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基于 WSN 和分级 RFID 融合的物流跟踪监控系统
作者：李娜娜，甘勇，贺蕾，冯媛
来源：RFID世界网
日期：2009-12-04 11:05:29
摘要：针对物流过程中产品所处环境条件以及品质特征的多变性，提出了一种基于无线传感器网络、分级RFID技术的物流跟踪监控管理系统；阐述了该系统的系统构成、节点设备的设计、分级RFID标签的原理；并对该方案的技术特征进行了深人地分析与探讨。结果表明。基于WSN和分级RFID的物流跟踪监控系统不仅能够实现物品品质、环境变化的实时监浏与定位。而且显著地提高了仓储和配送的效率和准确性，效降低了物流过程的周期和成本，有着广阔的应用前景。
0 引言
目前，我国许多物流企业采用了监测控制系统，但其监测仅局限于对运输车辆状态进行跟踪、管理，对于分散的监控点之间的物品不能实现实时监控，使得生产厂商和供应商不能及时掌握物品信息。随着需求的升级，美、欧等国家已经开始对物品实施全程监管、实时控制，实时掌握物流过程(包括运输、仓储、装卸搬运、包装、配送等)中产品的品质、标识、位置等信息已经成为现代物流管理系统的新要求。除此外，物流过程中还缺少有效的产品身份证制度，一旦产品质量出现问题，很难追本溯源，从而严重影响物流系统的进一步健康发展。
提出基于WSN和分级RFID融合的物流跟踪监控系统，综合了无线传感器网络和RFID的技术特点，不仅能够实时地对物流过程中产品的品质、标识和位置等信息进行监控，而且还能够显著提高仓储和配送的效率和准确性，因此，有着广泛的应用前景。
1 基于WSN和分级RFID的物流跟踪监控系统
1．1系统构成
基于WSN和RFID的物流跟踪监控系统主要由以下三部分组成，分别是无线数据采集网络，无线GPRS和有线Intemet组成的数据传输网络以及远程监控中心。系统体系结构如图1所示。其中，无线数据采集网络由具有RFID阅读功能的传感器节点和无线网关节点自组织形成。
在该系统中，无线数据采集网络负责在配送中心、送货车箱等应用场景下，对产品的环境参数、品质特征、产品标识等信息进行采集，由网关节点负责读取、汇聚节点收集到的信息，在必要时读取RFID标签信息，并通过传输网络发送给控制中心的中心服务器；中心服务器负责对采集到的数据进行存储、分析和处理，将处理后的数据存储到在线数据库中，以供用户通过Intemet或者GPRS网络对相关的信息进行查询和控制。
整个数据采集过程采用被动式与主动式相结合的方式。在正常状态下。网络中各节点都处于被动工作方式，即只有接到网关节点询问消息时才返回节点的状态信息；而网络中任意一个节点一旦检测到环境参数异常或者产品品质出现问题时，该节点立即转换为主动工作方式，向网关节点主动发出报警和定位信息，网关节点将信息发送给中心服务器。通知相关人员对异常情况进行适当处理。
1．2节点设计
具有RFD阅读功能的传感器节点设备由数据采集单元、处理与控制单元、WSN无线通信单元、RFD无线通信单元、供电单元等部分组成，具备感知、无线通信和处理信息的功能，其结构如图2所示。其中，数据采集单元由传感器阵列和模数转换装置构成，它负责将感知到的温度、湿度、气体、光照强度、气味等信息转换为模拟信号，然后通过模数转换将其转换为数字信号输入到处理与控制单元中。处理与控制单元由应用、存储器和CPU构成，它负责将监测到的环境参数等信息进行本地比较，如果发现有异常则主动触发WSN无线通信模块，向网关节点发送物品品质、环境参数异常的报警信息。此外，处理与控制模块还要负责发送读取控制信号给RFID读卡器，以读取RFID信息。供电模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。
1．3分级RFID标签
RFID标签根据所采用的工作频率不同而具有不同的识别距离。分级RFID标签是将具有不同识别距离的RFID标签分成不同的等级，每一级标签分别完成不同的功能。在本系统中，采用了两级RFID标签，第一级RFID标签为环境监测级RFID标签，第二级RFID标签为货物配送级RFID标签。
第一级RFID标签是固定在货箱内的识别范围较小的低频RFID标签，当产品品质或者周围环境参数发生变化时，其通过处理与控制单元发送读取控制信号给RFID读卡器，以读取天线辐射近场区内(最大识别距离为10cm一180cm)的货箱m信息。这样，仓库管理员通过具有RFID阅读功能的仓储手持终端可以快速、方便地定位到相应的货箱。因此，第一级RFID标签也称为环境监测级RFID标签。
手持终端根据货物列表方便、快速、准确地进行分拣核对。第二级RFID标签提高了仓储、配送的智能化管理水平，也称为货物配送级RFID标签。两级RFID标签共同配合，构成了该系统中的RFID无线通信部分。
2 基于WSN和分级RFID融合的物流跟踪监控系统分析
基于WSN和分级I疆D的物流跟踪监控系统不仅继承了RFID简单、快捷、自动识别目标的特性，又继承了无线传感器网络主动感知与通信的功能。该系统特征主要体现在以下几个方面：
(1)实现了物品品质、环境变化实时监测与定位。
在物流动态过程中，产品的理化特性可能会发生变化。表现在或者产生腐败变质的异味和热量等，利用集成在传感器节点设备上的气敏传感器、温湿度传感器阵列就可以采集到感知域内的032、02、C2H4、C2HsOH等气体的含量以及温度、湿度等环境信息，结合第一级RFID标签，系统可以实现产品品质、环境参数的实时监测和异常产品的准确定位，防止异常情况的进一步发展。同时，对出现产品品质问题的物品还能够跟踪其来源，防止再次发生此类情况。因此，本系统不仅可以覆盖更大的监控范围，而且可以提供更深入的信息感知能力。
(2)显著提高了物流过程中仓储以及配送的智能化管理水平。
采用第二级货物配送级RFID标签，在仓储或者运输车辆环境中，利用识别距离较大的RFID标签，大大提高了仓储和配送的效率和准确性，有效降低了物流过程的周期和成本。
(3)网络灵活性强。
节点不需要任何配置就可以自组织地开始工作，系统可以自动与网络运行过程中加入进来的新节点设备进行通信，并且当网络中节点因失去电力等原因而失效、死亡时，网络结构将会自动重新组合，不会影响网络的正常运行。
3 结束语
将无线传感器网络与RFID技术进行融合是现代物流信息管理技术的一个重要发展趋势。目前，对于二者技术的融合，国内外都处于研究探索阶段。文中将基于无线传感器网络和基于RFID技术的物联网进行有机结合，提出了一种基于WSN和分级RFID的物流跟踪监控系统，不仅拓展了无线传感器网络所感知信息的深度和广度，而且实现了产品品质变化的实时监测与定位，提高了物流过程中仓储和配送的效率和准确性，有效降低了物流过程的周期和成本。
(文/郑州轻工业学院计算机与通信工程学院，李娜娜，甘勇，贺蕾，冯媛)
目前，我国许多物流企业采用了监测控制系统，但其监测仅局限于对运输车辆状态进行跟踪、管理，对于分散的监控点之间的物品不能实现实时监控，使得生产厂商和供应商不能及时掌握物品信息。随着需求的升级，美、欧等国家已经开始对物品实施全程监管、实时控制，实时掌握物流过程(包括运输、仓储、装卸搬运、包装、配送等)中产品的品质、标识、位置等信息已经成为现代物流管理系统的新要求。除此外，物流过程中还缺少有效的产品身份证制度，一旦产品质量出现问题，很难追本溯源，从而严重影响物流系统的进一步健康发展。
提出基于WSN和分级RFID融合的物流跟踪监控系统，综合了无线传感器网络和RFID的技术特点，不仅能够实时地对物流过程中产品的品质、标识和位置等信息进行监控，而且还能够显著提高仓储和配送的效率和准确性，因此，有着广泛的应用前景。
1 基于WSN和分级RFID的物流跟踪监控系统
1．1系统构成
基于WSN和RFID的物流跟踪监控系统主要由以下三部分组成，分别是无线数据采集网络，无线GPRS和有线Intemet组成的数据传输网络以及远程监控中心。系统体系结构如图1所示。其中，无线数据采集网络由具有RFID阅读功能的传感器节点和无线网关节点自组织形成。
在该系统中，无线数据采集网络负责在配送中心、送货车箱等应用场景下，对产品的环境参数、品质特征、产品标识等信息进行采集，由网关节点负责读取、汇聚节点收集到的信息，在必要时读取RFID标签信息，并通过传输网络发送给控制中心的中心服务器；中心服务器负责对采集到的数据进行存储、分析和处理，将处理后的数据存储到在线数据库中，以供用户通过Intemet或者GPRS网络对相关的信息进行查询和控制。
整个数据采集过程采用被动式与主动式相结合的方式。在正常状态下。网络中各节点都处于被动工作方式，即只有接到网关节点询问消息时才返回节点的状态信息；而网络中任意一个节点一旦检测到环境参数异常或者产品品质出现问题时，该节点立即转换为主动工作方式，向网关节点主动发出报警和定位信息，网关节点将信息发送给中心服务器。通知相关人员对异常情况进行适当处理。
1．2节点设计
具有RFD阅读功能的传感器节点设备由数据采集单元、处理与控制单元、WSN无线通信单元、RFD无线通信单元、供电单元等部分组成，具备感知、无线通信和处理信息的功能，其结构如图2所示。其中，数据采集单元由传感器阵列和模数转换装置构成，它负责将感知到的温度、湿度、气体、光照强度、气味等信息转换为模拟信号，然后通过模数转换将其转换为数字信号输入到处理与控制单元中。处理与控制单元由应用、存储器和CPU构成，它负责将监测到的环境参数等信息进行本地比较，如果发现有异常则主动触发WSN无线通信模块，向网关节点发送物品品质、环境参数异常的报警信息。此外，处理与控制模块还要负责发送读取控制信号给RFID读卡器，以读取RFID信息。供电模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。
1．3分级RFID标签
RFID标签根据所采用的工作频率不同而具有不同的识别距离。分级RFID标签是将具有不同识别距离的RFID标签分成不同的等级，每一级标签分别完成不同的功能。在本系统中，采用了两级RFID标签，第一级RFID标签为环境监测级RFID标签，第二级RFID标签为货物配送级RFID标签。
第一级RFID标签是固定在货箱内的识别范围较小的低频RFID标签，当产品品质或者周围环境参数发生变化时，其通过处理与控制单元发送读取控制信号给RFID读卡器，以读取天线辐射近场区内(最大识别距离为10cm一180cm)的货箱m信息。这样，仓库管理员通过具有RFID阅读功能的仓储手持终端可以快速、方便地定位到相应的货箱。因此，第一级RFID标签也称为环境监测级RFID标签。
手持终端根据货物列表方便、快速、准确地进行分拣核对。第二级RFID标签提高了仓储、配送的智能化管理水平，也称为货物配送级RFID标签。两级RFID标签共同配合，构成了该系统中的RFID无线通信部分。
2 基于WSN和分级RFID融合的物流跟踪监控系统分析
基于WSN和分级I疆D的物流跟踪监控系统不仅继承了RFID简单、快捷、自动识别目标的特性，又继承了无线传感器网络主动感知与通信的功能。该系统特征主要体现在以下几个方面：
(1)实现了物品品质、环境变化实时监测与定位。
在物流动态过程中，产品的理化特性可能会发生变化。表现在或者产生腐败变质的异味和热量等，利用集成在传感器节点设备上的气敏传感器、温湿度传感器阵列就可以采集到感知域内的032、02、C2H4、C2HsOH等气体的含量以及温度、湿度等环境信息，结合第一级RFID标签，系统可以实现产品品质、环境参数的实时监测和异常产品的准确定位，防止异常情况的进一步发展。同时，对出现产品品质问题的物品还能够跟踪其来源，防止再次发生此类情况。因此，本系统不仅可以覆盖更大的监控范围，而且可以提供更深入的信息感知能力。
(2)显著提高了物流过程中仓储以及配送的智能化管理水平。
采用第二级货物配送级RFID标签，在仓储或者运输车辆环境中，利用识别距离较大的RFID标签，大大提高了仓储和配送的效率和准确性，有效降低了物流过程的周期和成本。
(3)网络灵活性强。
节点不需要任何配置就可以自组织地开始工作，系统可以自动与网络运行过程中加入进来的新节点设备进行通信，并且当网络中节点因失去电力等原因而失效、死亡时，网络结构将会自动重新组合，不会影响网络的正常运行。
3 结束语
将无线传感器网络与RFID技术进行融合是现代物流信息管理技术的一个重要发展趋势。目前，对于二者技术的融合，国内外都处于研究探索阶段。文中将基于无线传感器网络和基于RFID技术的物联网进行有机结合，提出了一种基于WSN和分级RFID的物流跟踪监控系统，不仅拓展了无线传感器网络所感知信息的深度和广度，而且实现了产品品质变化的实时监测与定位，提高了物流过程中仓储和配送的效率和准确性，有效降低了物流过程的周期和成本。
(文/郑州轻工业学院计算机与通信工程学院，李娜娜，甘勇，贺蕾，冯媛)
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