基于RFID和WSNs的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：在倉儲系統(tǒng)、RFID和WSNs等相關(guān)概念基礎(chǔ)上，給出了倉儲監(jiān)管系統(tǒng)的總體設(shè)計和通訊結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體進(jìn)行了軟件系統(tǒng)和硬件節(jié)點的設(shè)計。實際應(yīng)用表明，本設(shè)計的合理性和有效性。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線射頻識別；倉儲

一、引言

倉儲是物流系統(tǒng)的一部分, 是在原產(chǎn)地、消費地，或者在這兩地之間存儲包括原材料、在制品、成品等倉儲物品，并且向管理者提供有關(guān)存儲倉儲物品的狀態(tài)、條件和處理情況等信息。倉儲類型主要包括原料及零組件倉儲、在制品倉儲、制成品倉儲、物流中心、訂單履行中心及倉儲、區(qū)域倉儲、地方性倉儲、保稅倉儲、附加價值服務(wù)倉儲等，而其基本作業(yè)主要包括收貨、預(yù)先包裝、入庫、儲存、揀貸、包裝及定價、分類及集中、單位包裝及出貨等。

根據(jù)深入的用戶需求分析和大量的項目經(jīng)驗，可以將常見的與倉儲監(jiān)管需求劃分為監(jiān)控、倉儲管理、管理信息支持等三大主干功能，目前這些功能往往是互相獨立的，且各主干功能的實現(xiàn)水平和效果也參差不齊；其中倉儲管理領(lǐng)域的產(chǎn)品和解決方案較為成熟，監(jiān)控領(lǐng)域的產(chǎn)品和解決方案目前以視頻監(jiān)控類為主。

本文作者長期進(jìn)行RFID及WSNs相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，并在國家自然科學(xué)基金委的國家自然科學(xué)基金項目“競爭型機(jī)器人遙操作機(jī)理的研究”(60575048)、天津市科委的天津市中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目“危險化學(xué)品倉儲監(jiān)管系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備”(200605)的資助下，開展了深入的理論研究和扎實的產(chǎn)業(yè)化工作。本文在RFID和WSNs兩種技術(shù)及相關(guān)部件的基礎(chǔ)上，結(jié)合倉儲管理的現(xiàn)狀、特點和實際需求，自主研發(fā)了新型倉儲監(jiān)管系統(tǒng)通用平臺，并為典型用戶提供定制的解決方案。其中，RFID技術(shù)實現(xiàn)人員、貨物、車輛等目標(biāo)的識別，WSNs技術(shù)實現(xiàn)倉儲環(huán)境智能，滿足溫度、濕度、成分等環(huán)境參數(shù)的分布式監(jiān)控的需求。RFID和WSNs技術(shù)為倉儲監(jiān)管系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)綜合運用情境敏感、在線信息交互、基于傳感器節(jié)點和RFID的目標(biāo)搜索與定位等技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)支撐下，運用獨特的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)倉儲管理的全方位信息支持。

二、RFID和WSNs技術(shù)簡介

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。與傳統(tǒng)的識別方式相比，具有無需直接接觸、無需光學(xué)可視、無需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理，操作快捷方便等優(yōu)點，因而可以廣泛應(yīng)用于包括生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)療、防偽、郵包跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理、廢物管理等多處倉儲相關(guān)需要收集和處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。

WSNs(Wireless Sensor Networks，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))是由大量散布于待監(jiān)測地域的傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的各個傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)收集和將數(shù)據(jù)路由到接收器的功能。傳感器節(jié)點一般都由采集信息、信號的傳感器單元、處理與存儲單元、收發(fā)單元、電源單元、相關(guān)支持軟件等功能模塊組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)是一種沒有預(yù)定基礎(chǔ)設(shè)施支撐的自組織可重構(gòu)的多跳網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、信道的環(huán)境、業(yè)務(wù)的模式隨節(jié)點的移動而動態(tài)改變[3-6]。

三、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要組成部分

本文所設(shè)計的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模式，主要由數(shù)據(jù)中心、區(qū)域（本地）倉儲管理機(jī)、區(qū)域監(jiān)控機(jī)、信息匯集節(jié)點、電子標(biāo)簽與普通傳感器節(jié)點等部分組成。

1）數(shù)據(jù)中心：這是整個倉儲監(jiān)管系統(tǒng)的核心部分。它主要包括倉儲信息數(shù)據(jù)庫、部門信息數(shù)據(jù)庫、倉儲物品知識庫三個數(shù)據(jù)庫。倉儲信息數(shù)據(jù)庫主要包括與日常倉儲作業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息；部門信息數(shù)據(jù)庫主要包括庫區(qū)內(nèi)各部門的人員信息、設(shè)備信息、班次信息等；倉儲物品知識庫主要包括與倉儲物品相關(guān)的各種知識，如倉儲物品的類屬、特性、存儲要求、運輸要求等。

數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用程序具有以下功能：提供比較完備的關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展功能；針對各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，提供與數(shù)據(jù)庫無關(guān)的數(shù)據(jù)接口，保證子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問。

2）區(qū)域倉儲管理機(jī)：用于完成本區(qū)內(nèi)的倉儲作業(yè)管理。

3）區(qū)域監(jiān)控機(jī)：用于完成本區(qū)的設(shè)備、環(huán)境、人員、車輛等信息的監(jiān)控。

4）信息匯集節(jié)點：包括倉儲應(yīng)用節(jié)點（RFID讀寫器）、身份認(rèn)證節(jié)點（RFID讀寫器）、特定目標(biāo)監(jiān)控節(jié)點（RFID讀寫器／WSNs中心節(jié)點）、環(huán)境監(jiān)控中心節(jié)點（WSNs中心節(jié)點）等。

5)電子標(biāo)簽與普通傳感器節(jié)點：向信息匯集節(jié)點提供直接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

除上述主要組成部分以外，還配備了電子標(biāo)簽與節(jié)點發(fā)行工作站、倉儲管理工作站、庫區(qū)監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器等，從而構(gòu)成完整的倉儲監(jiān)管硬件系統(tǒng)。

2、自適應(yīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了給倉儲物品的監(jiān)管提供高效、可靠的系統(tǒng)構(gòu)架，本文設(shè)計了獨特的自適應(yīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

正常工作情況下，信息傳輸線路為：電子標(biāo)簽或普通傳感器節(jié)點→庫區(qū)節(jié)點→通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器→本地管理機(jī)→應(yīng)用服務(wù)器→數(shù)據(jù)服務(wù)器。電子標(biāo)簽或普通傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，首先會在本地管理機(jī)進(jìn)行匯總、分類、本地處理等操作，然后將處理后的數(shù)據(jù)上傳至中心服務(wù)器。本地管理機(jī)負(fù)責(zé)所轄區(qū)域內(nèi)的倉儲管理和庫區(qū)監(jiān)控。本結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：由于本地管理機(jī)對數(shù)據(jù)做了預(yù)處理，這既保證了本地處理結(jié)果的實時性，又會大大減少中心服務(wù)器的工作量，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

當(dāng)本地管理機(jī)出現(xiàn)故障時，信息傳輸線路為：電子標(biāo)簽或普通傳感器節(jié)點→庫區(qū)節(jié)點→通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器→應(yīng)用服務(wù)器→數(shù)據(jù)服務(wù)器。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器與應(yīng)用服務(wù)器之間存在物理連接。正常情況下它們之間是不進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交換，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器只與本地管理機(jī)通信。一旦本地管理機(jī)異常，應(yīng)用服務(wù)器將通信工作接管，以保證該區(qū)域的數(shù)據(jù)能夠及時匯總至中心服務(wù)器，通過整個庫區(qū)的庫區(qū)監(jiān)控工作站對該區(qū)進(jìn)行監(jiān)控。本地管理機(jī)恢復(fù)正常工作后，應(yīng)用服務(wù)器會自動釋放管理權(quán)，斷開與通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器的通信連接，恢復(fù)正常狀態(tài)下的通信鏈路。

此外，本系統(tǒng)還充分考慮到中心服務(wù)器故障時特殊情況的應(yīng)對措施：中心服務(wù)器定期將各本地管理機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)下傳至本地管理機(jī)，一旦中心服務(wù)器故障，本地管理機(jī)可以根據(jù)最后一次更新的數(shù)據(jù)獨立工作，并將本區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，當(dāng)中心服務(wù)器恢復(fù)正常時，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新與交互。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)示意圖

四、軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。由電子標(biāo)簽、WSNs節(jié)點中的嵌入式軟件完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，并與倉儲管理等各功能模塊進(jìn)行信息交互；本系統(tǒng)的軟件通過第三方軟件接口與其他系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)。系統(tǒng)采用多層混合架構(gòu)，分別利用C/S和B/S的優(yōu)點來滿足不同應(yīng)用子系統(tǒng)的需要，并實現(xiàn)用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)信息層的多層架構(gòu)模式。

圖2系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖

五、RFID讀寫器／WSNs節(jié)點的設(shè)計

本系統(tǒng)中的RFID讀寫器／WSNs節(jié)點如圖3所示。其中虛線框內(nèi)的部分是中心節(jié)點／RFID讀寫器所具有的標(biāo)配部件，而對于普通節(jié)點是選配部件；另外，各種傳感器通過可擴(kuò)展的I／O接口實現(xiàn)與讀寫器／WSNs節(jié)點互聯(lián)。

圖3 RFID讀寫器／WSNs節(jié)點

六、結(jié)束語

本文作者的創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：RFID技術(shù)和WSNs技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，為倉庫監(jiān)管提供高效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；在RFID技術(shù)、WSNs技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建倉儲管理全數(shù)字化平臺，在數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)倉儲管理的信息全方位支持；運用情境敏感的在線信息交互技術(shù)提高人－機(jī)交互水平；采用獨特的自適應(yīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為倉儲監(jiān)管提供靈活、高效、可靠的系統(tǒng)通信架構(gòu)。

實際應(yīng)用表明，本文所設(shè)計的基于RFID和WSNs的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)，可以為倉儲、生產(chǎn)、經(jīng)營等相關(guān)企業(yè)的倉儲環(huán)節(jié)提供快速、實時、準(zhǔn)確的信息采集和實時處理的全新解決方案，從而全面提升相關(guān)企業(yè)信息化水平，規(guī)范倉儲的管理，降低事故發(fā)生率。

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基金資助：國家自然科學(xué)基金(60575048), 天津市中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目(200605)

作者簡介：劉媛(1974--)，女（漢族），遼寧本溪人，天津工程師范學(xué)院電子工程系講師，工學(xué)碩士，主要從事智能檢測與信號處理、嵌入式開發(fā)等方面研究。