摘要：在倉儲系統(tǒng)、RFID和WSNs等相關概念基礎上，給出了倉儲監(jiān)管系統(tǒng)的總體設計和通訊結構設計，具體進行了軟件系統(tǒng)和硬件節(jié)點的設計。實際應用表明，本設計的合理性和有效性。
關鍵詞：無線傳感器網絡；無線射頻識別；倉儲

一、引言

倉儲是物流系統(tǒng)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(tài)、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(qū)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(yè)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(jiān)管需求劃分為監(jiān)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(jiān)控領域的產品和解決方案目前以視頻監(jiān)控類為主。

本文作者長期進行RFID及WSNs相關技術和產品的研發(fā)，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(yè)創(chuàng)新基金項目“危險化學品倉儲監(jiān)管系統(tǒng)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(yè)化工作。本文在RFID和WSNs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(fā)了新型倉儲監(jiān)管系統(tǒng)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，WSNs技術實現倉儲環(huán)境智能，滿足溫度、濕度、成分等環(huán)境參數的分布式監(jiān)控的需求。RFID和WSNs技術為倉儲監(jiān)管系統(tǒng)提供基礎數據，系統(tǒng)綜合運用情境敏感、在線信息交互、基于傳感器節(jié)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WSNs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(tǒng)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(yōu)點，因而可以廣泛應用于包括生產、物流、交通、運輸、醫(yī)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]。

WSNs(Wireless Sensor Networks，無線傳感器網絡)是由大量散布于待監(jiān)測地域的傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網絡。網絡中的各個傳感器節(jié)點具有數據收集和將數據路由到接收器的功能。傳感器節(jié)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(fā)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(huán)境、業(yè)務的模式隨節(jié)點的移動而動態(tài)改變[3-6]。

三、系統(tǒng)總體結構設計

1、系統(tǒng)結構及主要組成部分

本文所設計的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)采用三層結構模式，主要由數據中心、區(qū)域（本地）倉儲管理機、區(qū)域監(jiān)控機、信息匯集節(jié)點、電子標簽與普通傳感器節(jié)點等部分組成。

1）數據中心：這是整個倉儲監(jiān)管系統(tǒng)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(yè)相關的數據和信息；部門信息數據庫主要包括庫區(qū)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(yè)務子系統(tǒng)，提供與數據庫無關的數據接口，保證子系統(tǒng)的數據訪問。

2）區(qū)域倉儲管理機：用于完成本區(qū)內的倉儲作業(yè)管理。

3）區(qū)域監(jiān)控機：用于完成本區(qū)的設備、環(huán)境、人員、車輛等信息的監(jiān)控。

4）信息匯集節(jié)點：包括倉儲應用節(jié)點（RFID讀寫器）、身份認證節(jié)點（RFID讀寫器）、特定目標監(jiān)控節(jié)點（RFID讀寫器／WSNs中心節(jié)點）、環(huán)境監(jiān)控中心節(jié)點（WSNs中心節(jié)點）等。

5)電子標簽與普通傳感器節(jié)點：向信息匯集節(jié)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(jié)點發(fā)行工作站、倉儲管理工作站、庫區(qū)監(jiān)控工作站、網絡通信協(xié)議轉換器等，從而構成完整的倉儲監(jiān)管硬件系統(tǒng)。

2、自適應系統(tǒng)網絡通信結構的設計

為了給倉儲物品的監(jiān)管提供高效、可靠的系統(tǒng)構架，本文設計了獨特的自適應系統(tǒng)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(jié)點→庫區(qū)節(jié)點→通信協(xié)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(jié)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(qū)域內的倉儲管理和庫區(qū)監(jiān)控。本結構的優(yōu)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(tǒng)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(jié)點→庫區(qū)節(jié)點→通信協(xié)議轉換器→應用服務器→數據服務器。

系統(tǒng)結構設計時，通信協(xié)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(xié)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(qū)域的數據能夠及時匯總至中心服務器，通過整個庫區(qū)的庫區(qū)監(jiān)控工作站對該區(qū)進行監(jiān)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(xié)議轉換器的通信連接，恢復正常狀態(tài)下的通信鏈路。

此外，本系統(tǒng)還充分考慮到中心服務器故障時特殊情況的應對措施：中心服務器定期將各本地管理機的相關數據下傳至本地管理機，一旦中心服務器故障，本地管理機可以根據最后一次更新的數據獨立工作，并將本區(qū)數據進行暫存，當中心服務器恢復正常時，再進行數據的更新與交互。

圖1 系統(tǒng)網絡通信結構示意圖

四、軟件系統(tǒng)架構設計

本系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件架構如圖2所示。由電子標簽、WSNs節(jié)點中的嵌入式軟件完成基礎數據采集，并與倉儲管理等各功能模塊進行信息交互；本系統(tǒng)的軟件通過第三方軟件接口與其他系統(tǒng)進行互聯。系統(tǒng)采用多層混合架構，分別利用C/S和B/S的優(yōu)點來滿足不同應用子系統(tǒng)的需要，并實現用戶界面層、業(yè)務邏輯層、數據信息層的多層架構模式。

圖2系統(tǒng)軟件架構示意圖

五、RFID讀寫器／WSNs節(jié)點的設計

本系統(tǒng)中的RFID讀寫器／WSNs節(jié)點如圖3所示。其中虛線框內的部分是中心節(jié)點／RFID讀寫器所具有的標配部件，而對于普通節(jié)點是選配部件；另外，各種傳感器通過可擴展的I／O接口實現與讀寫器／WSNs節(jié)點互聯。

圖3 RFID讀寫器／WSNs節(jié)點

六、結束語

本文作者的創(chuàng)新點體現在以下幾個方面：RFID技術和WSNs技術的有機結合，為倉庫監(jiān)管提供高效的基礎數據；在RFID技術、WSNs技術基礎上，構建倉儲管理全數字化平臺，在數據庫技術和數據挖掘技術基礎上，實現倉儲管理的信息全方位支持；運用情境敏感的在線信息交互技術提高人－機交互水平；采用獨特的自適應系統(tǒng)網絡結構，為倉儲監(jiān)管提供靈活、高效、可靠的系統(tǒng)通信架構。

實際應用表明，本文所設計的基于RFID和WSNs的倉儲監(jiān)管系統(tǒng)，可以為倉儲、生產、經營等相關企業(yè)的倉儲環(huán)節(jié)提供快速、實時、準確的信息采集和實時處理的全新解決方案，從而全面提升相關企業(yè)信息化水平，規(guī)范倉儲的管理，降低事故發(fā)生率。

參考文獻：

1.       游戰(zhàn)清等，無線射頻識別技術（RFID）理論與應用[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2004年.
2.       孟曉明，基于RFID的物流信息管理系統(tǒng)模型研究〔J〕，微計算機信息，2006年7月，第6-2期 P236,273-275
3.       M.Satyanarayanan， Pervasive Computing: Vision and Challenges [J].， IEEE Personal Communications， Vol. 6， No. 8，2001:P.10-17
4.       邴志剛，劉景泰，陳濤，等，基于智能微節(jié)點的無線傳感網絡研發(fā)問題綜述[J],計算機工程與應用， Vol.41，No. 17 ， 2005:P.9-12
5.       邴志剛，方景林，谷兆麟，等，計算機控制-基礎·技術·工具·實例 [M]，北京：清華大學出版社，2005、
6.       李莉，一種藍牙無線傳感器網絡的實現[J]，微計算機信息，2006年7月，第7-2期 P246-248

基金資助：國家自然科學基金(60575048), 天津市中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目(200605)

作者簡介：劉媛(1974--)，女（漢族），遼寧本溪人，天津工程師范學院電子工程系講師，工學碩士，主要從事智能檢測與信號處理、嵌入式開發(fā)等方面研究。