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基于RFID和WSN的倉儲管理系統網絡架構研究
1 前言
倉儲是物流系統的重要組成部分，它的功能包括在原產地、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，并向管理者提供有關存儲倉儲物品的狀態、條件和處理情況等信息。隨著溫度敏感性產品、危險品等特種物流的發展，倉儲環境智能化和環境參數分布式監控的需求日趨提高。然而現有的倉儲管理在監控實時性、通信自適應性和網絡結卡句自主靈活性等方面仍然存在著諸多問題。
本文在分析RFID和WSN技術優勢的基礎上，通過RFID和WSN的融合將其應用于開發具有環境智能的倉儲管理系統。其中，RFID技術主要實現物品識別跟蹤，WSN技術完成車載和倉庫環境參數的分布式智能監控。基于兩種技術融合下的新型倉儲管理系統平臺，可以根據用戶需求提供靈活的定制的解決方案。為了給倉儲物品的監管提供高效、可靠的系統構架，本文設計了獨特的自適應網絡通信結構：既保證了本地數據處理結果的實時性，又能夠對通信異常情況進行自診處理，從而提高倉儲系統的整體性能。
倉儲系統的網絡架構作為整個系統的設計核心，是影響系統的設計成本、運行質量的決定性因素。本文在對現有的兩種融合RFID和WSN技術的網絡架構方案進行分析比較后，針對倉儲管理的特殊情況，提出了一種新型的自組織網絡架構。該網絡架構在網絡組織靈活性、可靠性等方面有明顯的優勢。
2 系統自適應通信結構設計
2．1 系統結構和主要組成部分
本文設計的倉儲管理系統采用三層結構模式，主要由帶傳感器的電子標簽、車載／倉庫閱讀器、中心數據平臺構成。
(1)電子標簽：存儲物品識別信息(如廠商、ID號、物品種類、特性運輸目的地等)，同時記錄其上自帶的傳感器等采集的數據。
(2)車載/倉庫閱瀆器：同時作為WSN的中心節點，讀取電子標簽發送的物品識別信息和環境數據，實現倉儲應用管理、身份認證、特定目標監控和作為環境監控中心的作用。車載閱讀器由于其工作載體的移動性，在與中心數據平臺的通信接口方式上與固定式倉庫閱瀆器有所差別。
(3)中心數據平臺：這是整個倉儲系統的核心部分 它主要包括日常信息數據庫、部門信息數據庫和知識數據庫。日常信息數據庫主要包括與倉儲管理相關的數據信息。部門信息數據庫則包括物流系統中各部門單他的人員、設備等識別信息。知識數據庫包含的是物品類屬、特性、存儲要求和運輸要求等。
2．2 通信結構
為了給倉儲管理提供高效、可靠的系統架構，設計獨特的自適應系統網絡通信結構，如圖1所示：
正常工作情況下，數據信息傳輸的路線為電子標簽或普通傳感器節點一閱讀器一本地上位機一應用服務器一數據服務器。電子標簽或普通傳感器節點的數據，首先會在本地上位機進行匯總、分類、本地處理等操作，然后將處理后的數據上傳至中心數據服務器。本地上位機負責所轄區域內倉儲管理和庫區監控 巾于本地上位機對數據進行了預處理，既保證了本地處理結構的實時性，又會大大減少中心數據服務器的工作量，從而提高系統的整體性能。
當本地上位機出現故障時，數據信息的傳輸路線為：電子標簽或普通傳感器節點一閱瀆器一應用服務器一數據服務器。閱瀆器 應用服務器之間存在著物理連接：在正常工作情況之下它們之問是不進行直接的數據交換，閱讀器只與本地上位機通信。一旦本地上位機異常，應用服務器將通信工作接管，以保證該區域的數據能夠及時匯總至中心服務器。本地上位機恢復正常工作后，應用服務器會自動釋放管理權，斷開與閱讀器的通信連接，恢復止常狀態下的通信鏈路。
同時，考慮到中心服務器故障時特殊情況的應對措施：中心服務器定期將本地上位機的相關數據下傳至本地上位機，一旦中心服務器故障，本地上位機可以根據最后一次更新的數據獨立工作，并將本區數據進行暫存，當中心服務器恢復正常時，再進行數據的更新交互。
3 自組織網絡架構研究
通過分析比較文獻[8]提出的兩種基于將RFID融合至WSN的網絡架構在組網靈活性、電源管理等方面的優缺點：RFID標簽與WSN傳感器節點獨立工作的異構網絡和智能標簽網絡，提出了3.3節以RFID閱讀器為架構核心的分布式智能節點網絡架構。在深入探討網絡自組織形式的基礎上，引人群組構建的慨念，并由此對3.3節的網絡架構進行r改進：選擇何種形式的剛絡架構主要取決于費用成本和具體應用場合。
3．1 整合RFID閱讀器和WSN基站的異構型網絡
如圖2所示，住異構型網絡中，射頻標簽和傳感器節點獨地存存于監測區域中。RFID閱讀器同時作為WSN基站，接收標簽和傳感器節點發送的數據信息后將其傳送到本地上位機或者遠程網絡。這里可將RFID閱瀆器視為一個智能基站，對RFID和WSN系統的數據信息進行整合。一個比較典型的例子就是，WSN的數據信號可以觸發該RFID閱讀器對異常事件進行響應。
在該網絡中，整個系統由三類設備組成。(1)智能基站。智能基站包含RFID閱讀器和用于本地數據處理和網絡連接管理的微處理器。閱讀器和做處理器雖然區別于無線設備，但通過無線連接與底層『奴J絡進行數據通信。(2)普通RFID標簽。(3)傳感器節點。
電源問題在智能基站中并不存在，因此在具體設計時可以采樣傳統的以太網接人方式。這意味著在每一個智能基站中可以存在一個多層網絡棧以文現數據路由甚至是可靠性比較好的TCP協議。
異構型網絡原理簡單，RFID和WSN系統彼此獨立，只在智能基站中進行數據匯集和交換。但同時兼具RFID閱讀器功能和WSN基站功能的智能基站工作量大，不利于系統整體性能的提高。
3．2 智能標簽網絡
如圖3所示，該網絡以智能標簽為核心：智能標簽中集成了傳感器和微控制器，可以在相互問傳遞數據直到數據傳送至最后一個數據傳輸點。數據傳輸點也是一個智能標簽，不同的是它直接與閱讀器進行數據通信。這種數據逐層傳遞的方式與3.1節中異構型網絡相比，更為有效地減輕了閱讀器以及網絡的運行負擔。智能標簽網絡特別適用于工業安全、遠程監控系統等。這些系統工作現場狀況變化不大，因此結構復雜、價格昂貴的閱讀器并不適用。而相對的，智能標簽網絡則提供了一種價格較為低廉的監控方式。
3．3 分布式智能節點網絡
如圖4所示。由于目前還沒有任何一個RFID系統中存在將網絡棧嵌入閱讀器的情況，因此閱讀器通常只能被動接收本地控制系統的控制信號。同時，普通閱讀器由于體積所限造成移動困難。另外，RFID天線的安裝位置需要精確計算以覆蓋監控區內的所有射頻標簽，同時防止與其他的天線和閱讀器發生沖突。因此如果將RFID閱讀器的功能進行剪裁，那么閱讀器的體積、價格將大為縮減，也更容易靈活應用到多種場合。在分布式智能節點網絡中，智能節點兼具RFID閱讀器和WSN網絡節點的功能。其主要包含三個組成部分：由多種傳感器組成的傳感模塊、標簽閱讀量低于普通閱讀器的閱讀模塊以及用以傳輸數據的射頻收發模塊。智能節點結構圖如圖5所示：
智能節點標簽閱讀量小，組網靈活，更適合在具有自組織網絡構建的無線傳感器網絡中。智能節點獨立運行并將數據信息傳遞到接收節點。而收集的信息將經由多個轉接進行傳輸。由于在同一個區域內的標簽信息十分相似，就可以在每個智能節點中利用簡單而高效的壓縮算法進行壓縮。因此，在這種網絡架構中，采用靈活的通信協議十分必要。
與3.1節中的異構網絡相比，智能節點網絡集成度高、成本低廉、組網靈活。由于數據需要在智能節點中逐次傳遞才能最終上傳到與服務器相連的基站，因此該網絡架構在實時性方面優勢不突出，適用于非強實時的應用場合，如倉庫庫存管理。
分布式智能節點網絡在工業場合應用時，需要對電源問題進行特別的考慮。在工作范圍較大，電池更換不易進行的情況下，智能節點的電池工作壽命將嚴重影響著系統的運行。對于電源問題，一種比較有效的處理方法是將盡可能多的節點處于休眠狀態。與此同時，整個系統的網絡通信可以通過子網絡與處于工作狀態的節點進行數據通信來保持基本功能的正常運行。
綜合比較上述三種網絡架構可以看到：異構型網絡拓撲形式簡單，綜合了RFID閱讀器和WSN基站功能的智能基站是整個系統的決定性環節。同時，智能基站功能復雜，成本相對較高，移動性不強。一旦一個智能基站出現運行故障，整個系統將受到嚴重影響，網絡的可靠性將大為下降。智能標簽網絡和分布式智能節點網絡則提供了成本低廉，靈活性高的管理方式。后兩者適用于實時性要求不是很嚴格、傳輸數據量不大的場合。而當系統要求強實時和大數據量傳送時，異構型網絡因其綜合RFID閱讀器和WSN基站功能而顯得非常有效，同時電源問題也不需要進行特別的考慮。
4 總結
本文在分析了RFID和WSN技術特點的基礎上，將RFID和WSN技術融合運用到倉儲管理系統中，提出了一種新型的系統網絡架構方案。首先，討論了RFID和WSN技術融合的可行性和倉儲管理應用的優勢，提出通過UHF頻段RFID標簽能量獲得方式解決無線傳感器能量供給的問題，并設計了帶傳感器的RFID標簽結構，同時介紹了將RFID協議引入WSN中的技術融合方式。基于RFID和WSN的有機結合，為倉儲系統提供了實時高效的基礎數據。其次，系統設計采用了獨特的自適應網絡通信結構，為倉儲環境監控提供靈活、高效、可靠的系統通信架構。另外，基于CCP控制的電子標簽與普通傳感器節點綜合組網結構使系統具有更好的靈活性。
