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基于 WSN 和分級 RFID 融合的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)
作者：李娜娜，甘勇，賀蕾，馮媛
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2009-12-04 11:05:29
摘要：針對物流過程中產(chǎn)品所處環(huán)境條件以及品質(zhì)特征的多變性，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、分級RFID技術(shù)的物流跟蹤監(jiān)控管理系統(tǒng)；闡述了該系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、分級RFID標(biāo)簽的原理；并對該方案的技術(shù)特征進(jìn)行了深人地分析與探討。結(jié)果表明。基于WSN和分級RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物品品質(zhì)、環(huán)境變化的實(shí)時監(jiān)瀏與定位。而且顯著地提高了倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，效降低了物流過程的周期和成本，有著廣闊的應(yīng)用前景。
0 引言
目前，我國許多物流企業(yè)采用了監(jiān)測控制系統(tǒng)，但其監(jiān)測僅局限于對運(yùn)輸車輛狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、管理，對于分散的監(jiān)控點(diǎn)之間的物品不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，使得生產(chǎn)廠商和供應(yīng)商不能及時掌握物品信息。隨著需求的升級，美、歐等國家已經(jīng)開始對物品實(shí)施全程監(jiān)管、實(shí)時控制，實(shí)時掌握物流過程(包括運(yùn)輸、倉儲、裝卸搬運(yùn)、包裝、配送等)中產(chǎn)品的品質(zhì)、標(biāo)識、位置等信息已經(jīng)成為現(xiàn)代物流管理系統(tǒng)的新要求。除此外，物流過程中還缺少有效的產(chǎn)品身份證制度，一旦產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題，很難追本溯源，從而嚴(yán)重影響物流系統(tǒng)的進(jìn)一步健康發(fā)展。
提出基于WSN和分級RFID融合的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，綜合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID的技術(shù)特點(diǎn)，不僅能夠?qū)崟r地對物流過程中產(chǎn)品的品質(zhì)、標(biāo)識和位置等信息進(jìn)行監(jiān)控，而且還能夠顯著提高倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，因此，有著廣泛的應(yīng)用前景。
1 基于WSN和分級RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)
1．1系統(tǒng)構(gòu)成
基于WSN和RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下三部分組成，分別是無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，無線GPRS和有線Intemet組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)由具有RFID閱讀功能的傳感器節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)自組織形成。
在該系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)在配送中心、送貨車箱等應(yīng)用場景下，對產(chǎn)品的環(huán)境參數(shù)、品質(zhì)特征、產(chǎn)品標(biāo)識等信息進(jìn)行采集，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)讀取、匯聚節(jié)點(diǎn)收集到的信息，在必要時讀取RFID標(biāo)簽信息，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制中心的中心服務(wù)器；中心服務(wù)器負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲到在線數(shù)據(jù)庫中，以供用戶通過Intemet或者GPRS網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)的信息進(jìn)行查詢和控制。
整個數(shù)據(jù)采集過程采用被動式與主動式相結(jié)合的方式。在正常狀態(tài)下。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)都處于被動工作方式，即只有接到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)詢問消息時才返回節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息；而網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點(diǎn)一旦檢測到環(huán)境參數(shù)異常或者產(chǎn)品品質(zhì)出現(xiàn)問題時，該節(jié)點(diǎn)立即轉(zhuǎn)換為主動工作方式，向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主動發(fā)出報警和定位信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送給中心服務(wù)器。通知相關(guān)人員對異常情況進(jìn)行適當(dāng)處理。
1．2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
具有RFD閱讀功能的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備由數(shù)據(jù)采集單元、處理與控制單元、WSN無線通信單元、RFD無線通信單元、供電單元等部分組成，具備感知、無線通信和處理信息的功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集單元由傳感器陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將感知到的溫度、濕度、氣體、光照強(qiáng)度、氣味等信息轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到處理與控制單元中。處理與控制單元由應(yīng)用、存儲器和CPU構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)等信息進(jìn)行本地比較，如果發(fā)現(xiàn)有異常則主動觸發(fā)WSN無線通信模塊，向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送物品品質(zhì)、環(huán)境參數(shù)異常的報警信息。此外，處理與控制模塊還要負(fù)責(zé)發(fā)送讀取控制信號給RFID讀卡器，以讀取RFID信息。供電模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量，通常采用微型電池。
1．3分級RFID標(biāo)簽
RFID標(biāo)簽根據(jù)所采用的工作頻率不同而具有不同的識別距離。分級RFID標(biāo)簽是將具有不同識別距離的RFID標(biāo)簽分成不同的等級，每一級標(biāo)簽分別完成不同的功能。在本系統(tǒng)中，采用了兩級RFID標(biāo)簽，第一級RFID標(biāo)簽為環(huán)境監(jiān)測級RFID標(biāo)簽，第二級RFID標(biāo)簽為貨物配送級RFID標(biāo)簽。
第一級RFID標(biāo)簽是固定在貨箱內(nèi)的識別范圍較小的低頻RFID標(biāo)簽，當(dāng)產(chǎn)品品質(zhì)或者周圍環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，其通過處理與控制單元發(fā)送讀取控制信號給RFID讀卡器，以讀取天線輻射近場區(qū)內(nèi)(最大識別距離為10cm一180cm)的貨箱m信息。這樣，倉庫管理員通過具有RFID閱讀功能的倉儲手持終端可以快速、方便地定位到相應(yīng)的貨箱。因此，第一級RFID標(biāo)簽也稱為環(huán)境監(jiān)測級RFID標(biāo)簽。
手持終端根據(jù)貨物列表方便、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行分揀核對。第二級RFID標(biāo)簽提高了倉儲、配送的智能化管理水平，也稱為貨物配送級RFID標(biāo)簽。兩級RFID標(biāo)簽共同配合，構(gòu)成了該系統(tǒng)中的RFID無線通信部分。
2 基于WSN和分級RFID融合的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)分析
基于WSN和分級I疆D的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)不僅繼承了RFID簡單、快捷、自動識別目標(biāo)的特性，又繼承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動感知與通信的功能。該系統(tǒng)特征主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)實(shí)現(xiàn)了物品品質(zhì)、環(huán)境變化實(shí)時監(jiān)測與定位。
在物流動態(tài)過程中，產(chǎn)品的理化特性可能會發(fā)生變化。表現(xiàn)在或者產(chǎn)生腐敗變質(zhì)的異味和熱量等，利用集成在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的氣敏傳感器、溫濕度傳感器陣列就可以采集到感知域內(nèi)的032、02、C2H4、C2HsOH等氣體的含量以及溫度、濕度等環(huán)境信息，結(jié)合第一級RFID標(biāo)簽，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)、環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和異常產(chǎn)品的準(zhǔn)確定位，防止異常情況的進(jìn)一步發(fā)展。同時，對出現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)問題的物品還能夠跟蹤其來源，防止再次發(fā)生此類情況。因此，本系統(tǒng)不僅可以覆蓋更大的監(jiān)控范圍，而且可以提供更深入的信息感知能力。
(2)顯著提高了物流過程中倉儲以及配送的智能化管理水平。
采用第二級貨物配送級RFID標(biāo)簽，在倉儲或者運(yùn)輸車輛環(huán)境中，利用識別距離較大的RFID標(biāo)簽，大大提高了倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，有效降低了物流過程的周期和成本。
(3)網(wǎng)絡(luò)靈活性強(qiáng)。
節(jié)點(diǎn)不需要任何配置就可以自組織地開始工作，系統(tǒng)可以自動與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中加入進(jìn)來的新節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通信，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因失去電力等原因而失效、死亡時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會自動重新組合，不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
3 結(jié)束語
將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)進(jìn)行融合是現(xiàn)代物流信息管理技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢。目前，對于二者技術(shù)的融合，國內(nèi)外都處于研究探索階段。文中將基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于WSN和分級RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，不僅拓展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知信息的深度和廣度，而且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)變化的實(shí)時監(jiān)測與定位，提高了物流過程中倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，有效降低了物流過程的周期和成本。
(文/鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，李娜娜，甘勇，賀蕾，馮媛)
目前，我國許多物流企業(yè)采用了監(jiān)測控制系統(tǒng)，但其監(jiān)測僅局限于對運(yùn)輸車輛狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、管理，對于分散的監(jiān)控點(diǎn)之間的物品不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，使得生產(chǎn)廠商和供應(yīng)商不能及時掌握物品信息。隨著需求的升級，美、歐等國家已經(jīng)開始對物品實(shí)施全程監(jiān)管、實(shí)時控制，實(shí)時掌握物流過程(包括運(yùn)輸、倉儲、裝卸搬運(yùn)、包裝、配送等)中產(chǎn)品的品質(zhì)、標(biāo)識、位置等信息已經(jīng)成為現(xiàn)代物流管理系統(tǒng)的新要求。除此外，物流過程中還缺少有效的產(chǎn)品身份證制度，一旦產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題，很難追本溯源，從而嚴(yán)重影響物流系統(tǒng)的進(jìn)一步健康發(fā)展。
提出基于WSN和分級RFID融合的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，綜合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID的技術(shù)特點(diǎn)，不僅能夠?qū)崟r地對物流過程中產(chǎn)品的品質(zhì)、標(biāo)識和位置等信息進(jìn)行監(jiān)控，而且還能夠顯著提高倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，因此，有著廣泛的應(yīng)用前景。
1 基于WSN和分級RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)
1．1系統(tǒng)構(gòu)成
基于WSN和RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下三部分組成，分別是無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，無線GPRS和有線Intemet組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)由具有RFID閱讀功能的傳感器節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)自組織形成。
在該系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)在配送中心、送貨車箱等應(yīng)用場景下，對產(chǎn)品的環(huán)境參數(shù)、品質(zhì)特征、產(chǎn)品標(biāo)識等信息進(jìn)行采集，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)讀取、匯聚節(jié)點(diǎn)收集到的信息，在必要時讀取RFID標(biāo)簽信息，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制中心的中心服務(wù)器；中心服務(wù)器負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲到在線數(shù)據(jù)庫中，以供用戶通過Intemet或者GPRS網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)的信息進(jìn)行查詢和控制。
整個數(shù)據(jù)采集過程采用被動式與主動式相結(jié)合的方式。在正常狀態(tài)下。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)都處于被動工作方式，即只有接到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)詢問消息時才返回節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息；而網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點(diǎn)一旦檢測到環(huán)境參數(shù)異常或者產(chǎn)品品質(zhì)出現(xiàn)問題時，該節(jié)點(diǎn)立即轉(zhuǎn)換為主動工作方式，向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主動發(fā)出報警和定位信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送給中心服務(wù)器。通知相關(guān)人員對異常情況進(jìn)行適當(dāng)處理。
1．2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
具有RFD閱讀功能的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備由數(shù)據(jù)采集單元、處理與控制單元、WSN無線通信單元、RFD無線通信單元、供電單元等部分組成，具備感知、無線通信和處理信息的功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集單元由傳感器陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將感知到的溫度、濕度、氣體、光照強(qiáng)度、氣味等信息轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到處理與控制單元中。處理與控制單元由應(yīng)用、存儲器和CPU構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)等信息進(jìn)行本地比較，如果發(fā)現(xiàn)有異常則主動觸發(fā)WSN無線通信模塊，向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送物品品質(zhì)、環(huán)境參數(shù)異常的報警信息。此外，處理與控制模塊還要負(fù)責(zé)發(fā)送讀取控制信號給RFID讀卡器，以讀取RFID信息。供電模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量，通常采用微型電池。
1．3分級RFID標(biāo)簽
RFID標(biāo)簽根據(jù)所采用的工作頻率不同而具有不同的識別距離。分級RFID標(biāo)簽是將具有不同識別距離的RFID標(biāo)簽分成不同的等級，每一級標(biāo)簽分別完成不同的功能。在本系統(tǒng)中，采用了兩級RFID標(biāo)簽，第一級RFID標(biāo)簽為環(huán)境監(jiān)測級RFID標(biāo)簽，第二級RFID標(biāo)簽為貨物配送級RFID標(biāo)簽。
第一級RFID標(biāo)簽是固定在貨箱內(nèi)的識別范圍較小的低頻RFID標(biāo)簽，當(dāng)產(chǎn)品品質(zhì)或者周圍環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，其通過處理與控制單元發(fā)送讀取控制信號給RFID讀卡器，以讀取天線輻射近場區(qū)內(nèi)(最大識別距離為10cm一180cm)的貨箱m信息。這樣，倉庫管理員通過具有RFID閱讀功能的倉儲手持終端可以快速、方便地定位到相應(yīng)的貨箱。因此，第一級RFID標(biāo)簽也稱為環(huán)境監(jiān)測級RFID標(biāo)簽。
手持終端根據(jù)貨物列表方便、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行分揀核對。第二級RFID標(biāo)簽提高了倉儲、配送的智能化管理水平，也稱為貨物配送級RFID標(biāo)簽。兩級RFID標(biāo)簽共同配合，構(gòu)成了該系統(tǒng)中的RFID無線通信部分。
2 基于WSN和分級RFID融合的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)分析
基于WSN和分級I疆D的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)不僅繼承了RFID簡單、快捷、自動識別目標(biāo)的特性，又繼承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動感知與通信的功能。該系統(tǒng)特征主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)實(shí)現(xiàn)了物品品質(zhì)、環(huán)境變化實(shí)時監(jiān)測與定位。
在物流動態(tài)過程中，產(chǎn)品的理化特性可能會發(fā)生變化。表現(xiàn)在或者產(chǎn)生腐敗變質(zhì)的異味和熱量等，利用集成在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的氣敏傳感器、溫濕度傳感器陣列就可以采集到感知域內(nèi)的032、02、C2H4、C2HsOH等氣體的含量以及溫度、濕度等環(huán)境信息，結(jié)合第一級RFID標(biāo)簽，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)、環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和異常產(chǎn)品的準(zhǔn)確定位，防止異常情況的進(jìn)一步發(fā)展。同時，對出現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)問題的物品還能夠跟蹤其來源，防止再次發(fā)生此類情況。因此，本系統(tǒng)不僅可以覆蓋更大的監(jiān)控范圍，而且可以提供更深入的信息感知能力。
(2)顯著提高了物流過程中倉儲以及配送的智能化管理水平。
采用第二級貨物配送級RFID標(biāo)簽，在倉儲或者運(yùn)輸車輛環(huán)境中，利用識別距離較大的RFID標(biāo)簽，大大提高了倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，有效降低了物流過程的周期和成本。
(3)網(wǎng)絡(luò)靈活性強(qiáng)。
節(jié)點(diǎn)不需要任何配置就可以自組織地開始工作，系統(tǒng)可以自動與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中加入進(jìn)來的新節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通信，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因失去電力等原因而失效、死亡時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會自動重新組合，不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
3 結(jié)束語
將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)進(jìn)行融合是現(xiàn)代物流信息管理技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢。目前，對于二者技術(shù)的融合，國內(nèi)外都處于研究探索階段。文中將基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于WSN和分級RFID的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，不僅拓展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知信息的深度和廣度，而且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)變化的實(shí)時監(jiān)測與定位，提高了物流過程中倉儲和配送的效率和準(zhǔn)確性，有效降低了物流過程的周期和成本。
(文/鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，李娜娜，甘勇，賀蕾，馮媛)
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