CN107633279B - 一种智能货架管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明的智能货架管理系统，包括：RFID标签，装贴每个料箱上，标签内写入唯一标识料箱的UID号；RFID阅读器，安装于货架背板上，与料箱一一对应，采集料箱上RFID标签发出的射频信号；智能终端，从所述电子随工单上读取待加工物品的Lot ID，再读取放置所述待加工物品的料箱对应的电子标签的UID号，形成待加工物品与料箱的映射信息，并将所述映射信息输送至本地计算机；本地计算机，查询本地计算机中已有的映射信息，通知工作人员将该货物按设定的方法进行放置；控制服务器，将随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码进行关联，生成料箱履历表，并将所述料箱履历表送入企业制造执行系统。本发明的智能货架管理系统，采用RFID技术管理物品，节省了大量的人力、提高生产效率、便于数据查询与保存。

Description

一种智能货架管理系统

技术领域

本发明属于射频识别领域，是一种智能货架管理系统。

背景技术

传统制造业中待加工物品管理效率低下，加工物品储放需要花费工作人员大量精力。近年来由于国内外市场的激烈竞争，制造业管理模式面临着更严苛的要求。传统制造业由于无法实时传输生产管理中各环节的统计数据，导致了许多问题的出现。如企业的过量制造、物品等待加工时间过长、物料移动频繁等。针对此类问题，智能制造的概念应运而生。智能制造是一种综合考虑生产效率、环境问题和自动化控制的现代制造模式，运用RFID、传感器、人工智能等新兴技术并与互联网结合，实现高品质制造。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供了一种智能货架管理系统，具体由以下方案实现：

所述智能货架管理系统，包括：

RFID标签，装贴每个料箱上，标签内写入唯一标识料箱的UID号；

RFID阅读器，安装于货架背板上，与料箱一一对应，采集料箱上RFID标签发出的射频信号；

智能终端，从所述电子随工单上读取待加工物品的唯一标识号Lot ID，再读取放置所述待加工物品的料箱对应的电子标签的唯一标识号UID，将所述待加工物品的Lot ID与该料箱UID关联形成待加工物品与料箱的映射信息，并将所述映射信息输送至本地计算机；

本地计算机，查询本地计算机中已有的映射信息，如果查询到存在同一键合批的历史料箱已放入货架，则显示历史料箱在货架的具体位置，通知工作人员将该货物对应的料箱放置在历史料箱的相邻货位，或将本次到达货物与所述历史料箱关联并通知工作人员将该货物放入历史料箱并批；如不存在历史料箱，则通知工作人员料箱可随意放置，本地计算机在料箱放置到位后，通过相应货位的RFID阅读天线将料箱对应RFID标签的UID送入控制服务器；

控制服务器，将随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码进行关联，生成料箱履历表，并将所述料箱履历表送入企业制造执行系统。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，所述控制服务器通过数据库表实现随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码的关联，数据库表包括三种类型，分别为：

静态实体表，记录了包含有：RFID阅读器、电子货架、料箱、用户个人信息的实体的具体信息；

静态关系表，记录了包含有：RFID阅读器与电子货架之间的对应关系、天线与阅读器的对应关系以及天线与货架各位置的对应关系的静态实体间映射信息；

动态关系表，记录了包含有：所述手持式智能终端采集到的数据、RFID阅读器实时读取的数据的带有时间戳的数据。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，控制服务器采用的数据库软件为SQLServer 2014，所述数据库软件采用Entity Framework的code first模式来进行数据库表的设计、迁移及更新表结构操作。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，RFID阅读器包括：微控制器、可编程逻辑器、电源模块、调制模块、检波模块、滤波放大模块、载波抑制模块、天线发送接收模块、读写天线以及双向比较模块，所述可编程逻辑器依次与双向比较模块、滤波放大模块、检波模块以及天线发送接收模块形成射频接收电路；可编程逻辑器依次与调制模块、滤波放大模块以及天线发送接收模块形成射频发射电路，所述微控制器与可编程逻辑器通信连接，所述读写天线与天线发送接收模块通信连接，且读写天线设置于货架上与料箱一一对应。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，所述履历表包含料箱的基本信息，所述基本信息包括：ID号、组装批号、品名、客户名、加工速度等级、时间以及料箱在货架的位置信息。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，电源电路包括线性稳压器、开关电源芯片、电源适配器以及可调电压芯片，电源适配器通过线性稳压器与开关电源连接输出RFID阅读器的工作电压，所述可调电压芯片与电源适配器通信连接，并与所述射频发射电路通信连接。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，所述可调电压芯片选用TPS54340DDA进行电压转换，可调电压芯片的引脚上通过一滑动变阻器与两分压电阻串联，通过改变所述滑动变阻器阻值，改变电压值使阅读器发送功率可调，以适应不同的应用场景。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，所述可调电压芯片根据

式中，R_hs为一个所述分压电阻与滑动变阻器的阻值之和，R_ls为另一个分压电阻的阻值，Vout为输出电压值，改变所述滑动变阻器阻值，从而得到不同的电压。

所述智能货架管理系统的进一步设计在于，所述RFID阅读器与企业制造执行系统设有RFID中间件，所述RFID中间件对RFID阅读器输出与标签相关的事件和数据进行过滤、清洗、汇集、计算以及抽象操作，RFID中间件通过以太网口连接RFID阅读器，并对RFID阅读器的工作参数进行配置。

10.根据权利要求9所述的智能货架管理系统，其特征在于所述RFID中间件进行过滤操具体为：作打开阅读器，读取标签UID，设置一个由若干个基本周期组成的读取周期并定义标签识别率

其中，n_i,k为第k个读取周期中标签i读到的次数，n_k为读取周期中所含基本周期的个数；当标签的识别率保持在一设定阈值内时，判定料箱放入货架的具体位置；当标签识别率急剧下降并小于所述阈值的下限值时，判定料箱离开货架位置。

本发明的有益效果为：

本发明的智能货架管理系统，采用RFID技术管理物品，节省了大量的人力、提高生产效率、便于数据查询与保存。

附图说明

图1为本发明的RFID阅读器原理图。

图2为本发明智能货架管理系统的工作流程图。

图3为本发明的射频发射电路的电路图。

图4为本发明的射频接收电路的电路图。

图5为本发明的通信电路的电路图。

图6为本发明的电源电路部分原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本实施例的所述智能货架管理系统，接收随工单，主要由RFID标签、RFID阅读器、智能终端、本地计算机以及控制服务器组成，参见图2。

其中，RFID标签，装贴每个料箱上，标签内写入唯一标识料箱的UID号。RFID阅读器，安装于货架背板上，与料箱一一对应，采集料箱上RFID标签发出的射频信号。货架上的每个位置有一个LED三色灯，指示该位置的状态(不同的颜色代表不同的状态)。一个货架配置一个蜂鸣器，指示料箱是否被取走。

智能终端，从所述电子随工单上读取待加工物品的Lot ID号，再读取放置所述待加工物品的料箱对应的电子标签的UID号，将所述待加工物品Lot ID号与该料箱UID号关联形成待加工物品与料箱的映射信息，并将所述映射信息输送至本地计算机。本实施例中的智能终端为手持式，由工作人员手动地完成待加工物品Lot ID号与该料箱UID号的采集。当然本申请不限于手持式的智能终端，可以是设置与输送带或货架上的固定采集设备，亦可以是由机械臂、机械手传动的采集设备。

本地计算机，查询本地计算机中已有的映射信息，如果查询到存在同一键合批的历史料箱已放入货架，则显示历史料箱在货架的具体位置，通知工作人员将该货物对应的料箱放置在历史料箱的相邻货位，或通过读取随工单的Lot ID号和料箱条码映射将本次到达货物与历史料箱关联，并通知工作人员将该货物放入历史料箱并批，料箱条码设置于料箱的外表面，用于将待加工物品与料箱进行绑定。如不存在历史料箱，则通知工作人员料箱可随意放置，本地计算机在料箱放置到位后，通过相应货位的RFID阅读天线将料箱的UID号送入控制服务器。料箱在货架的具体位置由计算机用语音播报或本地计算机显示的方式展示给工作人员。

控制服务器，将随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码进行关联，生成料箱履历表，并将所述料箱履历表送入企业制造执行系统。履历表包含料箱的基本信息，基本信息包括：ID号、组装批号、品名、客户名、加工速度等级、时间以及料箱在货架的位置信息。

控制服务器通过数据库表实现随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码的关联，数据库表包括三种类型，分别为：静态实体表、静态关系表以及动态关系表。

进一步的，静态实体表，记录了包含有：RFID阅读器、电子货架、料箱、用户个人信息的实体的具体信息。静态关系表，记录了包含有：RFID阅读器与电子货架之间的对应关系、天线与阅读器的对应关系以及天线与货架各位置的对应关系的静态实体间映射信息。动态关系表，记录了包含有：所述手持式智能终端采集到的数据、RFID阅读器实时读取的数据的带有时间戳的数据。

控制服务器采用的数据库软件为SQL Server 2014，所述数据库软件采用EntityFramework的code first模式来进行数据库表的设计、迁移及更新表结构操作。

本实施例的RFID阅读器基于ISO15693协议进行设计，主要由微控制器、可编程逻辑器、电源模块、调制模块、检波模块、滤波放大模块、载波抑制模块、天线发送接收模块、读写天线以及双向比较模块组成，参见图1。可编程逻辑器依次与双向比较模块、滤波放大模块、检波模块以及天线发送接收模块形成射频接收电路，参见图4。可编程逻辑器依次与调制模块、滤波放大模块以及天线发送接收模块形成射频发射电路，参见图3。微控制器与可编程逻辑器通信连，读写天线与天线发送接收模块通信连接，且读写天线设置于货架上与料箱一一对应。射频接收电路，RFID阅读器通过天线接收射频已调信号，经检波后消除13.56MHZ载波，得到调制信号。经过滤波放大电路后，滤除了调制信号中的高频噪声和干扰并进行了放大。为便于分析，通过载波抑制电路，保留正相信号。再次经过滤波放大电路，滤除杂波，增大功率。最后经过双向比较器，将信号整形、优化变为数字信号。射频发射电路，上位机将命令发送给微控制器，微控制器控制CPLD产生数字基带信号。时钟产生模块产生13.56MHZ载波与基带信号进行调制，变为已调信号送入放大器。然后经过滤波电路滤除杂波送入天线发送模块，传输到标签中。

进一步的，本实施例的微控制器(MCU)STC15K4W单片机，采用面向对象的设计思想，采用C语言进行程序设计，实现串口(RS-232)与网口(RJ45)通信、控制CPLD进行数据编码、解码、对收到的信号进行防碰撞处理及天线轮询等功能。STC15K4W单片机选用LQFP3封装形式，有30个I/O引脚。所需工作电压为3.3V,由电源电路产生。外接24MHz的石英晶振，为电路提供所需时钟信号。为便于RFID阅读器与服务器、客户端进行数据通信，本设计采用W5500嵌入式以太网控制器进行通信电路设计。通过在W5500的SCSn的引脚上串联一个10K电阻并接入3.3V电压来选择W5500的SPI接口模式，配置MCU为SPI主模式而W5500为SPI从模式。在SPI总线模式下，P3.6、P3.7、P2.0分别与SCLK、MISO、MOSI信号线直接相连，使得MCU通过SPI对W5500进行读写操作，如图5。

本实施例的可编程逻辑器件选用Altera公司的EPM240系列，成本低、功耗小。采用Verilog HDL语言进行RTL级建模，完成信号编解码。

电源电路主要由线性稳压器、开关电源芯片、电源适配器以及可调电压芯片组成，参见图6。电源适配器通过线性稳压器与开关电源连接输出RFID阅读器的工作电压。可调电压芯片与电源适配器通信连接，并与射频发射电路通信连接，射频发送电路提高载波抑制模块需要可调电压VCCPA，实现RFID阅读器发送功率可调。本实施例中电源适配器将电压从220V变为12V，12V电压经过变压器换为9V。

如图6，可调电压芯片选用TPS54340DDA进行电压转换，可调电压芯片的引脚上通过一滑动变阻器R91与两分压电阻R89、R90串联，通过改变所述滑动变阻器阻值，改变电压值使阅读器发送功率可调，以适应不同的应用场景。

可调电压芯片根据

式中，R_hs为R₈₉与滑动变阻器的阻值之和、R_ls为R₉₀的阻值、Vout为输出电压值，改变所述滑动变阻器阻值。

RFID阅读器与企业制造执行系统设有RFID中间件，所述RFID中间件对RFID阅读器输出与标签相关的事件和数据进行过滤、清洗、汇集、计算以及抽象操作，RFID中间件通过以太网口连接RFID阅读器，并对RFID阅读器的工作参数进行配置。

RFID中间件进行过滤操具体为：作打开阅读器，读取标签UID，设置一个由若干个基本周期组成的读取周期并定义标签识别率

其中，基本周期为阅读器读取的最小时间单位，n_i,k为第k个读取周期中标签i读到的次数，n_k为读取周期中所含基本周期的个数。RFID阅读器与标签的一次数据交互为一个简单事件，记为(R,O,T)。其中R为阅读器名，O为标签名，T为时间戳。标签识别率为一个复杂事件，记为(O,B,T)，其中B为标签识别率。设定一个阈值，当标签识别率小于此阈值X，系统认为料箱离开位置。当标签的识别率保持在阈值X内时，判定料箱放入货架的具体位置；当标签识别率急剧下降并小于阈值X的下限值时，判定料箱离开货架位置。

本实施例的系统以B/S(Browser/Server)为架构，采用面向对象的思想设计程序。手持式智能终端型号为PDA3501,操作系统为Android4.2,集成了条码扫描、NFC(NearField Communication)、WLAN(Wireless Local Area Network)等功能模块。在智能终端上开发一款APP读取条形码和RFID标签数据实现待加工物品与料箱的绑定，固定在电子货架上阅读器通过RFID中间件读取料箱的标签数据并对数据清洗、整合。网络应用程序采用ASP.NET框架，具备开发网站应用程序的一切解决方案，包括验证、缓存、状态管理、调试和部署等全部功能。

针对电子货架的应用场景进行数据库表的设计,系统采用的数据库软件为SQLServer 2014。采用Entity Framework的code first模式来进行数据库表的设计、迁移及更新表结构。数据库中表分为三种：静态实体表、静态关系表和动态关系表。静态实体表记录了RFID阅读器、电子货架、料箱、用户个人信息等实体的具体信息，如ID、名称、描述信息等。静态关系表记录了RFID阅读器与电子货架之间的对应关系、天线与阅读器的对应关系、天线与货架各位置的对应关系等静态实体间映射信息。动态关系表记录了手持式智能终端采集到的数据、RFID阅读器实时读取的数据等带有时间戳的数据。ASP.NET编程模式采用MVC(Model View Controller)，包含三个逻辑层：业务层(模型逻辑)、显示层(视图逻辑)和输入控制(控制器逻辑)。在Controller中增加系统所需的控制逻辑，并在View中,利用HTML5、CSS语言构建相应的用户登录、系统主界面、用户增加删除界面以及阅读器相关信息配置等界面。采用JavaScript来为各个界面创建动态事件，并适当美化界面。在控制逻辑中，通过连接字符串与SQL Server 2014相连，从各个表中进行数据的增加、删除、更新、查询以及相关的数据处理算法等操作来提取数据填充到视图中。最后通过Web Service技术将相关信息送入企业的MES(Manufacturing Execution System)系统中，高效实现生产自动化。

测试五通道RFID阅读器在天线轮询模式，结果表明各通道能够准确无误的读取相对应的标签并显示在上位机中。测试手持式智能终端传输数据，通过选用10张不同清晰程度的条形码，以不同的方式扫描条码实时上传至服务器。测试结果表明，手持式智能终端能基本准确的把条码号传至服务器。

针对电子货架，固定RFID阅读器及天线的位置。选取8个待加工物品和6个料箱。周转库操作员通过扫描条形码与读取料箱标签ID号进行货物绑定，并放入货架任意位置。当待加工物品需进入下一道工序时，操作员通过本地地算机获取物品放入的位置送入下一道工序。测试结果表明，采用RFID技术管理物品，节省了大量的人力、提高生产效率、便于数据查询与保存。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种智能货架管理系统，其特征在于包括：

RFID标签，装贴每个料箱上，标签内写入唯一标识料箱的UID号；

RFID阅读器，安装于货架背板上，与料箱一一对应，采集料箱上RFID标签发出的射频信号；

智能终端，从电子随工单上读取待加工物品的唯一标识号Lot ID，再读取放置所述待加工物品的料箱对应的电子标签的唯一标识号UID，将所述待加工物品的Lot ID与该料箱UID关联形成待加工物品与料箱的映射信息，并将所述映射信息输送至本地计算机；

本地计算机，查询本地计算机中已有的映射信息，如果查询到存在同一键合批的历史料箱已放入货架，则显示历史料箱在货架的具体位置，通知工作人员将该待 加工物品对应的料箱放置在历史料箱的相邻货位，或将本次到达的待 加工物品与所述历史料箱关联并通知工作人员将该待 加工物品放入历史料箱并批；如不存在历史料箱，则通知工作人员料箱可随意放置，本地计算机在料箱放置到位后，通过相应货位的RFID阅读天线将料箱对应RFID标签的UID送入控制服务器；

控制服务器，将随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码进行关联，生成料箱履历表，并将所述料箱履历表送入企业制造执行系统；

RFID阅读器包括：微控制器、可编程逻辑器、电源模块、调制模块、检波模块、滤波放大模块、载波抑制模块、天线发送接收模块、读写天线以及双向比较模块，所述可编程逻辑器依次与双向比较模块、滤波放大模块、检波模块以及天线发送接收模块形成射频接收电路；可编程逻辑器依次与调制模块、滤波放大模块以及天线发送接收模块形成射频发射电路，所述微控制器与可编程逻辑器通信连接，所述读写天线与天线发送接收模块通信连接，且读写天线设置于货架上与料箱一一对应；

电源电路包括线性稳压器、开关电源芯片、电源适配器以及可调电压芯片，电源适配器通过线性稳压器与开关电源连接输出RFID阅读器的工作电压，所述可调电压芯片与电源适配器通信连接，并与所述射频发射电路通信连接，可调电压芯片的引脚上通过一滑动变阻器与两分压电阻串联，通过改变所述滑动变阻器阻值，改变电压值使阅读器发送功率可调，以适应不同的应用场景；

所述可调电压芯片根据

改变所述滑动变阻器阻值，从而得到不同的电压，式中，R_hs为一个所述分压电阻与滑动变阻器的阻值之和，R_ls为另一个分压电阻的阻值，Vout为输出电压值；所述控制服务器通过数据库表实现随工单号、料箱条码号、料箱RFID号和料箱号码的关联，数据库表包括三种类型，分别为：

静态实体表，记录了包含有：RFID阅读器、电子货架、料箱、用户个人信息的实体的具体信息；

静态关系表，记录了包含有：RFID阅读器与电子货架之间的对应关系、天线与阅读器的对应关系以及天线与货架各位置的对应关系的静态实体间映射信息；

动态关系表，记录了包含有：所述智能终端采集到的数据、RFID阅读器实时读取的数据的带有时间戳的数据；

所述RFID阅读器与企业制造执行系统设有RFID中间件，所述RFID中间件对RFID阅读器输出与标签相关的事件和数据进行过滤、清洗、汇集、计算以及抽象操作，RFID中间件通过以太网口连接RFID阅读器，并对RFID阅读器的工作参数进行配置。

2.根据权利要求1所述的智能货架管理系统，其特征在于控制服务器采用的数据库软件为SQL Server 2014，所述数据库软件采用Entity Framework的code first模式来进行数据库表的设计、迁移及更新表结构操作。

3.根据权利要求1所述的智能货架管理系统，其特征在于所述履历表包含料箱的基本信息，所述基本信息包括：ID号、组装批号、品名、客户名、加工速度等级、时间以及料箱在货架的位置信息。

4.根据权利要求1所述的智能货架管理系统，其特征在于所述可调电压芯片选用TPS54340DDA进行电压转换。

5.根据权利要求1所述的智能货架管理系统，其特征在于所述RFID中间件进行过滤操作具体为：打开阅读器，读取标签UID，设置一个由若干个基本周期组成的读取周期并定义标签识别率

其中，n_i,k为第k个读取周期中标签i读到的次数，n_k为读取周期中所含基本周期的个数；当标签的识别率保持在一设定阈值内时，判定料箱放入货架的具体位置；当标签识别率急剧下降并小于所述阈值的下限值时，判定料箱离开货架位置。

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