基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究

吳英豪 王蕾

[摘 要]倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備尤其是傳送和揀選設(shè)備的工作狀況正常與否直接影響著整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的安全性。因此，倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化程度越高，就越需要對(duì)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄、報(bào)警和處理。現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)一般都需要配備作業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全處理，其目的在于保障倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)安全、保障倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)能快速進(jìn)行下去、提高管理決策水平、使倉(cāng)儲(chǔ)管理工作更加便捷、降低不必要的成本和減少可能的損失。

[關(guān)鍵詞]WSN；倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備；監(jiān)控系統(tǒng)

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1 倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控管理中面臨的問題

11 大部分企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控還處于人工檢測(cè)階段

這種方式?jīng)Q定了作業(yè)設(shè)備故障診斷多是在機(jī)器運(yùn)行出現(xiàn)故障后或拆開檢查后才知道機(jī)器的某部分發(fā)生故障。這樣為確保機(jī)器的正常運(yùn)行不得不規(guī)定定期維修檢查制度。

12 對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行定期檢修是很多企業(yè)的做法

雖然對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢修能夠避免設(shè)備產(chǎn)生大規(guī)模的損壞而導(dǎo)致無法進(jìn)行正常的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理活動(dòng)這樣的狀況，但是，這種做法導(dǎo)致了機(jī)械設(shè)備的過度維修。這不僅使設(shè)備維修缺乏針對(duì)性、有效性，還造成了很大程度的人力資源浪費(fèi)。此外，還容易引起維修人員的疏忽和麻痹大意。由此可能產(chǎn)生新的隱患。

13 部分企業(yè)采用有線網(wǎng)絡(luò)或閉路電視來對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控

比起人工檢測(cè)和事故后維修設(shè)備以及定期檢測(cè)，這種設(shè)備檢測(cè)方式顯然要先進(jìn)一些，但是，受制于有線網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)：大量布線、電源之間的干擾、對(duì)設(shè)備及人員可能產(chǎn)生危害等。這也增加了設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性和不可控性。此外，這種方式也不能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性。必然會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)決策帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了基于WSN的檢測(cè)系統(tǒng)，以期為企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)管理降低人工費(fèi)用、維修費(fèi)用，提高作業(yè)效率、協(xié)作效率，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控的意義和目的

開展倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備安全監(jiān)控的研究，全面提高倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控的科學(xué)技術(shù)水平，對(duì)有效減少事故隱患，預(yù)防和控制重大事故的發(fā)生，減少重大經(jīng)濟(jì)損失和保障物流環(huán)節(jié)能有效暢通具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

（1）實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行狀況作出全面監(jiān)測(cè)和了解，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)排除，預(yù)防和消除因作業(yè)設(shè)備帶來的事故隱患，保證倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)能夠安全、高效、順利的進(jìn)行。

（2）對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控還可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和記錄，了解倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行的歷史參數(shù)，對(duì)設(shè)備的未來趨勢(shì)有個(gè)大致預(yù)判，便于倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)人員根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行維修、更換、報(bào)廢，降低倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行成本；還可以比對(duì)了解設(shè)備提供商的設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量、性能及性價(jià)比，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備采購(gòu)做出更加合理的決策提供事實(shí)依據(jù)。

（3）為設(shè)備生產(chǎn)提供商提供設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于提供商根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行改造升級(jí)、優(yōu)化設(shè)備性能；也可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及說明書建立合理的設(shè)備維修制度，以便在合理的條件下挖掘設(shè)備的運(yùn)行潛力等。

總的來說，進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控的目的就是確保倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的安全、高效地運(yùn)行，預(yù)防和消除事故隱患，避免事故發(fā)生；在設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，把潛在隱患降至最低，把潛在損失降到最小。

3 WSN應(yīng)用體系架構(gòu)

WSN是Wireless Sensor Network的簡(jiǎn)寫，是指這樣的一種技術(shù)：它將傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)集成在一起，來實(shí)現(xiàn)信息的采集、信息的傳輸、信息的處理三種功能的統(tǒng)一，它與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)一起構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集的量化處理、融合和傳輸。其綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，再將處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括一個(gè)或多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink），網(wǎng)關(guān)和大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的感知、計(jì)算和通信能力，通過自組織或人工組網(wǎng)的方式形成多跳無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間協(xié)作地收集數(shù)據(jù)，經(jīng)過多跳的方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)一般承擔(dān)網(wǎng)關(guān)的功能，通過以太網(wǎng)、WiFi和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種以感知客觀物理世界為目標(biāo)的新型信息處理系統(tǒng)，感知和采集監(jiān)測(cè)環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，涉及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、管理和服務(wù)框架、信息傳輸路由機(jī)制的建立、面向應(yīng)用的分布式信息處理模式等問題。由于其涉及多學(xué)科的交叉，功能上可以將其劃分為通信系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，包括各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層），以及低功耗的無線通信電路設(shè)計(jì)，保證物理數(shù)據(jù)的傳輸；中間件對(duì)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，提供低通信開銷、動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的核心服務(wù)，包括節(jié)點(diǎn)部署/定位、拓?fù)淇刂啤r(shí)間同步、安全機(jī)制和系統(tǒng)管理等服務(wù)，為上層應(yīng)用提供支持；應(yīng)用系統(tǒng)為最終用戶提供數(shù)據(jù)采集、分類和跟蹤服務(wù)，并提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口，主要包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)融合。

4 基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模式。三層中第一層是業(yè)務(wù)邏輯層，主要包括倉(cāng)庫(kù)基站，有一些RFID標(biāo)簽、超級(jí)節(jié)點(diǎn)以及檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)的溫濕度、壓力等監(jiān)控節(jié)點(diǎn)等組成；第二層是數(shù)據(jù)通信層主要是信息采集設(shè)備，包括RFID閱讀器、智能機(jī)站和本地上位機(jī)；第三層是用戶界面層，主要包括中心數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用多層次混合架構(gòu)，分別運(yùn)用B/S以及C/S的優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)三層的架構(gòu)模式。

根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的實(shí)際需求，在不同的需要監(jiān)測(cè)的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備上提前部署好對(duì)應(yīng)的WSN節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽以及RFID閱讀器。

41 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

盡管數(shù)據(jù)采集設(shè)備有很多，但本系統(tǒng)主要使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽以及超級(jí)節(jié)點(diǎn)這三種設(shè)備。RFID標(biāo)簽可以標(biāo)志倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的信息，比如，設(shè)備種類、ID號(hào)、生產(chǎn)日期等；無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)信息，比如，速度、位置、電流等實(shí)時(shí)采集和傳遞，還可以采集倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的周圍環(huán)境信息，比如，溫濕度、含氧量等；超級(jí)節(jié)點(diǎn)則集合了它們的功能，既可存儲(chǔ)記錄設(shè)備信息也可存儲(chǔ)記錄來自傳感器傳遞來的信息。

42 車載/倉(cāng)庫(kù)基站

一般來說，車載/倉(cāng)庫(kù)基站設(shè)備也具有多樣性，在基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中我們采用普通的車載/倉(cāng)庫(kù)電子標(biāo)簽閱讀器、智能基站和普通的無線傳感網(wǎng)絡(luò)基站這三種。它們各有各的功能和明確的分工，以便于倉(cāng)儲(chǔ)信息管理。普通的電子標(biāo)簽閱讀器僅用于對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備信息的采集；智能基站既是電子標(biāo)簽閱讀器又是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。主要用來讀取無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的設(shè)備狀態(tài)信息和周圍環(huán)境信息以及RFID標(biāo)志的設(shè)備識(shí)別信息。達(dá)到對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理的身份認(rèn)證、特定設(shè)備監(jiān)控、應(yīng)用管理和作為環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的作用（根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求，相應(yīng)的RFID部署，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和不同設(shè)備的RFID閱讀器。

43 數(shù)據(jù)平臺(tái)

基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)其核心部分是中心數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，它主要包括三部分的數(shù)據(jù)庫(kù)：日常信息、部門信息和知識(shí)庫(kù)。日常信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括與設(shè)備管理信息相關(guān)的數(shù)據(jù)。信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括負(fù)責(zé)人員設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)部門，設(shè)備和其他標(biāo)識(shí)信息。知識(shí)庫(kù)中包含的設(shè)備類型，特征和維護(hù)要求。

基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)合超級(jí)節(jié)點(diǎn)采集到的標(biāo)簽信息，可以具有確定設(shè)備位置、對(duì)異常事件進(jìn)行判斷等功能。基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一旦判定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)或環(huán)境發(fā)生異常或者設(shè)備需要維修，則智能基站可以給用戶發(fā)出警報(bào)信息，并將異常信息寫入電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)備管理人員可以使用普通的RFID讀取了解設(shè)備信息和環(huán)境信息，及時(shí)修理或更換設(shè)備。通過每天，每周，設(shè)備資源利用率的統(tǒng)計(jì)分析每月占用時(shí)間，可為倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備管理人員提供決策依據(jù)。

5 倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

51 信源廣泛

基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)不僅能監(jiān)測(cè)設(shè)備信息、設(shè)備運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)信息以及設(shè)備周圍環(huán)境信息，還能監(jiān)測(cè)到貨物信息。因此，相較于傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)信息采集，其信息源要廣泛得多，這樣就能更準(zhǔn)確地把握倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理就更有針對(duì)性、有效性。

52 信息處理技術(shù)比較簡(jiǎn)單

盡管基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)信息源廣泛、采集上來的信息較多，甚至可以說是海量信息，但是信息相處處理起來則比較簡(jiǎn)單。這是因?yàn)槿粘I(yè)務(wù)活動(dòng)都被模塊化了，而一些不太常見的異常狀況則可以有系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)里的知識(shí)庫(kù)加以學(xué)習(xí)和總結(jié)，進(jìn)而形成流程化。

53 提高倉(cāng)儲(chǔ)效率，降低倉(cāng)儲(chǔ)成本

基于WSN的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)毫無疑問提高倉(cāng)儲(chǔ)的物流效率，降低了倉(cāng)儲(chǔ)的運(yùn)行成本。對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備的智能化監(jiān)測(cè)可以有效地配置設(shè)備，降低設(shè)備的空置率、空閑率，加上對(duì)異常狀況的及時(shí)處理，可以降低由此而帶來的潛在損失；又加之可以監(jiān)測(cè)設(shè)備周圍的環(huán)境，則可以選擇設(shè)備運(yùn)行路線，提高倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的效率。

6 結(jié) 論

倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備是進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)的基礎(chǔ)，也是保障各項(xiàng)倉(cāng)儲(chǔ)工作得以順利進(jìn)行的基礎(chǔ)之一，倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施與設(shè)備是物流系統(tǒng)中貫穿于物流的全過程、深入到各作業(yè)細(xì)節(jié)的復(fù)雜的技術(shù)支撐要素，是物流的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是物流運(yùn)作效率的關(guān)鍵因素。倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施設(shè)備的布局、技術(shù)水平、選擇與配置，直接影響著物流功能的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)效益。因而倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備在倉(cāng)儲(chǔ)管理中一直被視為一個(gè)重要的組成部分之一。隨著無線傳感技術(shù)和各項(xiàng)信息技術(shù)的發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的管理也理應(yīng)相應(yīng)提升，以滿足日益增長(zhǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)各項(xiàng)活動(dòng)的需求。本文通過對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)等設(shè)計(jì)出了一種針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控管理的系統(tǒng)，希望能解決現(xiàn)階段倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備管理中存在的問題，有效地提高倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的效率和管理水平，并對(duì)有關(guān)研究提供借鑒和思考。

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