0 引言

经济活动与人们生活不均衡的现象在现代社会中普遍存在,许多的商品货物无法在完成生产之后立刻卖掉,因而,需要经过一段时间的仓储过程,才能进入正常的消费流程之中[1,2]。物流领域中的仓储在这个过程中是不可或缺的一个环节,在高新技术产业密集的今天,仓储管理的水平也在不断提高,为了降低成本,必须要实现仓储的科学化检测。传统的仓储检测中,常用的是条形码技术,但是条形码自身的信息携带量小,货物的一些出入库情况查询和统计信息不全面,因此对基于射频识别技术的数字化物流仓储检测进行研究。

1 基于射频识别技术的数字化物流仓储检测研究

在数字化的物流仓储中,射频识别技术需要多个设备共同配合,才能形成一个完整的网络结构[3,4]。数字化仓储网络拓扑结构如图1所示。

图1 数字化仓储网络拓扑结构 

从图1可以看出,数字化的仓储网络拓扑结构主要包含应用在系统服务器中的软件、互联网、读写设备以及电子标签,接下来详细地对基于射频识别技术的数字化物流仓储检测进行研究。

1.1 建立技术标准体系

现在常见的射频识别系统有三大技术标准体系,在本文中主要采用的是UID标准体系,在该体系中,最重要的是EPC识别码[5]。为了使识别码适用于本文的仓储检测,将EPC的结构进行重新编码,该识别码由版本号、域名管理者、对象分类字段和序列号共同组成,具体结构见表1所示。

表1 EPC编码结构 

在以上的识别码结构中,其容量能够达到128 bit,在此基础上还拥有340×1 036的编码空间,它能同时兼容多种不同类型的编码,射频识别的读写设备在一定范围内,能够持续地通过天线发送某种特定频率的强信号,当带有编码器的电子标签出现在该范围内,通过天线之间的互联,感应到读写设备,并通过程序接口向应用层发送相关信息[6]。其传输过程如图2所示。

图2 射频识别技术的传输过程  

发送到程序接口的信息中,主要包括检测信息中的相关代码,或者主动标签,当所有数据传送完毕后,其自带的射频模块会将标签调至下一个周期,通常情况下,会由系统内部来决定电容器的充放电时间[7],一旦电子标签将相关的标签信息传递给读写设备后,射频模块会配合读写模块进行解码和编码工作,随后发送给相关的程序接口,判定标签中的相关信息,根据多样化的判断结果,进行相应的处理。

1.2 设计信息识别设备

在本文的数字化物流仓储管理中,信息识别设备的有效利用是管理的命脉,关系到仓储管理系统是否能够高效、正常的运行。在射频识别技术中,使用的是电子标签。有源标签的价格较高,不适用于数量比较庞大的物品仓储,为了降低成本,本文采用无源标签作为射频识别的电子标签[8],其一些技术指标如表2所示。

表2 射频设备电子标签技术指标 

采用这种无源标签,其型号为915 MHz能读写射频识别标签,它无需电源,并能反复读写,使用寿命长达10年,而且具有很好的防碰撞性能,读写速度能够达到每秒50个标签。

另外一个信息识别设备就是读写设备,也叫射频阅读器,本文采用固定式的射频阅读器,它能够通过调整功率改变通信范围,且支持多个设备同时通信[9],固定式射频阅读器的技术指标见表3所示。

表3 固定式射频阅读器技术指标 

射频识别标签在实际的生活中应用比较广泛,抗干扰性能强,使用寿命长[10]。在物流仓储检测中,基站式读写设备比较稳定,能够对大量的标签进行扫描,但是存在多路存取问题,下面对这类问题提出解决办法。

1.3 引入帧时隙ALOHA算法

射频识别技术属于无线通信的一种,其中出现的多路存取问题是一个技术难点。多路存取是指几个标签可以连接到一个网络上,并且可以同时监视或发出数据流量(或存取介质),导致出现标签碰撞[11,12],因此,需要引入帧时隙ALOHA算法来解决此类问题。帧时隙ALOHA算法是在时隙ALOHA算法基础上,将M个时隙组合在一起,其数据传输情况见图3所示。

图3 4帧的时隙ALOHA算法数据传输情况   

在数字化物流仓储系统中,系统的识别效率可以表示为:

η=m(1M)(1−1M)m−1         (1)$\eta =m\left(\frac{1}{{\rm M}}\right)\left(1-\frac{1}{{\rm M}}\right){}^{m-1}(1)$

上式中,m为未识别的标签总量,M为每帧的帧长,为了让系统的效率最高,就要使M的值最小,可以得到:

dηdM=[m(1M)(1−1M)]m−1         (2)$\frac{d{}_{\eta }}{d{\rm M}}=\left[m\left(\frac{1}{{\rm M}}\right)\left(1-\frac{1}{{\rm M}}\right)\right]{}^{m-1}(2)$

通过上式可知,M的值很大时,可以将上式化简成为M≈m,假设在某个时隙之间出现的标签个数的概率服从二项分布:

P(X=r)=Crm(1M)r(1−1M)m−r         (3)${\rm P}(X=r)=C{}_m^r\left(\frac{1}{{\rm M}}\right){}^r\left(1-\frac{1}{{\rm M}}\right){}^{m-r}(3)$

当未识别的标签总数大于一个帧内的时隙数时,发生碰撞的几率就会增加,因此,在帧长的选择上要与未识别的标签数相对应,预估未识别的标签数量,与给定的最大帧长L进行对比,确定分组数。在每一个识别周期中,读写设备都能够识别帧长和分组信息,电子标签会接收到该信息,依据自身的状况形成识别码。针对待识别的标签数量、帧长度与分组数的情况如表4所示。

表4 不同标签数与帧长及分组数之间的关系 

给定的最大帧长为256,当未识别标签数量超过256时,需要将读写设备作用范围之内的标签分成休眠组和待命组,将待命组的数量定为与帧长相近的数,以方便匹配前面设定的最大帧长[13,14]。当这一轮的识别结束之后,读写器会统计空时隙数、成功标识标签数量等。在数据的信息传输阶段,射频识别的读写设备与电子标签之间能够实现无碰撞,在标签的识别过程中,提高了识别正确率,保证了射频识别的有效性。

1.4 实现数字化物流仓储的检测

数字化物流仓储的检测是以射频识别技术为基础的,用电子标签和读写设备作为载体,实现了整个仓储检测的过程。包括仓库物品的出入库、盘点等工作内容,通过射频识别技术的应用,物流仓储业能够进一步提高效益,节约成本,数字化物流仓储的检测步骤如图4所示。

图4 数字化物流仓储的检测步骤   

图4主要分为数据采集、数据传输和业务应用,数据的采集主要应用到的是射频识别技术,电子标签能够储存大量信息,通过读写设备扫描电子标签完成数据采集[15]。数据的过滤和传输依靠WIFI,无线部署方便且能够达到数据传输的速度要求。通过这三个不同逻辑的数据互相的传输,完成了基于射频识别技术的数字化物流仓储检测的研究。

2 实验

在完成了基于射频识别技术的数字化物流仓储检测研究后,需要对其进行有效性测试。以某大型超市的仓库为实验对象,将MATLAB作为实验平台,利用设计的基于射频识别技术的数字化物流仓储检测方法对其进行实验。

2.1 实验准备

对实验中的参数环境进行设计,利用射频识别的硬件中间件通过网络连接到Symbol XR440 RFID阅读器,通过自身的串口与AOSONG AW3485阅读器相连。其参数环境如表5所示。

表5 RFID中间件参数环境 

在上述实验环境下进行本文方法的测试,并将实验结果进行统计与分析。

2.2 实验结果与分析

分别使用传统的物流仓储检测方法和本文设计的方法对大型超市的仓库进行测试,得到的实验结果如图5至图6所示。

图5 本文物流仓储检测结果   

图6 传统物流仓储检测结果   

从图5、图6可以看出,传统物流仓储检测中,条形码标签能够携带的信息量小,货物的一些出入库情况的查询和统计信息不全面,本文设计的基于射频识别技术的数字化物流仓储检测中,电子标签能够携带10条货物信息,内容比较全面,在仓储的货物盘点中,能够节省较多的时间和人力。

3 结束语

传统仓储检测使用的条形码技术信息携带量小,货物的一些出入库情况的查询和统计信息不全面,因此,对基于射频识别技术的数字化物流仓储检测进行研究。通过设计版本号、域名管理者、对象分类字段和序列号,确定EPC编码结构,建立起相关的技术标准体系,对射频技术中的电子标签和读写设备进行设计,保证射频识别的稳定性,引入帧时隙ALOHA算法,确定不同标签数与帧长及分组数之间的关系,解决多标签碰撞问题,提高识别正确率,最后设计数字化物流仓储的检测步骤,完成了基于射频识别技术的数字化物流仓储检测的研究。通过对比实验表明,设计的数字化物流仓储检测中的电子标签比传统的检测多携带6条信息,且内容全面,能节省较多时间和人力。