基于RFID和WSNs的仓储监管系统的设计

一、引言

仓储是物流系统的一部分, 是在原产地、消费地，或者在这两地之间存储包括原材料、在制品、成品等仓储物品，并且向管理者提供有关存储仓储物品的状态、条件和处理情况等信息。仓储类型主要包括原料及零组件仓储、在制品仓储、制成品仓储、物流中心、订单履行中心及仓储、区域仓储、地方性仓储、保税仓储、附加价值服务仓储等，而其基本作业主要包括收货、预先包装、入库、储存、拣贷、包装及定价、分类及集中、单位包装及出货等。

根据深入的用户需求分析和大量的项目经验，可以将常见的与仓储监管需求划分为监控、仓储管理、管理信息支持等三大主干功能，目前这些功能往往是互相独立的，且各主干功能的实现水平和效果也参差不齐；其中仓储管理领域的产品和解决方案较为成熟，监控领域的产品和解决方案目前以视频监控类为主。

本文作者长期进行RFID及WSNs相关技术和产品的研发，并在国家自然科学基金委的国家自然科学基金项目“竞争型机器人遥操作机理的研究”(60575048)、天津市科委的天津市中小企业创新基金项目“危险化学品仓储监管系统及关键设备”(200605)的资助下，开展了深入的理论研究和扎实的产业化 工作。本文在RFID和WSNs两种技术及相关部件的基础上，结合仓储管理的现状、特点和实际需求，自主研发了新型仓储监管系统通用平台，并为典型用户提供定制的解决方案。其中，RFID技术实现人员、货物、车辆等目标的识别，WSNs技术实现仓储环境智能，满足温度、湿度、成分等环境参数的分布式监控的需求。RFID和WSNs技术为仓储监管系统提供基础数据，系统综合运用情境敏感、在线信息交互、基于传感器节点和RFID的目标搜索与定位等技术，在数据库和数据挖掘技术支撑下，运用独特的自适应网络通信结构，实现仓储管理的全方位信息支持。

二、RFID和WSNs技术简介

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别)技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。与传统的识别方式相比，具有无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，操作快捷方便等优点，因而可以广泛应用于包括生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、邮包跟踪、设备和资产管理、废物管理等多处仓储相关需要收集和处理数据的应用领域[1-2]。

WSNs(Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)是由大量散布于待监测地域的传感器节点通过自组织方式形成的网络。网络中的各个传感器节点具有数据收集和将数据路由到接收器的功能。传感器节点一般都由采集信息、信号的传感器单元、处理与存储单元、收发单元、电源单元、相关支持软件等功能模块组成。无线传感器网络是一种自组织网络，自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的自组织可重构的多跳网络，在该网络中，网络的拓扑、信道的环境、业务的模式随节点的移动而动态改变[3-6]。

三、系统总体结构设计

1、系统结构及主要组成部分

本文所设计的仓储监管系统采用三层结构模式，主要由数据中心、区域（本地）仓储管理机、区域监控机、信息汇集节点、电子标签与普通传感器节点等部分组成。

1）数据中心：这是整个仓储监管系统的核心部分。它主要包括仓储信息数据库、部门信息数据库、仓储物品知识库三个数据库。仓储信息数据库主要包括与日常仓储作业相关的数据和信息；部门信息数据库主要包括库区内各部门的人员信息、设备信息、班次信息等；仓储物品知识库主要包括与仓储物品相关的各种知识，如仓储物品的类属、特性、存储要求、运输要求等。

数据中心的应用程序具有以下功能：提供比较完备的关系数据库设计，以及相应的数据库扩展功能；针对各个业务子系统，提供与数据库无关的数据接口，保证子系统的数据访问。

2）区域仓储管理机：用于完成本区内的仓储作业管理。

3）区域监控机：用于完成本区的设备、环境、人员、车辆等信息的监控。

4）信息汇集节点：包括仓储应用节点（RFID读写器）、身份认证节点（RFID读写器）、特定目标监控节点（RFID读写器／WSNs中心节点）、环境监控中心节点（WSNs中心节点）等。

5)电子标签与普通传感器节点：向信息汇集节点提供直接的基础数据。

除上述主要组成部分以外，还配备了电子标签与节点发行工作站、仓储管理工作站、库区监控工作站、网络通信协议转换器等，从而构成完整的仓储监管硬件系统。

2、自适应系统网络通信结构的设计

为了给仓储物品的监管提供高效、可靠的系统构架，本文设计了独特的自适应系统网络通信结构，如图1所示。

正常工作情况下，信息传 输线路为：电子标签或普通传感器节点→库区节点→通信协议转换器→本地管理机→应用服务器→数据服务器。电子标签或普通传感器节点的数据，首先会在本地管理机进行汇总、分类、本地处理等操作，然后将处理后的数据上传至中心服务器。本地管理机负责所辖区域内的仓储管理和库区监控。本结构的优点是：由于本地管理机对数据做了预处理，这既保证了本地处理结果的实时性，又会大大减少中心服务器的工作量，从而提高系统的整体性能。

当本地管理机出现故障时，信息传输线路为：电子标签或普通传感器节点→库区节点→通信协议转换器→应用服务器→数据服务器。

系统结构设计时，通信协议转换器与应用服务器之间存在物理连接。正常情况下它们之间是不进行直接的数据交换，通信协议转换器只与本地管理机通信。一旦本地管理机异常，应用服务器将通信工作接管，以保证该区域的数据能够及时汇总至中心服务器，通过整个库区的库区监控工作站对该区进行监控。本地管理机恢复正常工作后，应用服务器会自动释放管理权，断开与通信协议转换器的通信连接，恢复正常状态下的通信链路。

图1 系统网络通信结构示意图

此外，本系统还充分考虑到中心服务器故障时特殊情况的应对措施：中心服务器定期将各

本地管理机的相关数据下传至本地管理机，一旦中心服务器故障，本地管理机可以根据最后一次更新的数据独立工作，并将本区数据进行暂存，当中心服务器恢复正常时，再进行数据的更新与交互。

四、软件系统架构设计

本系统的系统软件架构如图2所示。由电子标签、WSNs节点中的嵌入式软件完成基础数据采集，并与仓储管理等各功能模块进行信息交互；本系统的软件通过第三方软件接口与其他系统进行互联。系统采用多层混合架构，分别利用C/S和B/S的优点来满足不同应用子系统的需要，并实现用户界面层、业务逻辑层、数据信息层的多层架构模式。

图2系统软件架构示意图

五、RFID读写器／WSNs节点的设计

本系统中的RFID读写器／WSNs节点如图3所示。其中虚线框内的部分是中心节点／RFID读写器所具有的标配部件，而对于普通节点是选配部件；另外，各种传感器通过可扩展的I／O接口实现与读写器／WSNs节点互联。

图3 RFID读写器／WSNs节点

六、结束语

本文作者的创新点体现在以下几个方面：RFID技术和WSNs技术的有机结合，为仓库监管提供高效的基础数据；在RFID技术、WSNs技术基础上，构建仓储管理全数字化平台，在数据库技术和数据挖掘技术基础上，实现仓储管理的信息全方位支持；运用情境敏感的在线信息交互技术提高人－机交互水平；采用独特的自适应系统网络结构，为仓储监管提供灵活、高效、可靠的系统通信架构。

实际应用表明，本文所设计的基于RFID和WSNs的仓储监管系统，可以为仓储、生产、经营等相关企业的仓储环节提供快速、实时、准确的信息采集和实时处理的全新解决方案，从而全面提升相关企业信息化水平，规范仓储的管理，降低事故发生率。