基于RFID和WSN的倉儲監管系統設計

　　一、引言

　　倉儲是物流系統的一部分, 是在原產地、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、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。

　　根據深入的用戶需求分析和大量的項目經驗，可以將常見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，且各主干功能的實現水平和效果也參差不齊；其中倉儲管理領域的產品和解決方案較為成熟，監控領域的產品和解決方案目前以視頻監控類為主。

　　本文作者長期進行RFID及WSN相關技術和產品的研發，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創新基金項目“危險化學品倉儲監管系統及關鍵設備”(200605)的資助下，開展了深入的理論研究和扎實的產業化工作。本文在RFID和WSN兩種技術及相關部件的基礎上，結合倉儲管理的現狀、特點和實際需求，自主研發了新型倉儲監管系統通用平臺，并為典型用戶提供定制的解決方案。其中，RFID技術實現人員、貨物、車輛等目標的識別，WSN技術實現倉儲環境智能，滿足溫度、濕度、成分等環境參數的分布式監控的需求。RFID和WSN技術為倉儲監管系統提供基礎數據，系統綜合運用情境敏感、在線信息交互、基于傳感器節點和RFID的目標搜索與定位等技術，在數據庫和數據挖掘技術支撐下，運用獨特的自適應網絡通信結構，實現倉儲管理的全方位信息支持。

　　二、RFID和WSN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，操作快捷方便等優點，因而可以廣泛應用于包括生產、物流、交通、運輸、醫療、防偽、郵包跟蹤、設備和資產管理、廢物管理等多處倉儲相關需要收集和處理數據的應用領域[1-2]。

　　WSN(Wireless Sensor Networks，無線傳感器網絡)是由大量散布于待監測地域的傳感器節點通過自組織方式形成的網絡。網絡中的各個傳感器節點具有數據收集和將數據路由到接收器的功能。傳感器節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。無線傳感器網絡是一種自組織網絡，自組織網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絡，在該網絡中，網絡的拓撲、信道的環境、業務的模式隨節點的移動而動態改變[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、電子標簽與普通傳感器節點等部分組成。

　　1）數據中心：這是整個倉儲監管系統的核心部分。它主要包括倉儲信息數據庫、部門信息數據庫、倉儲物品知識庫三個數據庫。倉儲信息數據庫主要包括與日常倉儲作業相關的數據和信息；部門信息數據庫主要包括庫區內各部門的人員信息、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。

　　數據中心的應用程序具有以下功能：提供比較完備的關系數據庫設計，以及相應的數據庫擴展功能；針對各個業務子系統，提供與數據庫無關的數據接口，保證子系統的數據訪問。

　　2）區域倉儲管理機：用于完成本區內的倉儲作業管理。

　　3）區域監控機：用于完成本區的設備、環境、人員、車輛等信息的監控。

　　4）信息匯集節點：包括倉儲應用節點（RFID讀寫器）、身份認證節點（RFID讀寫器）、特定目標監控節點（RFID讀寫器／WSN中心節點）、環境監控中心節點（WSN中心節點）等。

　　5)電子標簽與普通傳感器節點：向信息匯集節點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發行工作站、倉儲管理工作站、庫區監控工作站、網絡通信協議轉換器等，從而構成完整的倉儲監管硬件系統。

　　2、自適應系統網絡通信結構的設計

　　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絡通信結構，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點→庫區節點→通信協議轉換器→本地管理機→應用服務器→數據服務器。電子標簽或普通傳感器節點的數據，首先會在本地管理機進行匯總、分類、本地處理等操作，然后將處理后的數據上傳至中心服務器。本地管理機負責所轄區域內的倉儲管理和庫區監控。本結構的優點是：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時性，又會大大減少中心服務器的工作量，從而提高系統的整體性能。

?　　當本地管理機出現故障時，信息傳輸線路為：電子標簽或普通傳感器節點→庫區節點→通信協議轉換器→應用服務器→數據服務器。

　　系統結構設計時，通信協議轉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據交換，通信協議轉換器只與本地管理機通信。一旦本地管理機異常，應用服務器將通信工作接管，以保證該區域的數據能夠及時匯總至中心服務器，通過整個庫區的庫區監控工作站對該區進行監控。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，斷開與通信協議轉換器的通信連接，恢復正常狀態下的通信鏈路。