基于RFID與WSN技術(shù)融合的物流系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

郭慶　姚敏

摘要：信息化和物流過程透明化是現(xiàn)代物流業(yè)區(qū)別于傳統(tǒng)物流業(yè)特點。結(jié)合物流業(yè)工作流程，提出了基于RFID和WSN技術(shù)融合的物流系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了融合RFID技術(shù)和WSN技術(shù)的智能節(jié)點，實現(xiàn)了集自動身份識別、自動環(huán)境信息采集以及綜合數(shù)據(jù)傳輸功能于一體的智能化數(shù)據(jù)處理節(jié)點，顯著地提高了現(xiàn)代物流業(yè)的信息采集和處理能力。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：現(xiàn)代物流；RFID；WSN；技術(shù)融合

DOIDOI：10.11907/rjdk.171767

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011016003

0引言

物流行業(yè)作為服務(wù)業(yè)的重要組成部分，在我國社會經(jīng)濟活動中扮演著越來越重要的角色。傳統(tǒng)意義上的物流是制品從生產(chǎn)地到最終消費者的物理性轉(zhuǎn)移活動，具體包括包裝、裝卸、運輸、保管以及信息傳輸?shù)然顒覽1]。

信息化是現(xiàn)代物流業(yè)區(qū)別于傳統(tǒng)物流業(yè)的最大特征。通過物流作業(yè)系統(tǒng)和物流信息系統(tǒng)的高度集成，使現(xiàn)代物流行業(yè)與電子商務(wù)企業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的聯(lián)系越來越緊密。物流過程的透明化與可控性是現(xiàn)代物流業(yè)的另一個特征。將RFID和WSN兩種平行發(fā)展且具有互補優(yōu)勢的技術(shù)相融合，應(yīng)用于現(xiàn)代物流業(yè)，使所有物流參與者都可依托強大的信息獲取能力與交流平臺共享和利用物流信息，有助于物流業(yè)提高運行效率，降低運行風險，從而給現(xiàn)代物流業(yè)帶來又一次大發(fā)展。

1RFID與WSN技術(shù)融合在現(xiàn)代物流業(yè)的應(yīng)用可行性分析

物流參與者最關(guān)心物流過程中的4個要素，分別為Who、What、Where、When，即哪件貨物在什么時候、什么地方處于什么狀態(tài)。RFID技術(shù)負責識別貨物是Who以及當前時間When，WSN技術(shù)則負責監(jiān)測貨物的當前位置Where和當前狀態(tài)What，其中包括貨物的溫度、壓力、濕度、受力、濃度等狀態(tài)信息[2]。物流企業(yè)能通過RFID和WSN技術(shù)獲得海量物流數(shù)據(jù)，從而對物流運輸路徑優(yōu)化、運能調(diào)配等決策作出調(diào)整。同時貨物托運方也能通過物流企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)查詢平臺實時了解托運貨物的狀態(tài)。

WSN節(jié)點價格低、抗干擾能力強，以及信息感知和數(shù)據(jù)傳輸距離較遠的優(yōu)點可以彌補RFID系統(tǒng)抗干擾能力弱、識別距離近的缺點[3]，而RFID識別精度較高的優(yōu)點也彌補了WSN感知精度低的缺點。所以RFID技術(shù)與WSN技術(shù)的融合能在維持較低成本的條件下提高物流系統(tǒng)的信息獲取和利用效率，具有較高性價比和廣泛的市場應(yīng)用前景。

2基于RFID與WSN技術(shù)融合的物流系統(tǒng)

本文在對傳統(tǒng)物流業(yè)工作流程分析的基礎(chǔ)上提出了基于RFID與WSN技術(shù)融合的物流系統(tǒng)（WSID，Wireless Sensor Identification Logistics System）。利用RFID與WSN技術(shù)自動識別、自動感知、自動傳輸?shù)膬?yōu)點，解決了傳統(tǒng)物流業(yè)信息獲取效率低、信息利用度低以及運輸過程不可監(jiān)控的缺點。

本文設(shè)計的WSID物流系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層兩層架構(gòu)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1WSID物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)感知層是WSID物流系統(tǒng)建立物理實體與抽象數(shù)據(jù)信息映射關(guān)系的基礎(chǔ)，是由智能節(jié)點、RFID標簽、WSN節(jié)點組成的分層結(jié)構(gòu)的信息感知網(wǎng)絡(luò)。

每件貨物外包裝上粘貼的RFID標簽里都存儲有貨物名稱、重量等貨物身份信息，用于WSID物流系統(tǒng)對貨物身份的識別；每輛貨運車輛內(nèi)粘貼的車輛識別標簽里存儲有車輛號牌、車輛載重噸位等車輛信息數(shù)據(jù)，用于車輛身份識別與貨物信息綁定；分布于物流倉儲區(qū)各倉庫大門處的倉庫智能節(jié)點分別負責本倉庫貨物出入庫時的身份識別，感知倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)等倉儲信息；分布于倉儲區(qū)和物流中轉(zhuǎn)區(qū)的ZigBee路由器將所有智能節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層。

當運輸車輛在運輸途中需要上傳自身貨運信息時，車上的車輛智能節(jié)點和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊也可通過通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service， GPRS）技術(shù)把各自采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給WSID物流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層是WSID物流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，它接收來自于數(shù)據(jù)感知層的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)服務(wù)器的解析、分類、過濾，最終存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中供系統(tǒng)使用。數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層是WSID物流系統(tǒng)的硬件控制接口，當WSID物流系統(tǒng)需要配置數(shù)據(jù)感知層的某些底層感知設(shè)備時，數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層會將具體配置指令通過ZigBee路由器推送給這些感知設(shè)備。數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層還是WSID物流系統(tǒng)與上層應(yīng)用程序的接口，它能向所有物流行為的參與者提供具體的數(shù)據(jù)信息服務(wù)和管理服務(wù)。

3系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)

WSID物流系統(tǒng)中集成了無線傳感器節(jié)點的RFID閱讀器，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作的重點環(huán)節(jié)。通常RFID閱讀器是通過有線網(wǎng)絡(luò)與用戶及后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相連，它只負責讀寫RFID標簽數(shù)據(jù)。而集成了無線傳感器節(jié)點的RFID閱讀器還具有感知區(qū)域環(huán)境信息和無線通信能力，可以和周邊的無線傳感器節(jié)點協(xié)作，以多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸數(shù)據(jù)，因此也被稱為智能節(jié)點（Smart Node）。智能節(jié)點由無線傳感器單元、閱讀器單元、電源、微控制器單元組成。智能節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2智能節(jié)點結(jié)構(gòu)

WSID物流系統(tǒng)要求智能節(jié)點具有較強的數(shù)據(jù)處理和通信能力、較強的硬件控制能力以及豐富的硬件接口資源。本文的智能節(jié)點微控制器選用三星公司基于ARM920T核心的S3C2440處理器。S3C2440是16/32位RISC嵌入式處理器，其低功耗全靜態(tài)的設(shè)計兼顧了系統(tǒng)成本與系統(tǒng)功率[4]，使其成為被廣泛應(yīng)用的一款A(yù)RM9處理器。

當前應(yīng)用較多的UHF RFID讀寫器控制芯片有Intel公司的R1000和R2000芯片、PHYCHIPS公司的PR9000芯片以及奧地利微電子AMS公司的AS399X系列芯片。本文采用AMS公司的AS3992芯片實現(xiàn)射頻收發(fā)模塊功能，AS3992芯片集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器等模擬前端器件，內(nèi)置ISO/IEC18000-6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)[5]。endprint

為配合工作于UHF頻段的RFID閱讀器，本文選取集成Alien H3芯片的RFID標簽作為貨物身份識別載體。Alien H3是一款支持EPC global class1 Gen2規(guī)范的單芯片RFID標簽集成電路，它使用低成本的CMOS工藝和EEPROM技術(shù)，保證了芯片在極低功率下仍能正常響應(yīng)閱讀器的讀取指令。它提供了64位工廠編程設(shè)置的ID號，與EPC編碼相結(jié)合，為需要標識的貨物提供唯一的身份編碼。它還向用戶提供512位的存儲空間，可存儲貨物的簡單特征信息[6]。Alien H3芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3Alien H3芯片結(jié)構(gòu)

作為數(shù)據(jù)采集和傳輸平臺的基礎(chǔ)，無線傳感器芯片的處理能力非常重要。本文選用德州儀器TI公司生產(chǎn)的CC2530型芯片作為無線傳感器芯片。CC2530集成了性能優(yōu)良的2.4GHzRF收發(fā)器，支持IEEE802.15.4、ZigBee和TI公司的Z-Stack協(xié)議，其內(nèi)核為增強型8051MCU[7]。CC2530系統(tǒng)芯片具有32KB、64KB、128KB、256KB閃存容量，提供2個USART、12位ADC等豐富的外設(shè)。CC2530功耗較低，供電電壓在2V～3.6V之間，主動模式時RX電流為24mA，TX電流為29mA。本文設(shè)計的智能節(jié)點硬件框架如圖4所示。

圖4智能節(jié)點硬件框架

當智能節(jié)點上電后，首先進行各部件系統(tǒng)的初始化操作，之后進入等待指令狀態(tài)。當智能節(jié)點控制器接收到應(yīng)用程序發(fā)來的操作指令后，先判斷其是針對RFID閱讀器的操作還是WSN節(jié)點的操作。如果是RFID的讀標簽指令，則向AS3992發(fā)出讀標簽指令，AS3992閱讀器在經(jīng)過標簽數(shù)據(jù)CRC循環(huán)冗余校驗和防碰撞處理后，判斷標簽數(shù)據(jù)是否讀取成功，如成功讀取則將數(shù)據(jù)通過串口返回給微控制器S3C2440，并再次進入等待指令狀態(tài)。如果智能節(jié)點控制器接到的是針對WSN節(jié)點的操作指令，則CC2530再判斷該指令是否是由微控制器S3C2440發(fā)來的，如果是，則將S3C2440發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給指令指定的節(jié)點；如果不是，則認為是針對RFID閱讀器的操作指令，將其通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到S3C2440。智能節(jié)點工作流程如圖5所示。

圖5智能節(jié)點工作流程

4結(jié)語

本文通過將RFID與WSN技術(shù)融合的方式設(shè)計了WSID物流系統(tǒng)，將RFID自動識別物體的準確性、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動感知環(huán)境信息以及無線傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點相結(jié)合，綜合應(yīng)用于物流業(yè)，解決了現(xiàn)代物流業(yè)信息化與物流過程透明化的需求。

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責任編輯（責任編輯：黃?。〆ndprint