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1、第 28 卷 第 2期2 0 1 1年 4月沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Shenyang AerospaceUniversityV o l?28 No?2Apr?2 0 1 1收稿日期:2010-11-05基金项目:辽宁省自然科学基金(项目编号:20082011);沈阳市科学计划项目(项目编号:1081242-1-00)作者简介:季德雨(1986-),男,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要研究方向:智能控制与智能机器人,E-mai:l justxiaoyu gmai.lcom;田丰(1958-),男,辽宁沈阳人,教授,博士生导师,主要研究方向:物联网技术及应用,计
2、算机检测与控制,E-mai:ltianfeng5861 。?计算机工程?文章编号:2095-1248(2011)02-0059-04融合 WSN和 RFID的智能入库管理系统设计季德雨,田?丰,王传云(沈阳航空航天大学 计算机学院,辽宁 沈阳 110136)摘?要:针对传统仓储入库管理系统在智能入库方面存在的不足,综合无线传感器网络和射频识别技术的优点,提出了一种融合 W SN 和 RFID的新型智能入库管理系统。阐述了系统的框架结构和硬件设计,并详细介绍了系统的智能入库流程。实验测试结果表明,融合 W SN 和 RFI D 的入库管理系统为实现仓储的智能化管理提供了一种行之有效的解决方案。关
3、?键?词:无线传感器网络;射频识别;仓储管理;物流;物联网中图分类号:F253?4;TP393?文献标志码:Ado:i 10.3969/.j issn.2095-1248.2011.02.014Design of intelligentwarehousing syste m based onW SN and RFIDJIDe-yu,T IAN Feng,WANG Chuan-yun(Schoo lof Computer Science,Shenyang A erospaceU niversity,L iaoning Shenyang 110136)Abstract:By analyzing t
4、he faults of traditionalw arehousem anagement system and advantagesofW SN andRFI D techno logies,a new intelligent warehousem anage m ent system based on these two technolog ies ispro-posed.This paper describes the architecture and hardw are design of the system,and the operating processofthem ain m
5、odules in detai.l The system based onW SN and RFI D technologies is proved to be effective inrealizing the intelligentm anagem ent of w arehouse.Key words:W SN;RFI D;w arehouse managemen;tlogistics;internet of things?仓储入库管理是现代物流运作不可或缺的重要环节之一,随着物流的飞速发展和科学技术的日新月异,人们对物品入库的智能化、自动化管理的要求越来越高。在物品入库管理过程中,最关
6、键的问题是物品的识别和入库单信息的获取。传统的人工记忆与管理系统相结合的仓储入库管理模式不仅费时费力,而且容易出错;使用电子标签取代货品上的条形码虽然加快了物品入库的流转速度,但简单、静态的基于 RFI D技术的仓储管理方式普遍存在产品识别信息少、货品信息更新不及时、人力成本偏高等缺点 1。为弥补上述两种仓储入库管理系统的不足,本文设计了一种融合 WSN 和 RFID技术的仓储入库管理优化系统,大大提高产品入库管理的实时性与智能性。1?WSN与 RFID的融合目前,射频识别(Radio Frequency Identifica-tion,RFI D)技术以其扫描速度快、实现形式多样化和安全性高
7、等优点在物流行业中的仓储、运输管理上广泛应用,但就其技术本身而言,仍然存在一些缺陷,在一定程度上限制了其在物流领域更大范围的应用 2。现代物流的仓储管理要求货品入库能实时提供物流过程中产品的品质、标识、位置等信息,而 RFID只能实现对目标物体的身份识别。自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络(W ireless Sensor Network,WSN)的主要特点 3,它通过传感器协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,如温度、湿度、光照、气体浓度、震动幅度等,并对其进行处理,然后由无线网络将搜集到的信息传送给监控者;监控者解读报表信息后,便可掌握现场状态
8、,进而管理、控制相关系统。WSN一般不关心节点的位置,一般不会采用全局标识,所以将 WSN与 RFID技术结合可相互弥补对方的缺陷。W SN与 RFID技术结合后,可进一步确保数据的完整性,弥补 RFID高成本以及需依靠读写器方能搜集数据的缺点;利用 WSN高达 100 米以上的无线传输半径,将 WSN 与RFI D相融合就可以形成一个覆盖全部范围的网络 4。融合 WSN 和 RFID技术的仓储入库管理系统继承了 RFI D简单、快捷、自动识别目标的特性,又融入了 WSN主动感知与无线组网的功能。系统不仅能够实时获取仓储流程中产品的品质、标识和位置等信息,而且还能够显著提高仓储入库过程的智能性
9、和准确性。2?融合 WSN和 RFID的智能入库管理系统设计2?1?系统总体方案设计融合 W SN和 RF I D的智能入库管理系统的基本原理就是以电子标签、传感器节点作为产品识别和信息采集的技术纽带,通过在仓库入口设置智能阅读器对产品进行自动识别并获取产品的详细信息,从而自动生成入库清单,同时与中心服务器设置的入库条件进行对比,以达到智能化入库管理的目的。在设计系统架构时,综合考虑到WSN与 RFI D的特点,设计了包括传感层、控制层和用户层的三层体系架构,如图 1所示。图 1?融合 W SN与 RFID的智能入库系统结构图?图 1中,传感层是由传感器节点、智能入库阅读器、RFID标签和无线
10、网关节点自组织形成无线数据采集网络。无线数据采集网络将智能入库读写器作为通信节点,有效地把 RFID技术和 WSN技术融合到一起,完成各节点信息的组网控制和信息汇集。传感层负责在配送中心、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,由网关节点读取、汇聚节点收集到的信息,并通过相应的传输网络发送给服务中心的控制层。系统的控制层由中心服务器和数据库构成,是连接无线数据采集网络与企业应用程序的纽带。从网关节点获取的大量原始数据经处理后存储到在线数据库中,应用服务器根据用户的不同需求完成相应信息的适配,并根据用户的设置触发相关的通知信息;同时在需要实现对传感器节点控制时,
11、控制层将完成控制指令的生成和下发控制功能。系统的用户层即为服务层,提供公共信息服务以及企业级服务,包括联网 PC、手机等用户设备和客户端管理软件等。2?2?智能入库阅读器设计入库管理的关键在于对产品的识别和信息的采集,为实现产品信息识别和获取的快捷性,本系统设计了一个集成 WSN 节点和 RFID阅读器的智能入库阅读器。该阅读器同时作为 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中心服务器。智能入库阅读器的硬件实现如图 2所示。图 2?智能入库阅读器硬件实现结构图?智能入库阅读器硬件结构由微处理器、RFID模块、射频模块构成。AT89C52单片机处理器接有温度传感器,负责对传感
12、器采集的数据进行处理,并通过 RS232串口控制射频模块和 RFID模块,由于微控制器不能处理 RS232 信号,使用MAX232将 TTL信号和 RS232信号进行转换。射频模块由 RF芯片和天线构成,本系统的 RF芯片选用 Chipcon公司的 CC2430 5,并在设计中缩减Z igbee协议 6以减少数据传递时的能量损耗。RFID模块则选用 PH ILPS公司的 MF RC500基站芯片,其集成了相关的 RFI D控制方式和协议,可以保证 RFID读写操作的稳定性。60沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报?第 28卷2?3?系统控制层的智能入库流程设计本系统的控制层的重要功能之一是将
13、欲入库货品信息与仓储入库条件进行对比,通过中心服务器的分析判断实现货品的智能入库。2?3?1?W SN与 RFI D的数据处理模型传感层将物品标识、品质信息传输到控制层后,中心服务器需要对采集过来的 RFID标签信息和 WSN数据进行处理,实现 RFI D与 WSN 对应数据的融合。未经匹配的 RFID数据可以被定义为 ID,L,T 形式的一维数组,其中 ID代表物品标签的唯一电子产品代码,L和 T 分别是 RFID阅读器识别到物品的位置和时间。由于传感器节点能采集物品的不同属性,WSN数据比 RFID复杂一些,一般被定义为二维数组;其中第一维数组 ID,L,T,D 的 L 和 T 定义与 R
14、FID数据相同,I D则为智能阅读器和传感器节点代号的混合编码,D 为传感器数据;WSN数据第二维数组包含了传感器采集的具体数据,可以根据不同应用情况定义不同元素的数组,本文定义一元数组 te mpera-ture存储物品的温度信息。中心服务器对 RFID和 WSN数组的特定元素取值或赋值的操作形成一次简单事件,如:E=ID,L(L=?lab?),T 中心服务器针对不同事件处理关系构成特定的数据处理模型,其具体规则如下:与操作(E1 E2):同时满足事件 E1和 E2条件的数据处理模式;或操作(E1vE2):满足事件 E1和 E2其中任何一个条件的数据处理模式;非操作(!E1):不满足事件 E
15、1条件的数据处理模式;顺序操作(E1?E2):事件 E2发生在 E1之后条件的数据处理模式 7。2?3?2?智能入库流程根据本文 2?1节的系统总体框架设计,给出一个仓储入库管理模型:仓库 A和运输车 B装置有温度传感器以感应货箱温度,智能入库阅读器C和 D则分别安放在仓库入口和运输车装卸口以采集货箱信息。假设入库内的货品需要在低于 0?的环境中储藏,中心服务器存储的货品入库规则为:(1)仓库内温度低于 0?;(2)运输车中的货箱温度低于 0?;(3)由运输车向仓库卸载货箱至仓库入口的时间少于 3分钟。则货品智能入库的流程设计如下:?在上述货品入库流程中,判断语句?C?ID=D?I D?标识由
16、运输车卸载的货箱的入库信息,只有入库流程满足流程图定义的所有条件,货箱才可以正确入库;之后中心服务器会向数据库存储货品信息,为用户层的应用程序提供服务。图 3?智能入库流程图3?融合 WSN和 RFID的智能入库管理系统功能测试?根据前文所述的基本原理,本文使用 SQLSever2000数据库和 ASP?NET 串口编程技术在W indows平台下设计了一个融合 WSN和 RFID的智能入库管理演示系统。图 4?智能入库系统硬件演示图61第 2期?季德雨,等:融合 WSN和 RFID的智能入库管理系统设计?图 4所示的是实验室条件下的物品入库的硬件测试平台。智能入库阅读器每隔 1秒发送主动寻卡
17、请求,当贴有 RFID 标签的物品靠近(10cm)阅读器时,阅读器读取电子标签的标识信息并向 W S N节点发送查询请求,传感器节点将采集到的品质信息发送至中心服务器 8。?图 5则给出了中心服务器的入库管理界面。其中上图展示了物品入库识别模块功能,该模块接收从智能入库读写器传来的一系列产品标识码,通过 WSN 节点获取产品的详细信息,按照前文所述的智能入库流程自动生成下图所示的产品入库清单。实验测试结果表明,该系统能根据服务器的预置信息智能判断货品是否符合入库条件,实现了物品入库的自动化管理。图 5?智能入库管理系统界面4?结束语?仓储入库管理最关键的问题是产品识别和信息获取,本文针对传统入
18、库管理中存在的两大瓶颈问题,将 WSN和 RFID技术相融合,通过 RFID实现产品的自动识别,利用 W SN获取产品品质信息并智能生成入库清单,为仓储入库的智能管理提供了一种行之有效手段,大大提高产品入库管理的自动化和智能化水平。随着?物联网?、?智慧的地球?、?感知中国?等概念的提出和深化,越来越多的学者尝试将 WS N与 RFID技术结合,融合两种技术并应用于仓储管理领域将成为组建现代物流系统的主要趋势。参考文献(References):1 刘媛,郝铭.基于 RFI D 和 W SN s的仓储监管系统的设计 J.微计算机信息,2006,22(29):283-285.2 M Faschin
19、ger,CR Sastry,AH Pate,l et a.lA nRFI D andW ireless Sensor Net w ork-based I mple m entation ofW orkflow Opti m ization A.W orld ofW ireless.M o-bile andM ulti media Networks C.2007:1-8.3 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络 M.北京:清华大学出版社,2005.4 H L iu,M Bolic,A Nayak,et a.l Integration of RFI Dand W ireless Sensor
20、N etworks A.SenseI D2007W orkshop atACM SenSys C.2007.5 胥小武,田丰.基于 CC2430的 T inyOS系统移植开发 J.沈阳航空工业学院学报,2009,26(5):83-86.6 李斌,李文锋.W SN 与 RFI D 技术的融合研究 J.计算机工程,2008,34(9):127-129.7Zhang Le.i Integration of RFID into W ireless SensorNet w orks:A rchitectures,Opportunities and ChallengingProble m s A.Fifth International Conference on G ridand Cooperative Com puting W orkshops C.2006:463-469.8 刘华艳,边婷婷.基于最小跳数的无线传感器网络跨层设计 J.沈阳航空工业学院学报,2010,27(5):52-56.(责任编辑:刘划?英文审校:王琦,李丹莉)62沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报?第 28卷