入口進出的貨物進行區(qū)分。 

在進行系統(tǒng)測試時，由于實驗室條件有限，并未進行大量現(xiàn)場終端設備的組網(wǎng)試驗，而是組建了一個小型的倉庫網(wǎng)絡，網(wǎng)絡覆蓋面積大概 100 平米，包括兩個固定讀寫器，多個手持移動讀寫器，多個無線車載模塊，多個路由節(jié)點，一個無線網(wǎng)關。通過該小型倉庫網(wǎng)絡模擬整個系統(tǒng)的運行，并進行相應的系統(tǒng)功能測試。

……

結論

本系統(tǒng)的特點：采用 RFID 技術獲取貨物信息，，實現(xiàn)了貨物信息的快速獲取，為系統(tǒng)的信息化、智能化提供了支持；采用 ZigBee 技術組網(wǎng)，該技術具有自組網(wǎng)、自愈合的特點，故倉庫內的各終端設備一旦出現(xiàn)故障，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，這為維護終端設備提供了方便；采用 ZigBee/GPRS 無線網(wǎng)關實現(xiàn)倉庫管理中心與倉庫之間的遠程對話，解除了倉庫管理中心不可遠離倉庫的限制。 
在實驗室環(huán)境下，自行搭建系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)進行測試，達到了預期設計目標，初步實現(xiàn)了物流倉儲的信息化、網(wǎng)絡化、智能化管理，解決了常規(guī)倉庫人工管理帶來的繁瑣耗時及容易出現(xiàn)的記錄錯誤等缺陷，提高了倉儲管理的工作效率，進而加快了整個物流過程的運轉速度。系統(tǒng)經(jīng)過近 48 小時連續(xù)運行，期間進行了約 20 次系統(tǒng)測試，各終端設備及無線網(wǎng)關工作正常，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 

本系統(tǒng)還可以進一步完善，可以增加一些 ZigBee 終端節(jié)點通過各種環(huán)境監(jiān)測傳感器對倉庫內的環(huán)境進行監(jiān)控，因為作為貨物存儲的倉庫，其溫、濕度環(huán)境有相應的標準，各環(huán)境監(jiān)測傳感器采集環(huán)境信息后通過 ZigBee 網(wǎng)絡及無線網(wǎng)關最終將環(huán)境信息上傳至管理中心，管理中心根據(jù)采集到的信息與相應的標準作比較，隨后作出相應動作。還可增加火災險情監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)倉庫內的火災險情的現(xiàn)場報警及管理中心報警。 

參考文獻（略）

本文編號：42014