基于RFID和WSNs的倉儲監管系統的設計

一、引言

倉儲是物流系統的一部分, 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(lèi)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、區域倉儲、地方性倉儲、保稅倉儲、附加價(jià)值服務(wù)倉儲等，而其基本作業(yè)主要包括收貨、預先包裝、入庫、儲存、揀貸、包裝及定價(jià)、分類(lèi)及集中、單位包裝及出貨等。

根據深入的用戶(hù)需求分析和大量的項目經(jīng)驗，可以將常見(jiàn)的與倉儲監管需求劃分為監控、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(shí)現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，監控領(lǐng)域的產(chǎn)品和解決方案目前以視頻監控類(lèi)為主。

本文作者長(cháng)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“競爭型機器人遙操作機理的研究”(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)品倉儲監管系統及關(guān)鍵設備”(200605)的資助下，開(kāi)展了深入的理論研究和扎實(shí)的產(chǎn)業(yè)化 工作。本文在RFID和WSNs兩種技術(shù)及相關(guān)部件的基礎上，結合倉儲管理的現狀、特點(diǎn)和實(shí)際需求，自主研發(fā)了新型倉儲監管系統通用平臺，并為典型用戶(hù)提供定制的解決方案。其中，RFID技術(shù)實(shí)現人員、貨物、車(chē)輛等目標的識別，WSNs技術(shù)實(shí)現倉儲環(huán)境智能，滿(mǎn)足溫度、濕度、成分等環(huán)境參數的分布式監控的需求。RFID和WSNs技術(shù)為倉儲監管系統提供基礎數據，系統綜合運用情境敏感、在線(xiàn)信息交互、基于傳感器節點(diǎn)和RFID的目標搜索與定位等技術(shù)，在數據庫和數據挖掘技術(shù)支撐下，運用獨特的自適應網(wǎng)絡(luò )通信結構，實(shí)現倉儲管理的全方位信息支持。

二、RFID和WSNs技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)是20世紀90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。與傳統的識別方式相比，具有無(wú)需直接接觸、無(wú)需光學(xué)可視、無(wú)需人工干預即可完成信息輸入和處理，操作快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，因而可以廣泛應用于包括生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫療、防偽、郵包跟蹤、設備和資產(chǎn)管理、廢物管理等多處倉儲相關(guān)需要收集和處理數據的應用領(lǐng)域[1-2]。

WSNs(Wireless Sensor Networks，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ))是由大量散布于待監測地域的傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)傳感器節點(diǎn)具有數據收集和將數據路由到接收器的功能。傳感器節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)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(méi)有預定基礎設施支撐的自組織可重構的多跳網(wǎng)絡(luò )，在該網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)絡(luò )的拓撲、信道的環(huán)境、業(yè)務(wù)的模式隨節點(diǎn)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)改變[3-6]。

三、系統總體結構設計

1、系統結構及主要組成部分

本文所設計的倉儲監管系統采用三層結構模式，主要由數據中心、區域（本地）倉儲管理機、區域監控機、信息匯集節點(diǎn)、電子標簽與普通傳感器節點(diǎn)等部分組成。

1）數據中心：這是整個(gè)倉儲監管系統的核心部分。它主要包括倉儲信息數據庫、部門(mén)信息數據庫、倉儲物品知識庫三個(gè)數據庫。倉儲信息數據庫主要包括與日常倉儲作業(yè)相關(guān)的數據和信息；部門(mén)信息數據庫主要包括庫區內各部門(mén)的人員信息、設備信息、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(lèi)屬、特性、存儲要求、運輸要求等。

數據中心的應用程序具有以下功能：提供比較完備的關(guān)系數據庫設計，以及相應的數據庫擴展功能；針對各個(gè)業(yè)務(wù)子系統，提供與數據庫無(wú)關(guān)的數據接口，保證子系統的數據訪(fǎng)問(wèn)。

2）區域倉儲管理機：用于完成本區內的倉儲作業(yè)管理。

3）區域監控機：用于完成本區的設備、環(huán)境、人員、車(chē)輛等信息的監控。

4）信息匯集節點(diǎn)：包括倉儲應用節點(diǎn)（RFID讀寫(xiě)器）、身份認證節點(diǎn)（RFID讀寫(xiě)器）、特定目標監控節點(diǎn)（RFID讀寫(xiě)器／WSNs中心節點(diǎn)）、環(huán)境監控中心節點(diǎn)（WSNs中心節點(diǎn)）等。

5)電子標簽與普通傳感器節點(diǎn)：向信息匯集節點(diǎn)提供直接的基礎數據。

除上述主要組成部分以外，還配備了電子標簽與節點(diǎn)發(fā)行工作站、倉儲管理工作站、庫區監控工作站、網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議轉換器等，從而構成完整的倉儲監管硬件系統。

2、自適應系統網(wǎng)絡(luò )通信結構的設計

為了給倉儲物品的監管提供高效、可靠的系統構架，本文設計了獨特的自適應系統網(wǎng)絡(luò )通信結構，如圖1所示。

正常工作情況下，信息傳 輸線(xiàn)路為：電子標簽或普通傳感器節點(diǎn)→庫區節點(diǎn)→通信協(xié)議轉換器→本地管理機→應用服務(wù)器→數據服務(wù)器。電子標簽或普通傳感器節點(diǎn)的數據，首先會(huì )在本地管理機進(jìn)行匯總、分類(lèi)、本地處理等操作，然后將處理后的數據上傳至中心服務(wù)器。本地管理機負責所轄區域內的倉儲管理和庫區監控。本結構的優(yōu)點(diǎn)是：由于本地管理機對數據做了預處理，這既保證了本地處理結果的實(shí)時(shí)性，又會(huì )大大減少中心服務(wù)器的工作量，從而提高系統的整體性能。

當本地管理機出現故障時(shí)，信息傳輸線(xiàn)路為：電子標簽或普通傳感器節點(diǎn)→庫區節點(diǎn)→通信協(xié)議轉換器→應用服務(wù)器→數據服務(wù)器。

系統結構設計時(shí)，通信協(xié)議轉換器與應用服務(wù)器之間存在物理連接。正常情況下它們之間是不進(jìn)行直接的數據交換，通信協(xié)議轉換器只與本地管理機通信。一旦本地管理機異常，應用服務(wù)器將通信工作接管，以保證該區域的數據能夠及時(shí)匯總至中心服務(wù)器，通過(guò)整個(gè)庫區的庫區監控工作站對該區進(jìn)行監控。本地管理機恢復正常工作后，應用服務(wù)器會(huì )自動(dòng)釋放管理權，斷開(kāi)與通信協(xié)議轉換器的通信連接，恢復正常狀態(tài)下的通信鏈路。

圖1 系統網(wǎng)絡(luò )通信結構示意圖

此外，本系統還充分考慮到中心服務(wù)器故障時(shí)特殊情況的應對措施：中心服務(wù)器定期將各

本地管理機的相關(guān)數據下傳至本地管理機，一旦中心服務(wù)器故障，本地管理機可以根據最后一次更新的數據獨立工作，并將本區數據進(jìn)行暫存，當中心服務(wù)器恢復正常時(shí)，再進(jìn)行數據的更新與交互。

四、軟件系統架構設計

本系統的系統軟件架構如圖2所示。由電子標簽、WSNs節點(diǎn)中的嵌入式軟件完成基礎數據采集，并與倉儲管理等各功能模塊進(jìn)行信息交互；本系統的軟件通過(guò)第三方軟件接口與其他系統進(jìn)行互聯(lián)。系統采用多層混合架構，分別利用C/S和B/S的優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足不同應用子系統的需要，并實(shí)現用戶(hù)界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數據信息層的多層架構模式。

圖2系統軟件架構示意圖

五、RFID讀寫(xiě)器／WSNs節點(diǎn)的設計

本系統中的RFID讀寫(xiě)器／WSNs節點(diǎn)如圖3所示。其中虛線(xiàn)框內的部分是中心節點(diǎn)／RFID讀寫(xiě)器所具有的標配部件，而對于普通節點(diǎn)是選配部件；另外，各種傳感器通過(guò)可擴展的I／O接口實(shí)現與讀寫(xiě)器／WSNs節點(diǎn)互聯(lián)。

圖3 RFID讀寫(xiě)器／WSNs節點(diǎn)

六、結束語(yǔ)

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)體現在以下幾個(gè)方面：RFID技術(shù)和WSNs技術(shù)的有機結合，為倉庫監管提供高效的基礎數據；在RFID技術(shù)、WSNs技術(shù)基礎上，構建倉儲管理全數字化平臺，在數據庫技術(shù)和數據挖掘技術(shù)基礎上，實(shí)現倉儲管理的信息全方位支持；運用情境敏感的在線(xiàn)信息交互技術(shù)提高人－機交互水平；采用獨特的自適應系統網(wǎng)絡(luò )結構，為倉儲監管提供靈活、高效、可靠的系統通信架構。

實(shí)際應用表明，本文所設計的基于RFID和WSNs的倉儲監管系統，可以為倉儲、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)等相關(guān)企業(yè)的倉儲環(huán)節提供快速、實(shí)時(shí)、準確的信息采集和實(shí)時(shí)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，規范倉儲的管理，降低事故發(fā)生率。