RTLS+RFID 仓储管理系统方案

 一、项目背景

    1.1 背景    

    企业的仓储管理，是对仓库及仓库内的物资所进行的管理，是企业为了充分利用所具有的仓储资源提供高效的仓储服务所进行的计划、组织、控制和协调过程。它作为连接生产者和消费者的纽带，在整个物流和经济活动中起着至关重要的作用。    

    不同的企业规模、产品类别，有着不同的仓储管理流程和需求，但核心的部分，都还在于进出库在内的仓库作业和移库、以及货物查找在内的库存控制作业。而随着整个生产制造环境的改变，产品周期越来越短，多样少量的生产方式开始兴起，来自市场端的需求对仓储管理提出了更高的要求。

    简单、静态的传统仓储管理模式普遍存的物资库存量巨大、物资跟踪困难、资金和物资周转效率较低、人力成本偏高、物流管理的信息和手段落后等缺点，已不能适应新的仓储管理需求。破除传统的仓储管理模式，积极探讨新的信息管理技术，在适应企业原有管理流程的基础上，构建新的仓储管理信息化系统平台，协调各个环节的运作，保证及时准确的进出库作业和实时透明的库存控制作业，合理配置仓库资源、优化仓库布局和提高仓库的作业水平，提高仓储服务质量、节省劳动力和库存空间，降低运营成本，从而增强企业市场竞争力。   

    1.2 系统需求   

    高质量的仓储管理（WMS）系统，在于最优化的仓储资源配置、精确的仓库作业控制，以及实时有效的仓储数据流的透传。在充分了解客户需求的基础上，突破性的提出 RTLS+RFID 技术的应用解决方案，构建仓储管理信息化系统平台，将实现以下六大功能。    

    1.2.1 可视化出入库管理    

    可视化出入库管理主要涵盖货物（托盘）入库、出库、库内存储的精确位置信息等。仓储管理（WMS）应能实现仓库实时数据在管理中心的可视化管理。真正做到实物流与数据流同步。   

    1.2.2 电子托盘及库位管理    

    实现托盘和库位的电子化，是实现可视化、智能化仓储管理（WMS）的基础。仓储管理（WMS）的仓库中的货物都是以托盘为单位进行流转和存放，通过对托盘实现电子化，可实现对每个托盘的身份识别。通过 RTLS 系统可精确定位到叉车在仓库内的行进路径。基于节点控制方法，实现托盘在库内存放位置的精确定位和位置信息的实时追踪。    

    通过对仓库物理空间的数字建模，每个托盘空间位置对应一个数字坐标，实现对货物信息的精确定位，快速检索。    

    1.2.3 货物查找    

    当需要查找某个货物时，在系统内里输入相关货物信息，系统即可显示货物对应的物理空间信息，并可通过叉车车载电脑指引叉车司机快速到达货物地点，并通过对托盘标签信息的采集，实现对货物信息的快速核对确认，大幅提升仓库管理效率。    

    1.2.4 相关系统（MES/WCS/SAP）接口    

    仓储管理系统不应该是一个独立的系统，相关数据通过一定的接口应该能和企业现有的生产管理（MES）、EPR（SAP）、以及客户系统（WCS）等相关系统实现及时交互，以满足企业的实际管理需求    

    1.2.5 实现信息流和实物流的统一    

    传统的仓储管理，因技术条件的限制，不可避免的面临实时数据滞后，无法实时准确反映仓储库存及物流情况，导致信息流和实物流脱节严重。而且由于人工识别货物信息，不仅效率低下且容易出错，工作量较大，而建设 RTLS+RFID 技术的仓储管理（WMS）的最终目的，是通过引入有效的技术手段，最终实现企业仓储管理中信息流和实物流的统一，实现实时可视化的仓储管理。

    二、技术背景    

    2.1 RFID 技术简介    

    2.1.1 技术原理    

    RFID 是一种新型的信息技术，可以实现数据与信息非接触快速传送。目前RFID 已广泛应用于 RFID 生产制造、RFID 防伪溯源、RFID 物流与供应链管理等领域，给这些领域带来了很大的技术革新，特别是在 RFID 仓储管理（WMS）管理领域，因为 RFID 技术的特性，它将极大地提高物流信息的采集速度与物流作业效率。    

    RFID（Radio Frequency Identification 射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，是物联网的核心技术之一。它通过射频信号自动识别目标对象（电子标签）并获取或记录相关数据，识别工作无须人工干预，RFID 可工作于各种恶劣环境。一个典型的 RFID 系统由上位机、RFID 读写器、天线、电子标签构成，电子标签内有数据存储区用于存储信息，RFID 读写器用于识别电子标签，读取或写入数据，并负责与上位机完成数据交互，而上位机是控制整套系统工作的接口。其系统结构如图 2-1-1。

    2.1.2 技术优势    

    RFID 技术最大的特点是非接触高速识别，它以无线方式通信，射频标签不用露出电触点也可以被识读到，所以即使粘贴这种射频标签物品放在包装材料内部也可以被识别出，RFID 识别系统还可以同时识别多个射频标签及高速运动的射频标签，这能实现物品流通过程的高效性。具体优势表现如下：    

    ● 非接触读写    

    只要通过 RFID 系统的阅读器即可不接触，直接读取信息至数据库内，这比原始通过专门的单证员录入信息具有非常大的优势，并可以将物流处理状态的各种信息写入标签，为下一阶段工序减少很多信息采集时间。    

    ● 多标签同时读取    

    通过 RFID 阅读器可以一次识读多个 RFID 射频标签，并且一次性把数据由阅读器传送到计算机网络系统，这种数据采集与对物品的验收速度是条形码一个个扫描采集与验收速度的十数倍，更比传统的利用单据录入的数据采集与查看货物名称来验收物品方法快得多。通过这种 RFID 阅读器的多读性，可实现物品的高效快速流通。    

    ● 穿透性好    

    粘贴有 RFID 射频标签的物品放在包装材料是纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质也能正常地被阅读器识别出来，它具有很好的穿透性，这样可以不用把物品从包装材料中拿出来即可以实现对它识别，迅速且方便。    

    ● 标签储存数据容量大    

    RFID 射频标签存放的数据比条形码大得多，条形码技术存放的数据只能表示出物品所属的种类，不能表达出每个种类物品的个体，而 RFID 射频标签存储容量大，可以存放详细描述物品的信息。    

    ● 适应环境能力强    

    纸张脏污就可能看不到纸张上写的字，条形码在黑暗环境下条形码扫描器就扫不出条形码的信息，磁卡没有磁性没不能刷卡了，而 RFID 技术却有很强的环境适应能力，RFID 射频标签对水、油和药品等物质有强力的抗污性及对光有很强的免疫力，在脏污的环境下或黑暗的环境之中仍然可以非常容易地采集到射频标签内的电子信息。    

    ● 标签可重复使用    

    RFID 存储的数据为电子数据，存储数据的载体为电子芯片，此芯片具有反复写入功能，可以重复使用，降低项目一次性投入成本。    

    ● 标签形状的小型化和多样化   

    读取 RFID 射频标签不受尺寸大小与形状的限制，不需要为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质，这比条形码技术在物品上的运用需要结合物品形状大小要具有较大优势。此外，RFID 射频标签小型化可以更加灵活地应用在生产线上控制产品的生产。    

    ● RFID 技术的系统与数据安全    

    将产品数据从中央计算机中转存到工件上将为系统提供安全保障，避免直接从系统那里读取数据而大大地提高系统的安全性，并运用加密方法对 RFID 射频标签内的数据进行保护，可以保证数据不被读取。    

    2.2 RTLS 技术简介    

    铨顺宏 RTLS 系统是一款基于超宽带技术并融合其他多种无线通讯和网络通信技术的实时定位产品，提供亚米级实时位置信息服务；铨顺宏定位研发了多核心基础专利技术，解决了传统超宽带定位技术面临的一些基本瓶颈问题，并将这些技术整合到这套 RTLS 系统中；与其它室内定位技术相比，采用了完全不同的架构，具有高精度、低延迟和大规模、可扩展强性等重要技术特点。    

    2.2.1 系统组成及工作原理    

    RTLS 系统主要由由定位基础网络(锚/桥节点)、定位标签（工牌标签，资产标签，传感器标签及定位模组等）、定位服务器（支持本地服务器或云服务器两种模式）及相关软件系统组成。

    定位原理：首先在覆盖区域，自定义一个平面直角坐标系（自主选择坐标原点和各坐标轴的轴向），测量各个锚节点的坐标值，并将坐标值输入定位服务器，锚节点作为位置基准，发射超宽带信号，广播自身的位置信息，定位标签接收周围锚节点的信息后，通过自有的处理器来计算各个锚节点到达定位标签的到达时间差，进而解算出自身的实时位置。

    2.2.2 技术优势    

    ● 强大的定位基础网络，无线组网，部署简单便捷    系统提供了高性能的无线基础网络，能够同时实现对定位对象的跟踪、导航和双向数据通信，系统几乎不需要布线（传统超宽带定位需要部署时间同步信号触发线）和校准，大大缩短部署时间和降低人工成本。    

    ● 先进的专利算法技术，低延时性，较传统超宽带定位算法更具优势    下行 TDOA 时间同步专利算法，在定位对象端解算位置信息数据，数据的低延时性使系统可以用于对车辆（如叉车）的定位，实时触发相应的告警事件，传统的超宽带技术算法（后台解算）是无法满足的。    

    ● 定位精准稳定    先进的专利算法技术优势，一维典型定位精度 0.5 米，二维典型定位精度0.3 米；铨顺宏 RTLS 定位使用的超宽带信号，抗多径效应能力更强，更适合各种复杂环境。    

    ● 系统支持定位对象容量大、易于扩展铨顺宏 RTLS 定位标签具备独立的 MAC 地址，具有可扩展性，单区域定位对象容量可达到 65000 个。    

    2.3 仓储管理采用 RTLS 加 RFID 技术的意义    

    RFID 作为物品身份标识技术，经过多年的发展，无论技术本身还是应用水平，在国内外都取得了长足的发展。尤其在物流仓储领域的应用，由于其标准完善、技术及应用成熟度高、对仓储物流管理水平提升效果显著、以及 RFID 应用成本的逐步降低，正在成为现代高效仓储物流的标准应用技术之一。    

    而 RTLS 技术在室内实现的精确定位功能，也为实现更多精准的库存管理提供了技术支持。RFID 实现基于货物身份信息的识别，RTLS 提供货物位置信息的采集，两个技术的融合可显著提升仓库及物流管理技术水平，企业可获得良好的投资回报，对当前来说，项目具有示范意义，未来更可有效避免和减少企业信息化升级时的重复投资。

    三、系统解决方案    

    3.1 方案设计原则    

    ● 实际效果适用，个性化应用    

    结合不同仓库的实际情况，在把握大的方向前提下，仓储管理方案设计时将充分考虑现场场地、运营模式、管理模式、实际仓储要求等方面的因素，RTLS+RFID 技术的仓储管理系统做到实际应用效果适用，避免不必要的功能设计。尤其软件系统开发，应充分贴合仓库实际管理需求，做到个性化应用，避免不适应、不实用。    

    ● 管理模式可复制    

    系统设计将围绕仓储管理中的几个大的主线，但仍可以充分考虑未来仓库扩建及扩充的需求。模式应能简单通过复制和定义，未来快速适合其他仓库区的管理需求提升。    

    ● 投资成本可控    

    在满足管理需求的基础上，系统投资成本也应成为重点需要考虑的部分。最大程度的提升投资效益。应避免不必要的投资浪费，避免未来重复投资，避免对管理效能提升不大的高投入，做到整体系统建设成本可控。    

    ● 应用风险可控    

    系统设计应确保应用风险可控。应用风险主要包括新技术和新的管理模式，对现有管理模式的改变所带来的管理风险。应充分研究现有的管理模式、操作流程、人员素质、信息化水平等，在提升作业效率、管理效能的同时，尽量做到循序渐进、平稳过渡。避免管理方式改变对企业经营造成的负面影响。    

    ● 支持未来扩展    

    系统在设备配置、技术应用、软件体系方面，应充分考虑未来的管理发展需要，在未来管理需求增加时，应能支持未来系统功能扩展，平滑过渡。

 

    3.2 系统体系结构

    ● 物理层：

    物理层包括仓库、库位、托盘、叉车、货物、现场作业等。现场作业包括货物入库、出库、盘点、分拣、调拨、拆分、移库等。仓库所有有效托盘要求安装 RFID 电子标签，以实现单个库位（库区）托盘的精细化管理。叉车安装定位标签以及 RFID 车载读取系统。室内按面积规划部署定位基站。

    ● 采集与交互层：

    含各种现场数据采集和用户交互设备，包括 RFID 手持终端、RFID 固定式阅读器等、叉车定位模块、室内基站。主要提供用户操作指引，现场数据采集、数据录入等。为系统提供实时的现场数据采集和交互操作指引。

    ● 数据服务层：

    对系统中的设备进行管理，采集数据的收集、缓存、过滤，控制指令及相关数据的收集、分发等。数据服务层以系统软件服务的方式运行在系统服务器，提供对用户应用层及数据采集交互层的数据及相关控制指令的数据服务。

    ● 企业应用层：

    提供给仓库调度管理中心、远程管理中心的计算机软件用户管理交互界面，同时提供报表及数据查询服务。管理中心对仓库及货物的计划制定、管理控制、数据监控等均通过企业应用层提供。

    3.3 系统拓扑图

RTLS+RFID 仓储管理系统拓扑图

    3.4 仓储管理软件架构

RTLS+RFID 仓储管理软件多层架构框图

    

    3.5 流程设计

    3.5.1 货物入库流程

    ●装卸点进行卸货并成垛；

    ●对于来货已经有托盘的，采用 RFID 打印机直接打印 RFID 标签并粘贴于货箱表面；对于来货没有托盘的，使用现场蓝托盘。货物摆放到蓝托盘上以后，打印条码粘贴于货物表面。工作人员使用 RFID 打印机，扫描条码，扫描蓝托盘 RFID 标签，完成绑定；

    ●货物过安检；

    ●过安检之后，安装有 RFID 采集设备的叉车将叉起货物托盘进行入库。到达库区后，叉车卸下货物，此时，系统根据 RTLS 服务给出的定位信息，完成货物与位置信息的绑定并更新到系统后台。

    3.5.2 货物出库流程

    ●安装有 RFID 采集设备的叉车首先根据任务到指定地点叉取货物托盘，根据读取到的托盘标签信息，查询货物信息，并与任务要求的出货信息进行比对，不一致则报警提示；

    ●出库货物装卸点安装有装卸点位置标签；

    ●叉车叉取货物来到装卸点，读取到装卸点位置标签信息，则表达出库成功。系统自动更新库存，并解绑托盘标签绑定的货物信息。

    3.6 主要硬件设备安装及布设

    3.6.1 叉车部署方案

    工业 PC 作为叉车客户端，完成与数据中心的对接和对叉车读写器的控制以及数据交互。

    RFID 读写器与 RFID 天线组成叉车 RFID 采集设备，完成对货物标签、托盘标签以及地理位置标签的数据采集。

    RTLS 定位标签与仓库内部署的基站组成定位系统，完成对叉车在仓库内所在位置的精确定位。

    3.6.2 定位基站

    根据规划库区 20000 ㎡，预计供架设定位锚节点 24 个。锚节点可采用电源适配器串联 POE 供电。

    3.6.3 托盘标签

    对库区内用于货物转运的托盘安装托盘标签，通过该标签实现与托盘货物信息的绑定。

    标签可以选择不同的封装，以更好的适合在托盘上的安装，即保证不会被轻易损坏，同时，也要确保叉车无论从哪个角度叉起托盘，都能保证标签被有效读取到。

    本项目为塑料托盘，因此欢迎 PVC 封装的标签，再采用胶水粘贴的方式固定在托盘合适位置即可，为保证识别的准确性，推荐一个托盘采用对角各安装一个共两个标签的方式更为可靠。

 

四、RFID 硬件选型及清单报价

    4.1 核心硬件选型

    4.1.1-ThingMagic®Vega

    ●内嵌 M5e，串口通讯，满足实时自动数据传输；

    ●满足于恶劣环境作业标准，用于叉车和车载的车规级工业读写器

    ●支持 EPC Gen2 （ISO 18000-6C）协议，DRM 支持，先进的防冲撞和抗干扰性能；

    ●RF 发射功率：独立的读写模式，5 至 30dBm 输出(1W)，±1dBm 可调；

    ●频率特点：FCC（NA，SA）902-928MHz（可选）；

    ●工作温度 ：-40℃to75℃；交流电源适配器:0℃to40℃；

    ●存储温度：-40℃to85℃；

    ●确认满足车载标准；动力热循环；热冲击阻力；动力振动耐久；机械冲击；湿度温度循环；防水；连接器耐久；高低电压；耐静电 ；

 

    4.1.2-Antenna 5dbi /RFA915-5R90

    ●UHF RFID 圆极化外置天线： Gain：5dBi；  VSWR≤1.5； 工作温度：-40'C to +65'C； 轴比：<2；前后比：≥20 dB ；频率特点：FCC（NA，SA）902-928MHz；SMA connector；0.7KG

 

    4.1.3-定位

    ●终端定时广播定位数据包（默认 1 秒 3 次）

    ●定位频段：channel 2/ 3.7～4.2GHz ；

    ●定位方式：TOF/TDOA（TOF:0 维 TODA：1/2 维）

    ●定位距离："0 维：＞20m、1 维：＞100m、2 维：＞50m"

    ●POE or AC/ DC （二选一）

    ●工作温度：-40~+85℃；储存温度：-30～70℃

    ●工作功耗：额定 1.5W 峰值 5W；POE：48V / DC12V~48V

    ●天线接口：千兆以太网 、WIFI、4G（三选一）报价默认为以太网或 WIFI

    ●防护等级：IP68、符合油气防爆

    ●天线外置：UWB（3dbi)、WIFI(3dbi)、4G(5dbi)

    ●"击穿电压：6V

    ●反向关断电压：5V

    ●静电放电电压：±15kv

    ●"钳位电压：56V

    ●变阻区电压：68（61~75）V

    ●浪涌电流：1KA"

    ●基站尺寸：237*153*48

    ●支持历史轨迹记录回放

 

    4.1.4-车载定位标签  

 

    ●无线标准 802.15.4

    ●通讯方式 UWB

    ●定位频段 channel 2/ 3.7～4.2GHz

    ●通讯距离 ＞100m （无遮挡）

    ●充电方式 "3600 毫安时 2650 电池

    ●不可充电电池，（电池 可定制）"

    ●待机时间 12 个月(不可充电)（典型）工作时间 6 个月（1HZ）

    ●储存温度 -40～85℃

    ●工作温度 -30～70℃

    ●工作电流 10mA

    ●工作电压 3.7V

    ●休眠待机电流 ＜0.4mA

    ●静态电流 0.0002μA

    ●防水等级 IP65

    ●防爆等级 BT6（可定制）

    ●按键报警 无

    ●重量 600 g 

 

    4.1.5-叉车工业平板

 

    ●整机尺寸：280x187x22mm

    ●屏幕尺寸：10.1 inch 16:10，分辨率 1200x1920

    ●亮度：330cd/m2

    ●触摸屏：10 点电容屏，G+G，硬度 7H 以上，防刮花

    ●CPU：intel Skylake M3-6Y30 4M Cache，2,20GHz

    ●RAM：4GB DDR3L

    ●WIFI：WIFI 802.11（a/b/g/n/ac）频率 2.4G+5.8G

    ●接 口 ：DC x1 TF 存 储 卡 座 x1 USB2.0x1

    ●USB3.0x1 HDMIx1 DB9 RS232 串口 x1 网口 x1

    ●系统：windows 10 Home 64bit

 

    4.1.6-RFID打印机

 

    ●精准的标签天线定位技术，可读写打印最小高度为 12 毫米的电子标签，同时支持柔性抗金属电子标签读写打印，灵活的耗材兼容性，应用领域更加广泛，目前市面上支持最小嵌体间距标签读写的打印机。

    ●独创先打印后读写电子标签技术，100%标签合格率，杜绝不良标签被误用。

    ●一键式标签天线定位和首张标签打印功能，操作简单，高效便利，标签零浪费，使用成本降至更低。

    ●HEAT™智能热均衡控制技术，实时智能的对打印头进行加热控制，延长打印头使用寿命；同时将打印机综合加热效率提升至 30%以上，降低能耗，绿色环保。

 

    4.1.7-RFID手持机

 

    ●采用 5.0 寸 IPS 屏, 分辨率 720*1280, 高清全视角，阳光下可见，并搭配高性能大猩猩三代二次强化玻璃，支持多点电容触摸屏；

    ●用户可根据实际需求选择不同功能模块，实现对一维码、二维码、RFID 数据的采集，并通过 USB、GPRS、4G、WIFI、蓝牙等多种有线无线通信方式，实现采集数据的快速有效传输；

    ●采用 ANDROID 7.0 嵌入式操作系统，界面友好，操作简单，使用便捷，扫描、识别结果直观；设备轻便， 适合单手工作，可灵活地应用于任何环境，简化业务运作流程，提高工作效率。