基于RFID和WSNs的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)的設計

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、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；其中倉儲管理領域的產(chǎn)品和解決方案較為成熟，監(jiān)控領域的產(chǎn)品和解決方案目前以視頻監(jiān)控類為主。

本文作者長期進行RFID及WSNs相關技術和產(chǎn)品的研發(fā)，并在國家自然科學基金委的國家自然科學基金項目“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“危險化學品倉儲監(jiān)管系統(tǒng)及關鍵設備”(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兩種技術及相關部件的基礎上，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技術實現(xiàn)人員、貨物、車輛等目標的識別，WSNs技術實現(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技術為倉儲監(jiān)管系統(tǒng)提供基礎數(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的目標搜索與定位等技術，在數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘技術支撐下，運用獨特的自適應網(wǎng)絡通信結(jié)構，實現(xiàn)倉儲管理的全方位信息支持。

二、RFID和WSNs技術簡介

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別)技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，射頻識別技術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到識別目的的技術。與傳統(tǒng)的識別方式相比，具有無需直接接觸、無需光學可視、無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，因而可以廣泛應用于包括生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)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需要收集和處理數(shù)據(jù)的應用領域[1-2]。

WSNs(Wireless Sensor Networks，無線傳感器網(wǎng)絡)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。網(wǎng)絡中的各個傳感器節(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、相關支持軟件等功能模塊組成。無線傳感器網(wǎng)絡是一種自組織網(wǎng)絡，自組織網(wǎng)絡是一種沒有預定基礎設施支撐的自組織可重構的多跳網(wǎng)絡，在該網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的拓撲、信道的環(huán)境、業(yè)務的模式隨節(jié)點的移動而動態(tài)改變[3-6]。

三、系統(tǒng)總體結(jié)構設計

1、系統(tǒng)結(jié)構及主要組成部分

本文所設計的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)采用三層結(jié)構模式，主要由數(shù)據(jù)中心、區(qū)域（本地）倉儲管理機、區(qū)域監(jiān)控機、信息匯集節(jié)點、電子標簽與普通傳感器節(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)中心的應用程序具有以下功能：提供比較完備的關系數(shù)據(jù)庫設計，以及相應的數(shù)據(jù)庫擴展功能；針對各個業(yè)務子系統(tǒng)，提供與數(shù)據(jù)庫無關的數(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：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：用于完成本區(qū)的設備、環(huán)境、人員、車輛等信息的監(jiān)控。

4）信息匯集節(jié)點：包括倉儲應用節(jié)點（RFID讀寫器）、身份認證節(jié)點（RFID讀寫器）、特定目標監(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)點提供直接的基礎數(shù)據(jù)。

除上述主要組成部分以外，還配備了電子標簽與節(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)絡通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器等，從而構成完整的倉儲監(jiān)管硬件系統(tǒng)。

2、自適應系統(tǒng)網(wǎng)絡通信結(jié)構的設計

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

正常工作情況下，信息傳 輸線路為：電子標簽或普通傳感器節(jié)點→庫區(qū)節(jié)點→通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器→本地管理機→應用服務器→數(shù)據(jù)服務器。電子標簽或普通傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，首先會在本地管理機進行匯總、分類、本地處理等操作，然后將處理后的數(shù)據(jù)上傳至中心服務器。本地管理機負責所轄區(qū)域內(nèi)的倉儲管理和庫區(qū)監(jiān)控。本結(jié)構的優(yōu)點是：由于本地管理機對數(shù)據(jù)做了預處理，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器的工作量，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

當本地管理機出現(xiàn)故障時，信息傳輸線路為：電子標簽或普通傳感器節(jié)點→庫區(qū)節(jié)點→通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器→應用服務器→數(shù)據(jù)服務器。

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

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信結(jié)構示意圖

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

本地管理機的相關數(shù)據(jù)下傳至本地管理機，一旦中心服務器故障，本地管理機可以根據(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)進行暫存，當中心服務器恢復正常時，再進行數(shù)據(jù)的更新與交互。

四、軟件系統(tǒng)架構設計

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

圖2系統(tǒng)軟件架構示意圖

五、RFID讀寫器／WSNs節(jié)點的設計

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技術和WSNs技術的有機結(jié)合，為倉庫監(jiān)管提供高效的基礎數(shù)據(jù)；在RFID技術、WSNs技術基礎上，構建倉儲管理全數(shù)字化平臺，在數(shù)據(jù)庫技術和數(shù)據(jù)挖掘技術基礎上，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提高人－機交互水平；采用獨特的自適應系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構，為倉儲監(jiān)管提供靈活、高效、可靠的系統(tǒng)通信架構。

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