基于RFID和WSN的仓储管理系统网络架构研究

1 前言

　　仓储是物流系统的重要组成部分，它的功能包括在原产地、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。随着温度敏感性产品、危险品等特种物流的发展，仓储环境智能化和环境参数分布式监控的需求日趋提高。然而现有的仓储管理在监控实时性、通信自适应性和网络结卡句自主灵活性等方面仍然存在着诸多问题。

　　本文在分析RFID和WSN技术优势的基础上，通过RFID和WSN的融合将其应用于开发具有环境智能的仓储管理系统。其中，RFID技术主要实现物品识别跟踪，WSN技术完成车载和仓库环境参数的分布式智能监控。基于两种技术融合下的新型仓储管理系统平台，可以根据用户需求提供灵活的定制的解决方案。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网络通信结构：既保证了本地数据处理结果的实时性，又能够对通信异常情况进行自诊处理，从而提高仓储系统的整体性能。

　　仓储系统的网络架构作为整个系统的设计核心，是影响系统的设计成本、运行质量的决定性因素。本文在对现有的两种融合RFID和WSN技术的网络架构方案进行分析比较后，针对仓储管理的特殊情况，提出了一种新型的自组织网络架构。该网络架构在网络组织灵活性、可靠性等方面有明显的优势。

2 系统自适应通信结构设计

2．1 系统结构和主要组成部分

　　本文设计的仓储管理系统采用三层结构模式，主要由带传感器的电子标签、车载／仓库阅读器、中心数据平台构成。

　　(1)电子标签：存储物品识别信息(如厂商、ID号、物品种类、特性运输目的地等)，同时记录其上自带的传感器等采集的数据。

　　(2)车载/仓库阅渎器：同时作为WSN的中心节点，读取电子标签发送的物品识别信息和环境数据，实现仓储应用管理、身份认证、特定目标监控和作为环境监控中心的作用。车载阅读器由于其工作载体的移动性，在与中心数据平台的通信接口方式上与固定式仓库阅渎器有所差别。

　　(3)中心数据平台：这是整个仓储系统的核心部分 它主要包括日常信息数据库、部门信息数据库和知识数据库。日常信息数据库主要包括与仓储管理相关的数据信息。部门信息数据库则包括物流系统中各部门单他的人员、设备等识别信息。知识数据库包含的是物品类属、特性、存储要求和运输要求等。

2．2 通信结构

　　为了给仓储管理提供高效、可靠的系统架构，设计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，数据信息传输的路线为电子标签或普通传感器节点一阅读器一本地上位机一应用服务器一数据服务器。电子标签或普通传感器节点的数据，首先会在本地上位机进行汇总、分类、本地处理等操作，然后将处理后的数据上传至中心数据服务器。本地上位机负责所辖区域内仓储管理和库区监控 巾于本地上位机对数据进行了预处理，既保证了本地处理结构的实时性，又会大大减少中心数据服务器的工作量，从而提高系统的整体性能。

当本地上位机出现故障时，数据信息的传输路线为：电子标签或普通传感器节点一阅渎器一应用服务器一数据服务器。阅渎器 应用服务器之间存在着物理连接：在正常工作情况之下它们之问是不进行直接的数据交换，阅读器只与本地上位机通信。一旦本地上位机异常，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。本地上位机恢复正常工作后，应用服务器会自动释放管理权，断开与阅读器的通信连接，恢复止常状态下的通信链路。

同时，考虑到中心服务器故障时特殊情况的应对措施：中心服务器定期将本地上位机的相关数据下传至本地上位机，一旦中心服务器故障，本地上位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，再进行数据的更新交互。

3 自组织网络架构研究

通过分析比较文献[8]提出的两种基于将RFID融合至WSN的网络架构在组网灵活性、电源管理等方面的优缺点：RFID标签与WSN传感器节点独立工作的异构网络和智能标签网络，提出了3.3节以RFID阅读器为架构核心的分布式智能节点网络架构。在深入探讨网络自组织形式的基础上，引人群组构建的慨念，并由此对3.3节的网络架构进行r改进：选择何种形式的刚络架构主要取决于费用成本和具体应用场合。

3．1 整合RFID阅读器和WSN基站的异构型网络

　　如图2所示，住异构型网络中，射频标签和传感器节点独地存存于监测区域中。RFID阅读器同时作为WSN基站，接收标签和传感器节点发送的数据信息后将其传送到本地上位机或者远程网络。这里可将RFID阅渎器视为一个智能基站，对RFID和WSN系统的数据信息进行整合。一个比较典型的例子就是，WSN的数据信号可以触发该RFID阅读器对异常事件进行响应。

在该网络中，整个系统由三类设备组成。(1)智能基站。智能基站包含RFID阅读器和用于本地数据处理和网络连接管理的微处理器。阅读器和做处理器虽然区别于无线设备，但通过无线连接与底层『奴J络进行数据通信。(2)普通RFID标签。(3)传感器节点。

电源问题在智能基站中并不存在，因此在具体设计时可以采样传统的以太网接人方式。这意味着在每一个智能基站中可以存在一个多层网络栈以文现数据路由甚至是可靠性比较好的TCP协议。

　　异构型网络原理简单，RFID和WSN系统彼此独立，只在智能基站中进行数据汇集和交换。但同时兼具RFID阅读器功能和WSN基站功能的智能基站工作量大，不利于系统整体性能的提高。

3．2 智能标签网络

　　如图3所示，该网络以智能标签为核心：智能标签中集成了传感器和微控制器，可以在相互问传递数据直到数据传送至最后一个数据传输点。数据传输点也是一个智能标签，不同的是它直接与阅读器进行数据通信。这种数据逐层传递的方式与3.1节中异构型网络相比，更为有效地减轻了阅读器以及网络的运行负担。智能标签网络特别适用于工业安全、远程监控系统等。这些系统工作现场状况变化不大，因此结构复杂、价格昂贵的阅读器并不适用。而相对的，智能标签网络则提供了一种价格较为低廉的监控方式。

3．3 分布式智能节点网络

如图4所示。由于目前还没有任何一个RFID系统中存在将网络栈嵌入阅读器的情况，因此阅读器通常只能被动接收本地控制系统的控制信号。同时，普通阅读器由于体积所限造成移动困难。另外，RFID天线的安装位置需要精确计算以覆盖监控区内的所有射频标签，同时防止与其他的天线和阅读器发生冲突。因此如果将RFID阅读器的功能进行剪裁，那么阅读器的体积、价格将大为缩减，也更容易灵活应用到多种场合。在分布式智能节点网络中，智能节点兼具RFID阅读器和WSN网络节点的功能。其主要包含三个组成部分：由多种传感器组成的传感模块、标签阅读量低于普通阅读器的阅读模块以及用以传输数据的射频收发模块。智能节点结构图如图5所示：

智能节点标签阅读量小，组网灵活，更适合在具有自组织网络构建的无线传感器网络中。智能节点独立运行并将数据信息传递到接收节点。而收集的信息将经由多个转接进行传输。由于在同一个区域内的标签信息十分相似，就可以在每个智能节点中利用简单而高效的压缩算法进行压缩。因此，在这种网络架构中，采用灵活的通信协议十分必要。

与3.1节中的异构网络相比，智能节点网络集成度高、成本低廉、组网灵活。由于数据需要在智能节点中逐次传递才能最终上传到与服务器相连的基站，因此该网络架构在实时性方面优势不突出，适用于非强实时的应用场合，如仓库库存管理。

分布式智能节点网络在工业场合应用时，需要对电源问题进行特别的考虑。在工作范围较大，电池更换不易进行的情况下，智能节点的电池工作寿命将严重影响着系统的运行。对于电源问题，一种比较有效的处理方法是将尽可能多的节点处于休眠状态。与此同时，整个系统的网络通信可以通过子网络与处于工作状态的节点进行数据通信来保持基本功能的正常运行。

综合比较上述三种网络架构可以看到：异构型网络拓扑形式简单，综合了RFID阅读器和WSN基站功能的智能基站是整个系统的决定性环节。同时，智能基站功能复杂，成本相对较高，移动性不强。一旦一个智能基站出现运行故障，整个系统将受到严重影响，网络的可靠性将大为下降。智能标签网络和分布式智能节点网络则提供了成本低廉，灵活性高的管理方式。后两者适用于实时性要求不是很严格、传输数据量不大的场合。而当系统要求强实时和大数据量传送时，异构型网络因其综合RFID阅读器和WSN基站功能而显得非常有效，同时电源问题也不需要进行特别的考虑。

4 总结

本文在分析了RFID和WSN技术特点的基础上，将RFID和WSN技术融合运用到仓储管理系统中，提出了一种新型的系统网络架构方案。首先，讨论了RFID和WSN技术融合的可行性和仓储管理应用的优势，提出通过UHF频段RFID标签能量获得方式解决无线传感器能量供给的问题，并设计了带传感器的RFID标签结构，同时介绍了将RFID协议引入WSN中的技术融合方式。基于RFID和WSN的有机结合，为仓储系统提供了实时高效的基础数据。其次，系统设计采用了独特的自适应网络通信结构，为仓储环境监控提供灵活、高效、可靠的系统通信架构。另外，基于CCP控制的电子标签与普通传感器节点综合组网结构使系统具有更好的灵活性。