基于物聯網的航空物流管理系統研究

鄒霞玲

(江西農業工程職業學院經濟管理與資源系，江西 樟樹　 331200)

基于物聯網的航空物流管理系統研究

鄒霞玲

(江西農業工程職業學院經濟管理與資源系，江西 樟樹 331200)

摘要：針對國內航空物流管理的不足，研究了一套基于物聯網的航空物流遠程監控和管理系統方案。搭建了以采集終端、無線傳感網絡及遠程監控平臺為基礎的系統架構，設計實現了RFID采集終端硬件系統，組建了基于ZigBee技術的機場安檢和倉儲區的航空貨物傳感網絡，給出了無線網絡的組網流程。針對貨物定位功能需求，提出了一種基于RSSI改進的三邊-質心算法；通過Matlab仿真，驗證了改進算法可以有效提高定位精度。所設計的基于LabVIEW的航空貨物遠程監控平臺，實現了局域網內用戶對航空貨物的遠程監控。試驗結果表明，該系統能夠有效提高機場航空物流的管理效率。

關鍵詞：物流管理物聯網RFIDZigBee定位RSSI航空遠程監控無線通信

0引言

物聯網(internet of things，IoT)技術主要包括感知技術、RFID技術、網絡和通信技術、信息處理技術4個方面。目前，物聯網的應用很多都集中在智能家居或環境監測領域。如將其應用在航空物流管理上，對航空貨物進行遠程監控，將有利于提高航空物流的管理效率。

我國航空物流在信息化建設方面還存在較多問題，主要表現為：

①缺少行業統一的航空物流信息平臺[1]。目前幾乎所有大中型航空物流企業的物流信息管理系統都相對獨立，無法實現貨物的全流程信息交互與資源共享。

②缺乏先進的技術和管理模式。與世界發達國家相比，國內航空物流缺乏人工智能/專家系統、通信、條碼和掃描等先進信息技術的應用，并且管理手段、管理方法落后，遠不能適應航空物流的快速增長[2]。

因此,將物聯網這一新技術應用在航空物流管理領域，研究一套智能化、信息化的航空物流管理系統，有很大的實際應用價值，能很大程度地節省航空物流管理成本、提高工作效率，從而加快我國航空物流管理信息化進程。

1總體方案設計

航空物流管理系統總體方案如圖1所示。

系統包括安檢門和倉儲遠程控制系統、貨物定位系統，2個子系統的結構基本相同，均包括采集終端、無線傳感網絡和遠程監控平臺這3個部分。

采集終端從模塊化角度分為信息采集模塊、MCU控制模塊、無線通信模塊。其分別完成安檢門和倉儲區信息采集，信息處理，信息發送、接收。用戶通過給貨箱或旅客行李貼上RFID標簽，在安檢門、倉儲區等地方分別安裝RFID讀寫器，利用RFID讀寫器獲取RFID標簽信息[3]。

本文中使用的無線通信技術需要滿足組網方便、低功耗、連接設備數量多、具有安全加密功能、通信距離適中等要求。在典型的無線通信技術中，基于ZigBee技術組建的無線傳感網絡，能夠連接高達65 000個設備，而且具有功耗低、有3種安全密鑰可供選擇的優點；雖然傳輸速率不高，但能夠滿足傳輸數據的要求[4]。此外，在機場內部使用無線通信設備時，要避開民航無線電專用的頻率波段，且通信設備的功率要盡可能小，這樣才能最大程度地減少對民航專用無線電的干擾。ZigBee工作的3個波段均沒有在民航專用無線電限制的頻率當中，而且ZigBee無線通信設備的功率非常小，對專用無線電的干擾可以忽略不計。綜上所述，選擇基于ZigBee技術組建無線傳感網絡是一種可行方案。系統中各個采集終端上的ZigBee終端節點與ZigBee協調器總節點組成了監控系統的無線傳感網絡。同時，ZigBee協調器將無線傳感網絡中的信息包轉化為RS-232協議數據包，與遠程控制計算機連接，形成通信鏈路[5]。

圖1　航空物流管理系統總體方案

遠程監控平臺采用LabVIEW虛擬儀器軟件搭建,接收并實時顯示貨物信息情況。

2硬件設計及工作流程

2.1RFID讀寫模塊

RFID讀寫器采用TI公司生產的TRF7970A射頻模塊，并將900 MHz天線連接到讀寫器天線端口，以增加讀寫距離。微處理器采用的是超低功耗MSP430F2370，通過SPI總線接口方式連接射頻模塊。RFID讀寫器功能結構如圖2所示。

圖2　RFID讀寫器功能結構圖

RFID讀寫器將接收到的數據存放在串口接收緩沖區。首先，對緩沖區進行自檢，檢查是否有數據。若有數據，則取出并執行相應的命令，循環重復執行，直到所有數據通過UART被PC接收。MCU根據UART接收緩沖區中的數據，向TRF7970A的12字節緩沖區發送命令。若無數據，則設置協議進入尋找標簽模式，等待接收數據并處理。RFID讀寫模塊工作流程如圖3所示。當由于多種原因導致中斷發生時，TRF7970A的IRQ狀態寄存器將被啟動，以確定中斷原因并采取相應的行動。

圖3　RFID讀寫模塊工作流程圖

2.2ZigBee無線通信網絡

在基于ZigBee的無線通信網絡中，不同的節點類型在無線網絡中履行不同的職能：網絡協調器節點主要用來創建與維護無線網絡；中心路由節點負責發現路由并維護鏈接；終端節點主要用來連接最底層的信息采集端，在無線網絡中只能加入或者離開網絡[6-8]。

2.2.1協調器組建網絡

在一個ZigBee無線網絡中，協調器節點是最先開始工作并處于網絡中的。在一個全功能設備(full function device,FFD )啟動后，先通過能量掃描的方式對周圍環境進行判斷，看是否有ZigBee網絡存在。若周圍存在ZigBee網絡，則FFD按由近及遠的方式對網絡中的一個節點提出入網請求，并等待該節點的請求響應；如果沒有檢測到ZigBee網絡，則該FFD將會作為一個協調器節點來組建新的ZigBee網絡。在FFD作為一個協調器正常工作之前，會先進行一些設定。首先，根據能量掃描的結果，普遍選擇能量強度值較小的信道作為網絡的傳輸信道；同時，選擇合適的網絡ID、網絡短地址等功能，在函數App_StartCoordinator(void)中確定網絡參數，隨后啟動協調器開始組建ZigBee無線網絡，終端節點在網絡組建完成后可以申請加入。網絡協調器組網流程如圖4所示。

圖4　FFD組網流程圖

2.2.2路由發現并維護路由

中繼路由節點在終端節點和協調器之間搭建起一條最佳的通信鏈路，其主要作用是發現和維護路由[9]。建立路由需要3個步驟：發現路由、建立正向路由及建立反向路由。通過這3個步驟，能夠建立一條完整的通信鏈路，實現源節點與目的節點之間的數據傳輸。

2.2.3終端節點入網

終端節點與需要控制和采集的設備是集成一體的模塊子系統，終端節點加入無線網絡需要經過發現網絡、請求協調節點加入網絡、與協調器/路由節點建立通信這3個步驟。終端節點在與協調器連接前，先通過掃描的方式獲得個域網(personal area network，PAN)信息。終端節點通過接收協調器返回的原語MLME-SCAN.confirm得到具體的PAN描述。終端節點在獲得PAN信息后，向協調器再次發送入網請求，通過App_SendAssociateRequest(void)函數完成。如果協調器同意接收該終端節點，則會分配一個16位的短地址，并返回相應的原語。終端節點把分配的16位短地址保存起來,就可以加入到ZigBee無線網絡。圖5為終端節點的入網流程。

圖5　終端節點的入網流程圖

3RFID室內定位算法

接收信號強度指示(received signal strength indication，RSSI)法的基本原理如下：首先，通過無線電傳輸損耗模型，將讀寫器接收到的射頻信號功率轉換為標簽與讀寫器之間的距離，再根據臨近算法或者多邊定位的方式來計算定位目標的位置信息[10]。目前，基于RFID的許多室內定位系統均應用了RSSI方法，最典型的如LANDMARC系統、VIRE系統和SpotOn系統等。

在基于RSSI的定位算法模型中，最傳統的算法模型包括三邊測量法、三角形面積法、質心定位算法及加權質心定位算法。本文結合三邊測量法與加權質心定位算法，提出了一種改進的加權質心定位算法。即先縮小未知節點所在的定位區域，再對加權值作出相應的改進，使未知節點的估計值與實際值盡量相近。當已知3個錨節點和待求未知節點的距離時，可列方程組求得未知節點的位置[11]。

(1)

由于在實際測量中，經計算得到的距離和實際距離相比通常偏大，因此式(1)通常會存在無解的情況。這時往往須使用最小二乘估計(或最大似然估計)的方法，通過引進多個錨節點的位置信息，以減少誤差。對式(1)進行改進，得到最大似然估計的方程為：

(2)

由于使用最大似然估計法要計算多個非線性方程，因此對于n值的選擇尚無明確結論；同時，在計算距離dn時也存在n值越多、計算的個數越多的問題，進而導致誤差偏大。本文提出的三邊-質心算法,在只采用3個錨節點的基礎上，利用修正的加權質心算法，求得未知節點的坐標。三邊-質心算法原理如圖6所示。

圖6　三邊-質心算法原理圖

如圖6所示，已知3個錨節點A、B、C，在待定的未知節點測得與錨節點的距離分別為RA、RB、RC。通常情況下，RA、RB、RC比實際距離dA、dB、dC偏大些。分別以A、B、C為圓心，RA、RB、RC為半徑作圓。3個圓的交集區域內，2個圓交點設為O1、O2、O3，則O1、O2、O3的坐標滿足以下方程組：

(3)

(4)

(5)

由以上3個方程組解得交點O1、O2、O3的坐標位置，從而求得以O1、O2、O3為頂點的三角形。其目的是將未知節點所在的區域面積縮小，以提高定位算法的精確度。在ΔO1O2O3中使用加權質心定位算法時，需要對加權值作如下考慮。以O1點為例，該點是由⊙B和⊙C相交而得，因此權值變量中須有RB、RC這2個參量。其次，從未知節點O的角度考慮，理想情況下O點是由OA、OB、OC這3個距離得到的，3個距離與O點的求解是聯系在一起的，此時在O1點的權值變量中也應該考慮到RA的影響。最后，考慮到錨節點-未知節點的距離與權重值成反比[12-15]，本文將O1的權值設定為：

(6)

在決定O1點的權值時，RB、RC起主導作用，RA起次要作用。因此，在RA函數中添加一個修正系數n(n≥3)。同理，得到O2、O3的權值分別為：

(7)

(8)

通過對ΔO1O2O3中3個頂點權值的確定，根據加權質心算法，最終得到未知節點的坐標(xi,yi)為：

(9)

根據對數距離路徑損耗模型，距離d與接收強度RSSI之間的對應關系為：

10γlog10d=Ps+PA+PL(d0)-RSSI+

10γlog10d0-Xσ

(10)

式中：PL(d0)為在參考距離下信號接收端上的功率值，d0在微蜂窩系統中一般設置為100m或者1m，在宏蜂窩系統中一般為1km；γ為路徑損耗系數，表示根據距離增長所產生的路徑損耗；Xσ是均值為0，標準差為σ的正態隨機變量；RSSI為接收到的信號強度；PS為發射信號的功率值；PA為天線的增益；PL(d)為路徑損耗。

為了有效驗證改進的三邊-質心算法比傳統的質心估計算法在目標節點的定位上更加可靠，本文在Matlab中進行了仿真。仿真環境為一個室內走廊，模擬航站樓的分布環境，取損耗路徑指數γ為3.0、標準差σ為5.0、發射功率PS為0dBm、增益功率PA為0dBm、PL(d0)為距離在1m接收端接收的信號強度，取多次測量的平均值為-53.5dBm，RSSI的值按照實際現場的仿真位置來取定。式(10)簡化為：

RSSI≈-53.5-30lgd

(11)

目標節點的定位區域是邊長為5m的正方形區域，將4個頂點設置為定位錨節點，即讀寫模塊裝置，4個錨節點的坐標分別定義為(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)。同時，在Matlab中將式(11)定義為d=distance(RSSI)的.m函數文件，方便調用；將改進的三邊-質心算法定義為[x,y]=fixed_position的.m函數文件；將傳統的質心估計算法定義為[x,y]=center_point的.m函數文件。目標節點的定位示意圖如圖7所示。Matlab仿真結果表明，改進算法在區域定位中比傳統質心估計算法更加準確。

圖7　目標節點的定位示意圖

4軟件監控平臺設計

系統的軟件監控平臺采用試驗室虛擬儀器集成環境(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)圖形化軟件[16]。使用圖形化虛擬儀器軟件LabVIEW編寫了軟件監控平臺，實現了對安檢設備信息狀態的遠程監控，并將軟件監控平臺發布到Web上，使工作局域網內的用戶可以通過網頁的方式訪問本地管理服務器，從而監控安檢設備。

軟件監控平臺分為3個子系統：用戶管理系統、安檢門和倉儲遠程監控系統及貨物定位監控系統。其中，用戶管理系統的功能任務包括用戶登錄、用戶密碼修改、用戶權限修改、新用戶注冊以及刪除無效用戶等。在整個系統啟動后，首先進入的界面就是用戶管理系統中的用戶登錄，只有符合條件的用戶才能對后續系統進行操作；安檢門和倉儲遠程監控系統監測安檢門和倉儲區域的貨物狀態，統計通過的貨物信息和數量；貨物定位系統用來實現物品的位置查詢、定位顯示等功能，當輸入或選擇貨物對應的卡號時，能夠在模擬的定位區域圖中顯示所處的功能區域，同時在文本顯示列表中實時顯示所有貨物所在的位置信息。

5結束語

本文提出、設計和實現了一種基于物聯網的新型航空物流管理系統，通過搭建RFID采集終端、ZigBee無線傳感網絡及基于LabVIEW的航空貨物遠程監控平臺，并針對貨物定位功能需求提出一種基于RSSI改進的加權質心定位算法，實現了局域網內用戶對航空貨物的遠程監控。測試結果表明，系統滿足設計要求，能夠有效提高機場航空物流的管理效率，解決了傳統人工航空物流管理效率低、信息化程度低的問題。

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Research on the Aviation Logistics Management System Based on the Internet of Things

Abstract：According to the shortage of domestic aviation logistics management, the strategy of remote monitoring and management system based on Internet of things for aviation logistics is studied.The system is set up on the basis of data acquisition terminal, wireless sensor network, and remote monitoring platform.The hardware system of RFID acquisition terminal is designed, the air cargo sensor network based on ZigBee technology in airport security and storage area is established, and the networking process of wireless network is given.In accordance with the demand for goods positioning function, an improved trilatend centroid algorithm based on RSSI is proposed.Through Matlab simulation, it is verified that the improved algorithm can effectively enhance the positioning accuracy; the design implements the air cargo remote monitoring platform based on LabVIEW, and the remote monitoring of the air cargo is realized for users within LAN.Experimental results show that this system can effectively improve the management efficiency of airport aviation logistics.

Keywords:Logistics managementIoTRFIDZigBeePositioningRSSIAviationRemote monitoringWireless communication

中圖分類號：TH86;TP239

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606017

修改稿收到日期：2015-10-31。

作者鄒霞玲(1966-)，女，1988年畢業于江西師范大學數學專業，獲學士學位，副教授；主要從事計算機應用技術方向的研究。