张芹, 应君裕, 沈诚, 章一萍

(1.国网湖北省电力公司 计量中心, 湖北 武汉 430080;2.湖北华中电力科技开发有限责任公司, 湖北 武汉 430000)

0 引言

随着电力公司信息化建设水平的不断提高，通过自动化计量库房的建设实现计量资产出入库、资产盘点的自动调度，提升库房资产管理人员的工作效率，实现计量资产的精细化管理甚至在库计量资产的泛在互联已经成为电力公司亟待解决的管理痛点[1]。目前大多数计量库房的管理仍处于手动或半自动化管理状态。在计量资产入库过程中，由于数量庞大，完全依靠人工操作，耗费大量工作时间，并且长时间进行机械操作容易导致较大的故障概率[2-3]。即使一些计量库房开始使用条形码技术来识别计量资产信息，但是因为附在计量设备外表面的条形码很容易磨损或被遮盖，造成计量资产识别失败。因此将物联网射频识别技术应用于计量库房的管理成为电力公司计量资产主管部门的必然选择。RFID标签是嵌入标签数据中的芯片，由于标签表面的损坏，完全避免了识别困难[4]。即使在没有光线的环境中，也可以成功读取标签的信息。同时，由于计量资产类型和型号众多，电子标签的信息存储量大可以更好实现计量资产信息的详细记录，弥补了条形码信息量较少的缺陷，更有利于货物的监控，避免了计量库房管理中不必要的麻烦[5]。因此，本研究设计和实现了一个基于物联网的高效智能的计量库房自动化管理系统。

1 关键技术

1.1 物联网

IOT是物联网的缩写。从技术角度看，物联网可以概括为：物理和虚拟对象的链接、对象识别、自主数据采集和感知、数据传输、网络连接、联盟服务和全球网络基础设施。物联网的体系结构包括3个不同的层：感知层、网络层和应用层，如图1所示[6]。

图1 IOT的三层架构

感知层由传感器组成，可以对位置或环境进行监测。

网络层是使用各种各样的无线接入技术，为应用层和感知层之间提供数据传输功能。在网络层中每个IOT设备都有一个IP地址，具备远程连接的功能。

应用层是物联网业务核心，是实现各种自动化管理业务或智能化控制系统的主要载体。

1.2 射频识别

RFID技术是在物体上嵌入PFID标签，通过RFID阅读器获取信息。RFID系统通常包括标签、阅读器和数据管理系统。RFID是一种利用无线电台实现无物理连接的双向交通的自动识别技术。利用射频信号自动识别目标，同时获取相关信号数据。整个RFID识别过程不需要人工干预，对工作环境的要求特别低，广泛应用于沙漠、戈壁等无人区域。RFID技术被用来跟踪运动中的物体或识别大量的物体。RFID不仅高效，而且准确可靠。短距离射频产品也可以在环境特别恶劣或对人体健康有害时正常使用，所以已经成为条形码的高效替代技术。例如，在化学灌装线上跟踪化学存储容器，在ETC自动收费系统使用远距离射频技术在5米外完成车辆识别，区域车辆识别门禁系统也采用了远程RFID技术。

2 系统设计

2.1 硬件设计

计量库房自动化管理的主要功能是依靠超高频RFID系统实现的。计量资料的自动化库存管理主要取决于RFID标签与读写器之间能否进行信息交换。如果读写器无法与标签进行数据交互，无论如何库管系统都无法正常工作。因此读写器成功地传输和接收RFID标签存储的数据是基于RFID解决方案的库管系统正常工作的前提。

基于物联网的计量库房自动化管理原型系统的硬件设备考虑了实验现场的实际环境。选择功能模块的精度，以及相关的标准和经济因素，最终选择的设备参数如下[7]。

标签型号：IS014443TYPEA MF系列不干燥不干胶纸电子标签;

感应频率：14.0±0.5 MHz;

协议标准：IS014443TYFEA;

工作频率：13.56 MHz;

通信速度：106 kits/s;

可擦次数：10万次;

读写设备：四通道远程读写；

写入设备：JT900R;

支持协议:ISO14443TYPEA/B,ISO15693;

与计算机接口:RS232/485/TTL/USB;

工作温度区间：-20至60 ℃。

2.2 软件设计

系统采用B/S模型三层架构设计。通过将整个业务应用程序分为表示层、业务逻辑层和数据访问层，实现系统模块高内聚、低重合的要求[8-9]。软件系统结果，如图2所示。

图2 软件系统的结构

UI表示层(UI)是用户使用系统时呈现在用户面前的软件界面。业务逻辑层(BLL)是一种特定的面向问题的操作，可以理解为获取一个操作命令并处理业务。数据访问层(DAL)提供完成数据添加、删除、更改和检查等工作的数据库操作功能。

本设计中的三层体系结构实际上是在顶层表示层和底层数据访问层之间添加一个中间业务逻辑层，后者处理业务逻辑和主要功能。所以，三层架构不能简单地理解为传统意义上的三台机器，而是逻辑上的三层软件架构，也许这三层功能运行在在同一台计算机中。软件用户界面不与数据库直接连接，而是以业务逻辑层为链接与数据库进行间接交互。表示层位于顶层，直接面向用户。软件用户界面位于能够接收和实现系统数据的层上。业务逻辑层在三层体系结构中位于中间层，在上下两层之间的信息传递过程中起着非常重要的作用。业务逻辑层具有低耦合结构。数据在层与层之间从上到下传输。因此，更改上层的代码实现过程不会更改底层应用程序。此外本研究在实现软件系统层次结构的过程中采用面向接口的开发模式，进一步降低了层之间的依赖性。因此，对于可扩展体系结构，业务逻辑层扮演两个角色：是数据访问层的指令发布方；是表示层的指令接收方。由此可见业务逻辑层的重要性不言而喻。数据访问层，也称为数据持久层，主要功能是操作数据库中的数据。

2.3 数据库设计

物流自动化管理系统总体E-R，如图3所示。

图3 系统E-R图

2.4 RFID标签防撞算法的比较与分析

常见的RFID标签读取防碰撞算法有基本二叉树防撞算法、动态二叉树防撞算法和后退二叉树防撞算法[10-11]。三种算法的发送二进制请求代码的总数量，如图4所示。

图4 三种算法的发送二进制请求代码的总数量

从图4可以看出，后向二叉树防碰撞算法传输的二进制代码总量明显小于基本二叉树防碰撞算法和动态二叉树防碰撞算法。同时读取20个RFID标签时,基本二进制树防碰撞算法需要发送请求244位代码,动态二进制树防碰撞算法需要发送请求代码为2 304位,后向二进制树防碰撞算法需要发送请求代码为1 664位,不到一半的发送的请求代码基本二进制树防碰撞算法。当标签数量长期持续增加时，三种算法的性能都有所下降，但与基本的二叉树防碰撞算法和动态二叉树防碰撞算法相比，后向二叉树防碰撞算法的性能较慢，降低率较小。当标签数量最大为100时，基本的二叉树防碰撞算法需要发送51 200位的请求代码，动态二叉树防碰撞算法需要发送40 960位的请求码，而后退二叉树防碰撞算法只需要发送30 720位的请求码。这充分证明了后向二叉树防冲突算法在识别标签时发送的请求数更少。

因此，与基本的二叉树防碰撞算法和动态二叉树防撞算法相比，后向二叉树防撞算法能够更快地识别所有标签。当然，为了保证所有标签都能准确识别标签，后退二叉树的抗碰撞算法也会有一定数量的冗余请求码[12]。但是，发送的请求代码数量仍然明显少于基本的二叉树防冲突算法和动态二叉树防碰撞算法。此外，后向二叉树防碰撞算法减少了传输请求的数量，也降低了碰撞比特大小的概率，在一定程度上减少了标签的识别时间。

3 系统实现

3.1 主要业务流程

当计量资产被导入库房所安装RFID阅读器，通过调用RFID标签防碰撞算法所有附在计量资产上的RFID标签信息都被识别出来。然后，通过信息采集和处理接口，将其发送到库房管理模块，库房管理模块根据标签代码对资产进行标识，并及时生成库存清单。接下来，系统通过本地数据库接口更新本地数据库中的库存表。仓储模块根据资产类别分配库区和货位。操作员收到指令扫描位置标签，并将资产放置在正确的库区和货位。计量资产就位后，对资产的外包装进行RFID标签扫描，确认资产已存储在正确货位内。最后，系统生成了库存摘要清单并更新数据库。入库业务流程图，如图5所示。

图5 入库业务流程

当系统收到出库清单时，系统根据库房中计量资产货位的远近来安排出库顺序。库房操作员按指定顺序依次到达指定地点，扫描位置标签，再扫描计量资产RFID标签，确认正确的资产。同时，将所选库位库存状态转换为空。当清单中的所有计量资产都安排好后，通过库房出口处安装的标签阅读器，调用后退标签防碰撞算法对所有RFID标签信息进行识别。此外，所识别的信息通过信息采集和处理接口发送到系统数据库管理模块，以获取计量资产信息，自动生成资产清单并与出库清单进行比较。如果不一致，系统会发出提示信息，提醒库管员检查；如果一致，则会顺利出运，库存数据库会更新。

3.2 系统测试

系统功能黑盒测试的主要任务是检查所有功能的正确性。测试的关键是根据特定的功能特征或设计用例直接测试这些功能。测试主要目的是通过检查结果的正确性来判断系统是否实现了相应的功能或业务规则。大多数功能测试都是由用户直接通过系统UI进行的。提交输入后，通过判断输出或分析结果来定义测试的最终成功或失败。

系统中用户登录功能测试:用户登录输入正确的用户类型、用户ID和密码。只有用户类型、用户ID和密码格式正确，且用户类型、用户ID和密码匹配，用户才能成功登录应用系统,如表1所示。

用户信息管理功能测试:测试显示库房操作员可以成功添加用户信息，可以修改或删除添加的用户信息,如表2所示。

表1 系统登录测试用例

表2 添加用户功能测试用例

库存计量资产信息管理功能测试:测试结果表明库房管理员可以成功添加计量资产的详细信息;如果数据输入不合理，系统可以识别出来，并修改或删除添加的信息,如表3所示。

表3 添加计量资产信息功能测试用例

计量资产仓管功能测试:主要测试库管员能否使用RFID读取设备同时准确识别各种计量资产的信息，并将其放入数据库记录表中,如表4所示。

表4 计量资产库存管理功能测试用例

3.3 系统测试结果分析

通过对计量库房自动化管理原型系统的测试，对测试结果进行如下分析。

从测试结果来看，该系统利用RFID技术实现了对批量计量资产的配送、仓储和库存的管理。由于检测物品种类少、数量少、标签信息的采集精度高，误差很小。

通过详细的测试用例，系统运行稳定，没有出现错误或崩溃。该仓库管理系统能够满足物流自动化管理的需要。

4 总结

本研究通过对物联网技术在计量库房自动化管理中的应用进行了深入的研究和分析，提出了基于物联网的计量库房自动化管理系统的设计。该系统以物联网技术为基础，以射频识别技术为核心，实现了使用RFID标签来识别计量资产、读取资产信息并存储计量资产信息的功能。文中对分析了电子标签识别与碰撞的原因，研究了各种标签的防碰撞算法，并为系统选择了最合适的后向二叉树防碰撞算法。最后，通过需求分析、系统设计和功能实现，阐述了基于物联网的计量库房自动化管理系统的具体实现过程。该软件系统实现了智能化、网络化和信息化的物流自动化管理。下一步，本研究将以计量库房自动化管理系统为基础，进一步探讨在库计量资产泛在互联的实现方法。