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電子標(biāo)簽是一種被稱作“射頻識(shí)別 (radio frequency identification, RFID) ”的技術(shù)。利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信, 以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。在我國(guó)物流業(yè)飛速發(fā)展的今天, 射頻技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì), 克服了條碼識(shí)別需要光學(xué)可視、識(shí)別距離短、信息不可更改等缺點(diǎn), 成為物流自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域一個(gè)耀眼的亮點(diǎn)[1]。射頻技術(shù)的出現(xiàn), 改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法, 它信息含量大, 可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)更改, 簡(jiǎn)化物流的中間環(huán)節(jié), 縮短物流人工操作時(shí)間, 其準(zhǔn)確性和快速性越來(lái)越得到行業(yè)的認(rèn)同。

電子標(biāo)簽作為數(shù)據(jù)載體, 能起到標(biāo)識(shí)識(shí)別、物品跟蹤、信息采集的作用。雖然電子標(biāo)簽技術(shù)在國(guó)外已成功應(yīng)用于物流業(yè), 大大提高了物流作業(yè)效率, 但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段, 目前在物流業(yè)還沒有較大規(guī)模的應(yīng)用案例。本文研究實(shí)現(xiàn)了基于INTERMEC公司電子標(biāo)簽的物流控制及管理系統(tǒng)。

物流控制及管理系統(tǒng)由硬件和軟件組成。其硬件如圖1所示, 主要由物流控制硬件平臺(tái)、物流控制及管理計(jì)算機(jī)、電子標(biāo)簽及電子標(biāo)簽讀寫器組成。

物流控制硬件平臺(tái)由堆垛機(jī)、機(jī)械手和輥道輸送機(jī)3部分組成, 控制系統(tǒng)采用了3個(gè)西門子公司S7-200系列PLC (CPU226) 并且相互之間通過(guò)EM277 (擴(kuò)展從站模塊) 連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)。

物流控制及管理計(jì)算機(jī): (1) 負(fù)責(zé)通過(guò)與電子標(biāo)簽讀寫器的通信完成與電子標(biāo)簽信息的交互, 實(shí)現(xiàn)對(duì)物品進(jìn)出庫(kù)的識(shí)別; (2) 通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)完成與PLC控制器的數(shù)據(jù)交換, 以控制兩臺(tái)輥道輸送機(jī)、一臺(tái)4自由度機(jī)械手、一臺(tái)全自動(dòng)堆垛機(jī), 實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)出、入庫(kù)或庫(kù)內(nèi)移動(dòng)等工作; (3) 對(duì)貨物、倉(cāng)庫(kù)、客戶、管理人員等進(jìn)行實(shí)時(shí)管理等。

圖1 系統(tǒng)總體  下載原圖

物流控制及管理系統(tǒng)軟件分為4部分: (1) 物流控制及管理系統(tǒng)與電子標(biāo)簽讀寫器的網(wǎng)絡(luò)通信; (2) 物流控制及管理系統(tǒng)前臺(tái)主界面及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。該部分主要包括:入庫(kù)模塊、出庫(kù)模塊、報(bào)表模塊、儲(chǔ)位查詢模塊、物品查詢模塊、客戶信息查詢模塊、盤點(diǎn)模塊、倉(cāng)庫(kù)管理模塊、人員管理模塊和幫助模塊等; (3) 物流控制軟件設(shè)計(jì)。采用西門子WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)及PLC S7-200編程; (4) 物流控制及管理系統(tǒng)與PLC的通信。物流控制平臺(tái)的組態(tài)軟件采用了WinCC, 系統(tǒng)與PLC通信工作實(shí)質(zhì)上是通過(guò)系統(tǒng)與WinCC通信實(shí)現(xiàn)的。通信參數(shù)為當(dāng)前入/出庫(kù)命令、入出庫(kù)貨物的貨位號(hào) (排、列、層) , 以及PLC入/出庫(kù)動(dòng)作完成與否的標(biāo)志。

電子標(biāo)簽芯片采用了INTERMEC公司的915 MHz芯片[2], 通信數(shù)據(jù)速率為9 600 bps, 具備防沖突機(jī)制, 具備數(shù)據(jù)完整性及數(shù)據(jù)安全性。讀寫器采用美國(guó)INTERMEC公司的2100 915M讀寫器。該讀寫器支持串口及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口通信。讀取距離可達(dá)3米, 寫入距離為讀取距離的70%。

為實(shí)現(xiàn)真正的“一物一碼”, 編碼原則采用了EPC (electron production code) 碼[3]。由于EPC碼是物品本身具有的屬性, 即物品在出廠時(shí)會(huì)由生產(chǎn)廠商對(duì)其進(jìn)行EPC編碼, 寫入到電子標(biāo)簽中。而EPC編碼是在生產(chǎn)廠商加入EPC global組織后, 由組織給生產(chǎn)廠商分配一個(gè)編碼的空間以及一些編碼規(guī)則, 讓企業(yè)自行編碼。本系統(tǒng)為方便操作, 只定義了12位二進(jìn)制位的編碼。編碼規(guī)則如圖2所示。

本文采用C#語(yǔ)言編程, 通過(guò)調(diào)用基于COM組件的Interop.vt Com RFID.dll動(dòng)態(tài)庫(kù)文件的5個(gè)主要接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)物流控制及管理系統(tǒng)與讀寫器的通信, 接口函數(shù)的主要功能如表1所示。通信內(nèi)容為物品編碼。

圖2 物品編碼的編碼規(guī)則  下載原圖

根據(jù)系統(tǒng)功能要求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中表格的建立。通過(guò)對(duì)用戶的需求分析, 需要記錄物品的基本信息、倉(cāng)庫(kù)的基本信息、倉(cāng)庫(kù)的操作信息。

(1) 物品的基本信息表包括:物品的編號(hào)、名稱、生產(chǎn)廠商、種類、規(guī)格、等級(jí)和物品所屬的客戶, 其中物品的編號(hào)為主鍵。因此要建立一個(gè)物品列表, 用以儲(chǔ)存物品的信息。同時(shí)需要為物品基本信息中生產(chǎn)廠商、物品種類和客戶建立單獨(dú)的表。在物品的生產(chǎn)廠商表中包含生產(chǎn)廠商的名稱和代號(hào), 生產(chǎn)廠商代號(hào)為主鍵;在物品種類表中包含物品種類的名稱和代號(hào), 物品種類代號(hào)為主鍵;在客戶表中包含客戶的名稱、聯(lián)系人、和聯(lián)系電話, 客戶代號(hào)為主鍵。這樣的設(shè)計(jì)完全滿足BCNF范式[4], 表格之間的條理比較清晰。

各個(gè)表之間的外鍵關(guān)系如下:生產(chǎn)廠商表的主鍵與物品列表中的生產(chǎn)廠商代號(hào)相關(guān)聯(lián);物品種類表的主鍵與物品列表中的生產(chǎn)廠商代號(hào)相關(guān)聯(lián);客戶表的主鍵與物品列表中的客戶代號(hào)相關(guān)聯(lián)。

(2) 倉(cāng)庫(kù)的基本信息應(yīng)包括用于記錄職工基本信息的倉(cāng)庫(kù)人員管理表, 及用于記錄倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位信息的倉(cāng)庫(kù)信息表。倉(cāng)庫(kù)人員管理表中包括職工的代號(hào)、姓名、職位、聯(lián)系電話、身份證號(hào)碼和住址, 職工代號(hào)為主鍵。倉(cāng)庫(kù)信息表中包括存放地點(diǎn) (相當(dāng)于庫(kù)位的標(biāo)號(hào)) 、倉(cāng)庫(kù)號(hào)、區(qū)域、貨架號(hào)、層、行、列、是否為空幾個(gè)屬性, 其中存放地點(diǎn)為主鍵。

(3) 倉(cāng)庫(kù)的操作信息應(yīng)包括用于儲(chǔ)存入、出庫(kù)及庫(kù)內(nèi)移動(dòng)操作記錄的入庫(kù)表、出庫(kù)表及庫(kù)內(nèi)移動(dòng)表;用于儲(chǔ)存當(dāng)前倉(cāng)庫(kù)中物品記錄的庫(kù)存表;用于記錄員工增刪情況的人事變動(dòng)表。入庫(kù)表中應(yīng)該記錄物品的編碼、入庫(kù)的時(shí)間、經(jīng)手人和存放地點(diǎn), 其中以物品編碼和入庫(kù)時(shí)間聯(lián)合作為主鍵;出庫(kù)表中應(yīng)該記錄物品的編碼、出庫(kù)時(shí)間和經(jīng)手人, 其中以物品編碼和出庫(kù)時(shí)間聯(lián)合作為主鍵;庫(kù)內(nèi)移動(dòng)表中應(yīng)該記錄物品的編碼、移動(dòng)時(shí)間、經(jīng)手人、原存放地點(diǎn)和新存放地點(diǎn), 其中以物品編碼和移動(dòng)時(shí)間聯(lián)合作為主鍵;庫(kù)存表中應(yīng)該包括物品的編碼、入庫(kù)時(shí)間、存放地點(diǎn)和經(jīng)手人, 其中以物品的編碼作為主鍵。人事變動(dòng)表中應(yīng)該包括操作號(hào)、人事變動(dòng)的內(nèi)容、變動(dòng)的時(shí)間、變動(dòng)人員的代號(hào)和變動(dòng)人員的姓名, 其中操作號(hào)為主鍵。

表1 電子標(biāo)簽讀寫器接口函數(shù)功能  下載原圖

另外, 系統(tǒng)中還需要有用戶的登錄信息表用于記錄用戶的登錄信息。登錄信息表中應(yīng)該有登錄的用戶名和密碼, 其中登錄名為主鍵。為安全起見, 在設(shè)計(jì)登錄界面密碼及儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí), 系統(tǒng)采用MD5加密算法[5,6]。

數(shù)據(jù)庫(kù)中表的關(guān)系如圖3所示。它描述了數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的表以及這些表之間的關(guān)系。對(duì)于表之間的觸發(fā)器、為程序設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)過(guò)程、約束等具體內(nèi)容這里沒有詳細(xì)列出。

物流控制與管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要有:入庫(kù)模塊、出庫(kù)模塊、報(bào)表模塊、儲(chǔ)位查詢模塊、物品查詢模塊、客戶信息查詢模塊、盤點(diǎn)模塊、倉(cāng)庫(kù)管理模塊、人員管理模塊、幫助模塊。所有的功能模塊都需要與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)。主界面采用C#語(yǔ)言編程, 數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2000。在與數(shù)據(jù)庫(kù)連接的過(guò)程中, 采用ADO.NET技術(shù)[7]。

當(dāng)有出入庫(kù)或者庫(kù)內(nèi)移動(dòng)操作時(shí), 系統(tǒng)要與電子標(biāo)簽讀寫器進(jìn)行通信將相關(guān)信息寫入標(biāo)簽, 并要實(shí)現(xiàn)與組態(tài)軟件WinCC的通信, 將操作命令、貨物的貨位號(hào)發(fā)送給WinCC, 從而通過(guò)PLC控制輥道輸送機(jī)、機(jī)械手、堆垛機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。同時(shí)把信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新。

限于篇幅下面主要介紹出庫(kù)模塊和物品查詢模塊。

出庫(kù)模塊具有批量出庫(kù)和單件出庫(kù)兩個(gè)功能。

圖4 物流控制及管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)  下載原圖

批量出庫(kù)中用戶只需要輸入要出庫(kù)的貨品信息及數(shù)量, 該模塊通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù), 按一定策略選定所要的物品, 從而確定物品所在的貨位號(hào) (排, 列, 層) , 并將此信息連同出庫(kù)命令通過(guò)OPC (OLE for process control) 技術(shù)傳給Win CC組態(tài)軟件, 以控制輥道輸送機(jī)、堆垛機(jī)和機(jī)械手完成取貨操作。當(dāng)物品到達(dá)倉(cāng)庫(kù)出口處, 系統(tǒng)接收到PLC出庫(kù)動(dòng)作完成信號(hào)后, 要與標(biāo)簽讀寫器通信以修改物品標(biāo)簽的信息, 同時(shí)采用ADO.NET技術(shù), 調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)過(guò)程修改數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)信息。

在實(shí)現(xiàn)此功能中, 貨位的選取, 操作結(jié)果的判定, 與讀寫器的數(shù)據(jù)交互, 與組態(tài)軟件的通信等這些工作需協(xié)同進(jìn)行。

單件出庫(kù)中用戶可以根據(jù)貨品信息和儲(chǔ)位信息指定某個(gè)確定的物品, 然后該模塊選擇這個(gè)貨品出庫(kù), 達(dá)到了精確出庫(kù)的目的。單件出庫(kù)系統(tǒng)只取出一個(gè)惟一確定的物品;而批量出庫(kù)會(huì)順序取出一些物品, 是一個(gè)循環(huán)操作, 直到要出庫(kù)的物品都出庫(kù)完畢為止。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)總關(guān)系  下載原圖

此模塊支持本地查詢及網(wǎng)絡(luò)查詢?？梢圆樵兯形锲沸畔? 包括曾經(jīng)存放過(guò)的和現(xiàn)在存放在倉(cāng)庫(kù)中的物品信息。為了查詢數(shù)據(jù)的方便, 本模塊支持按物品名稱查詢、物品編碼、生產(chǎn)廠商名稱、生產(chǎn)廠商代碼查詢。數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新。

物流控制平臺(tái)在與Win CC通信中, 采用了OPC通信方式[8]。本文使用了opcrcw.comn.dll、opcrcw.da.dll兩個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件。在C#編程環(huán)境中引用這兩個(gè)文件, 調(diào)用了這兩個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件的接口函數(shù)。

物流控制平臺(tái)的基本過(guò)程控制單元是PLC, 包括供電單元、中央控制單元、數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入輸出模塊、PROFIBUS-DP擴(kuò)展從站模塊 (EM277) 。該平臺(tái)使用S7-200系列PLC分別控制堆垛機(jī)、機(jī)械手、輥道3個(gè)部分, 其中巷道堆垛機(jī)是物流倉(cāng)儲(chǔ)最主要的設(shè)備, 它通過(guò)對(duì)貨物進(jìn)行存、取和轉(zhuǎn)移, 完成入庫(kù)、出庫(kù)等功能。堆垛機(jī)具有3大機(jī)構(gòu):運(yùn)行機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)。運(yùn)行機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)使堆垛機(jī)到達(dá)指定貨位。貨叉伸縮機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)組合完成存取作業(yè)。運(yùn)行機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)的速度控制通過(guò)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制, 貨叉伸縮機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)直流電機(jī)進(jìn)行控制。堆垛機(jī)具有自動(dòng)認(rèn)址與精確定位功能, 從而實(shí)現(xiàn)高精度控制。

控制流程以入庫(kù)為例說(shuō)明。裝在倉(cāng)庫(kù)出/入貨臺(tái)處的固定電子標(biāo)簽讀寫器在檢測(cè)到有物品時(shí), 物流控制及管理計(jì)算機(jī)通過(guò)讀寫器和標(biāo)簽進(jìn)行信息交互, 根據(jù)標(biāo)簽的物品信息查詢數(shù)據(jù)庫(kù), 分配給物品一個(gè)貨位號(hào), 并將貨位號(hào)寫入標(biāo)簽, 進(jìn)而將入庫(kù)命令、當(dāng)前入庫(kù)貨物的貨位號(hào) (排, 列, 層) 傳送給物流控制平臺(tái)。首先進(jìn)庫(kù)輥道上的入庫(kù)繼電器動(dòng)作, 輥道輸送帶動(dòng)作, 將物品傳送至立體倉(cāng)庫(kù)前, 機(jī)械手動(dòng)作, 將物品抓起送至堆垛機(jī)上, 然后堆垛機(jī)將貨物送到指定倉(cāng)位。運(yùn)行完成后, 堆垛機(jī)和機(jī)械手均回到原位。物流控制平臺(tái)將PLC入庫(kù)動(dòng)作完成信號(hào)反饋給系統(tǒng), 以進(jìn)行下一次入庫(kù)操作。出庫(kù)操作流程類似。

本文以我校商業(yè)自動(dòng)化物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的物流實(shí)驗(yàn)設(shè)備為平臺(tái), 設(shè)計(jì)了基于電子標(biāo)簽的物流控制與管理演示與驗(yàn)證系統(tǒng), 將管理和控制融于一體, 發(fā)揮了電子標(biāo)簽技術(shù)具有可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體, 操作快捷方便等特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)物流控制及管理的自動(dòng)化, 可以滿足物流業(yè)信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求, 為電子標(biāo)簽技術(shù)、物流控制及物流管理的結(jié)合提供了應(yīng)用實(shí)例。