物流跟踪和物流 4．0 如何管理供应链中断
作者：Jeff Shepard
供应链中断在可预见的未来将持续存在，物流跟踪管理的重要性日益彰显。物流是将物品从一个地方转移到另一个地方的过程，发生在生产基地内、仓库内或地理分散的地点之间。物流跟踪管理可以提供实时供应链状态，支持根据需要进行调整，以尽量减少供应链中断的影响，确保运营顺利、高效且有利可图。
随着工业物联网 (IIoT) 的出现，物流 4.0 和智能供应链管理（包括人工智能）应运而生，以应对新的挑战并提高物流管理的灵活性。物流 4.0 实现了实时供应链可见性和完整性控制，以确保具备所需的信息，从而在正确的时间、地点和条件下以合适的成本交付适当数量的正确产品。根据在供应链中的位置，可以利用一系列技术实现物流跟踪管理，包括线性（一维）条码、二维条码、射频识别 (RFID)、近场通讯 (NFC)、蓝牙、Wirepas（工业蓝牙）和 GPS 技术。
本文概述了物流挑战，比较了几种物流跟踪技术和相关行业标准的效用，最后介绍了 Banner Engineering 和 Würth Elektronik 提供的跟踪工具示例，以及加速开发过程的评估平台。
工业 4.0 和物流 4.0 相互关联，要以经济的方式实现高效大规模定制的目标，二者均不可少。物流 4.0 依赖于与各种物品相关的高度细化且实时的信息，结合网络化、自动化和低延时通信来实现对供应链中断的早期预警和快速响应，以维持整个供应链中货物的最优流动。在特定情况下，需要多种技术才能实现最佳物流解决方案。
一维和二维条码
为了实现各种物品的数据收集自动化，条码是一种廉价而有效的方式。根据数据量的不同，条码有多种格式，包括：
· 一维或线性条码，可以包含序列号、型号和物品历史记录等信息。
· 堆叠式线性条码，使用多个紧密堆叠在一起的一维条码来提供更高密度的数据。
· 二维条码，由方框或单元格组成，以网格格式存储更大数量的数据。
一维条码最常见，条码信息包含在黑条和空白组成的一定宽度当中，使用能够理解所用特定格式的条码扫描器来读取。一维条码有多种格式，这些格式针对特定应用所需的数据进行了优化。示例如下：
· Code 128，用于物料处理
· Code 39，由军事和政府机构使用
· Interleaved 2 of 5，用于特定工业应用
· UPC-A，广泛用于美国零售业
· Postnet，由美国邮政总局 (USPS) 使用
例如，Code 128 的格式包括（图 1）：
黑条是传递信息的黑线。在基本编码中，黑条有两种尺寸——宽和窄，由读取器翻译成二进制信息。其他条码格式可能包括不同宽度的黑条和空白，以传达更多详细信息。
静态区域是条形码边缘的空白，其作用是让扫描器能够识别条码的开头和结尾。这是所有一维条码格式的一个共同特征。
起始码和停止码是黑条和空白的特定组合，表示条码的开头和结尾。
校验码用于验证数据的准确性，防止数据读取错误。
人类可读码不是条码中机器可读信息的一部分。
模块宽度指条码中最小单元或黑条的高度/宽度，决定了扫描器准确读取代码所需的最小分辨率。
图 1：使用 Code 128 码格式的一维条码结构（颜色仅用于识别）。（图片来源：Banner Engineering）
二维条码更复杂，包含的数据量更大。一些常见的二维条码包括：
· DataMatrix，用于汽车、电子和 USPS 应用
· 二维码，也用于汽车以及商业营销外
· Aztec，用于旅行票据和一些车辆登记文件
· Maxicode，用于物料处理和联合包裹服务公司 (UPS)
DataMatrix 格式包括（如图 2）：
单元格是二维矩阵内包含数据的黑色和白色方块区域。
静态区域是二维条码周边的空白，其作用是让扫描器能够识别条码的开头和结尾。
查找器（或“L”）模式确定了读码器的方向，以便它能够识别正确的读码方式。
定时模式与查找器模式相对，指示读取器条码内部单元格的大小以及条码中的行数和列数。
图 2：二维条码 DataMatrix 结构（颜色仅用于识别）。（图片来源：Banner Engineering）
二维条码还包含纠错数据。根据条码的不同，纠错数据可能出现三次，以提高读取器的数据采集质量。
读取条码
激光扫描器是一种简单且经济的一维条码读取方式。激光通过旋转镜照射在条码上，其反射光通过光电二极管进行测量。然后，将光的测量结果转换为数字输出。高速激光扫描器每秒可执行多达 1300 次扫描，但不能读取二维条码。
图像读取器既可读取一维条码，也可读取二维条码。此类读取器捕捉条码的图像，然后用图像处理软件进行分析，以定位、定向和读取条码。与激光扫描器相比，图像读取器具有更宽的景深，可在多个高度进行读取，并可同时读取多个条码。读取过程的速度取决于成像相机和处理软件的能力。
Wirepas 自组移动网络
除条码外，无线标签和 IIoT 也可用于整个供应链中的物品识别、定位和状况确定。Wirepas 是一种自主性自组无线连接协议，旨在实现物流 4.0 应用所需的规模和密度。由于拥堵和带宽限制，蓝牙等传统网状网络很难达到较大规模。Wirepas 通过将网络智能分散到各节点来克服这一障碍，形成一个使用无冲突无线电频谱的自愈型网络（图 3）。
图 3：在需要管理大量物品的物流跟踪应用中，Wirepas 可替代蓝牙或专有无线协议。（图片来源：Würth Elektronik）
Wirepas Mesh 软件专为大规模和电池供电的网络而设计。每个节点：
· 扫描网络环境并选择最优路径
· 根据附近节点的接近程度调整传输功率
· 可用作路由或非路由节点，也可用作汇聚节点。
· 可在低功耗和低延迟模式之间切换
· 选择最优频率
· 抗干扰
数字化集装箱航运协会 (DCSA) 是一个由多家大型集装箱航运公司创立的独立组织。该组织发布了航运集装箱的无线连接接口标准。Wirepas 符合 DCSA 标准。
实现一维和二维条码
设计采用一维或二维条码的物流 4.0 跟踪系统时，设计人员可以借助 Banner Engineering 的基于图像的 WVGA（752 × 480 像素）条码读取器 ABR3009-WSU2（图4）。它在出厂时已在三个对焦位置（45 mm、70 mm 和 125 mm）进行了校准，而且具有一个连续对焦范围，可针对各种应用提供微调。ABR3009-WSU2 每秒可以捕捉 57 帧。
图 4：Banner Engineering 的 ABR3009-WSU2 可读取各种一维和二维条码。（图片来源：Banner Engineering）
所有标准一维和二维 ABR 3000 系列读取器都被设置为读取 DataMatrix 条码，可通过板载按钮轻松配置以读取其他样式的条码，更复杂的配置则可通过电脑使用 Banner 的 Barcode Manager 软件完成。镜头选项（包括软件可调自动对焦）可进一步简化设置和配置。设备集成和 IIoT 数据收集可以通过工业以太网、串行或 USB 连接进行配置。型号 ABR3009-WSU2 的防护等级为 IP65，可防止灰尘和从喷嘴喷出的水进入其中。
Wirepas 无线电模块
Würth Elektronik 的 Thetis-I 是一款 2.4 GHz 无线电模块，支持 Wirepas 网状网络通信协议。设计人员可以使用编号为 2611011021010、视距范围为 400 m 的零件将 Wirepas 集成到物流 4.0 资产跟踪设备中（图 5）。其发射 (Tx) 功率为 6 dBm，接收灵敏度 (Rx) 高达 -92 dBm，传输速率高达 1 Mbps。2611011021010 在 Tx 模式下的功耗为 18.9 mA，在 Rx 模式下为 7.7 mA，在休眠模式下为 3.16 μA。其尺寸为 8 x 12 x 2 mm。
图 5：支持 Wirepas 网状网络协议的 2.4 GHz Thetis-I 无线电模块（图片来源：Würth Elektronik）
为了加快采用 Thetis-I 无线电模块（其支持 Wirepas 网状网络协议）的物流 4.0 应用的开发，设计人员可以使用 Thetis-I EV 套件。该套件包括一块 mini-EV 板、一个 USB 无线电贴片和三个传感器节点（图 6）。几分钟时间便可建立一个正常运行的 Wirepas 网状原型网络，EDV 套件中的每个组件（mini-EV 板、USB 无线电贴片和传感器节点）皆可单独购买以扩大原型网络。
图 6：Thetis-I EV 套件配备了 Thetis-I Wirepas Mesh 模块，并且包括一块 mini-EV 板、一个 USB 无线电贴片和三个传感器节点。（图片来源：Digi-Key）
mini-EV 板支持与主机微控制器连接以进行应用开发。传感器节点是一块 31 mm × 32 mm 电池供电板，上面带有一个压力传感器和一个湿度传感器。传感器数据由无线电模块自动读取，并传输到网状网络。EV 套件还包括 Würth 的 PC 工具 Wirepas Commander 软件，该软件支持与无线电模块通信、网络配置和传感器数据监控。
总结
物流 4.0 依赖于供应链中所有物品的实时、细粒度的信息，并且需要利用网络系统、自动化和低延迟通信与工业 4.0 相结合，以提供对供应链中断的早期预警。实施一个成功的物流系统需要多种跟踪技术。本文介绍了与一维和二维条码相关的各种选择以及高度可扩展的无线 Wirepas 网络，它们可以在物流 4.0 解决方案中协同工作。
