基于RFID與WSN集成的倉儲智能定位系統(tǒng)研究

張海玲，馮鋒

（寧夏大學 數(shù)學計算機學院，寧夏 銀川　750021）

基于RFID與WSN集成的倉儲智能定位系統(tǒng)研究

張海玲，馮鋒

（寧夏大學 數(shù)學計算機學院，寧夏 銀川750021）

針對倉儲管理中貨物定位精度和覆蓋率問題，基于無線射頻識別（Radio Frequency Identify，RFID）與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)對傳統(tǒng)的定位方法進行有效地改進。通過將智能節(jié)點分為帖附于貨物表面的傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點兩類，傳感節(jié)點將RFID閱讀器、RFID標簽與Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相集成，既可用于標識物品，也可作為閱讀器使用，自組織形成路由將采集數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點。這種定位方法提高了待定位貨物的精度和智能節(jié)點的覆蓋范圍，傳感器節(jié)點的布置也有較高的靈活性，有效減少倉儲管理的成本。

RFID；WSN；集成技術(shù)；倉儲定位

全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展使得企業(yè)的采購、倉儲、銷售、配送等協(xié)作關(guān)系日趨復雜，企業(yè)間的競爭已不僅是產(chǎn)品性能和質(zhì)量的競爭，也包含物流能力的競爭［1］。而倉儲的管理在企業(yè)供應鏈中起到了決定性的作用，利用信息技術(shù)代替實際操作，可減少浪費，節(jié)約時間和費用，從而實現(xiàn)供應鏈的無縫對接和整合。實現(xiàn)物流數(shù)據(jù)共享、提高貨物和資金的周轉(zhuǎn)率、提高工作效率，達到與現(xiàn)代化倉儲管理同步的信息化流程［2］。

RFID技術(shù)在倉儲物流領(lǐng)域的應用可以實現(xiàn)對企業(yè)物流進行智能化、信息化管理，而且可以實現(xiàn)自動記錄貨物出庫信息、智能倉儲盤點、記錄及發(fā)布貨物的狀態(tài)信息、輸出車輛狀態(tài)報表等［3-4］。將RFID技術(shù)應用在倉儲物流領(lǐng)域，保證了倉儲物流過程中各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速度和準確性，確保倉儲管理人員及時準確地掌握庫存的真實數(shù)據(jù)，合理保持和控制庫存。通過科學的編碼，確定所有倉儲貨物當前所在的位置，有利于提高倉儲管理的工作效率［5］。而數(shù)據(jù)傳輸則采用WSN中的Zigbee技術(shù)進行，Zigbee是一種新的無線技術(shù)，根據(jù)IEEE 802.15.4個域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標準而建立起來的，為設(shè)備提供低成本和低功耗的連接，要求電池壽命達到從幾個月到幾年的時間，廣泛適用于標準的無線技術(shù)、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低能量消耗、簡單的和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)［6］。

1　相關(guān)研究

倉儲物流是以滿足供應鏈上下游的需求為目的，在特定的有形或無形場所，運用現(xiàn)代技術(shù)對物品的進出、倉儲、揀貨、盤點、發(fā)貨及其信息進行有效的計劃、執(zhí)行和控制的物流活動。隨著供應鏈管理的發(fā)展，企業(yè)越來越多地強調(diào)倉儲在供應鏈中重要地位，并逐步實現(xiàn)了將倉儲管理系統(tǒng)作為核心的轉(zhuǎn)化［7-8］。可以概括為，倉儲在物流和供應鏈中的地位是物流與供應鏈中庫存控制中心，是物流與供應鏈中的調(diào)度中心，是物流與供應鏈中的增值服務(wù)中心，還是現(xiàn)代物流設(shè)備與技術(shù)的主要應用中心，供應鏈系統(tǒng)典型的工作流程圖如圖1所示。

RFID與WSN技術(shù)作為21世紀最重要的信息技術(shù)之一，供應鏈管理被認為是其應用的最大舞臺。它的優(yōu)點是利用無線電進行信息的傳輸和識別，可以快速地進行貨物的追蹤和數(shù)據(jù)交換。但根據(jù)本文研究發(fā)現(xiàn)，其缺點如下：在采用RFID閱讀器與Zigbee集成技術(shù)定位算法中，通常采用RSSI獲得智能節(jié)點與待定位貨物距離估計，并采用三邊測量法來估計自己的位置。在二維空間內(nèi)確定一個貨物的坐標需要知道3個共面的智能節(jié)點的位置信息以及貨物節(jié)點到它們的距離［9-10］，如圖2所示。

圖1　物流系統(tǒng)典型的工作流程圖

圖2　三邊測量定位圖

設(shè)貨物節(jié)點的坐標為（x，y），已知3個智能節(jié)點的坐標分別為 （x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）未知節(jié)點到智能節(jié)點的距離分別為d1、d2、d3可得式（1）方程組：

聯(lián)立方程組，如式（2）所示，可以計算出待定位未知節(jié)點的坐標（x，y）：

在基于RFID與Zigbee集成技術(shù)定位算法中，傳統(tǒng)的三邊測量法并未考慮待定位貨物節(jié)點離智能節(jié)點距離較遠或相互疊放，并未被3個智能節(jié)點讀取的定位問題。若某一位置的貨物節(jié)點到智能節(jié)點采集的距離值少于3個時，會影響貨物的定位精度，射頻信號達不到有效的覆蓋范圍。

2　改進定位方法

對于上述提到的定位缺陷，文中提出了一種有效的彌補了射頻信號覆蓋不完全和空隙區(qū)域的定位，提高了待定位貨物的精度和智能節(jié)點的覆蓋范圍。

2.1定位原理

RFID在供應鏈中的典型應用模式是倉儲的定位應用，在技術(shù)實現(xiàn)上，可將RFID標簽貼在托盤、包裝箱或者元器件上，進行元器件規(guī)格、序列號等信息的自動存儲和傳遞［11］。RFID標簽能將信息傳遞到一定距離范圍內(nèi)的讀寫器，使得倉儲和車間不需要使用手持條形碼讀寫器對元器件和成品逐個掃描條形碼［12］。這種模式在一定程度上減少了遺漏情況的發(fā)生，大幅度提高了工作效率，而且還可以大幅度削減成本和清理供應鏈中的障礙。WSN采用Zigbee進行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee是一種近距離無線自組網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，具有低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點，因此在倉儲定位領(lǐng)域具有非常強的可應用性［13］。

文中將RFID讀卡器、RFID標簽與Zigbee傳感器節(jié)點組成兩種集成方式，這種集成網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如圖3所示，類似于基于層次聚類的兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。集成RFID讀卡器/ RFID標簽/傳感器節(jié)點可附于貨物表面，RFID讀卡器用來擴展它們的感知能力，這種智能節(jié)點能夠轉(zhuǎn)發(fā)信息并且可以被配置為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，它們可以通過創(chuàng)建自組織網(wǎng)來相互通信。集成RFID讀卡器/傳感器的智能節(jié)點可讀取臨近貨物的RFID標簽號，并向基站節(jié)點傳送。

圖3　數(shù)據(jù)采集過程圖

2.2定位方法實現(xiàn)

具體定位方法如圖4所示，倉庫定位區(qū)域共分為A、B、C、D、E共5個區(qū)域，其中以A區(qū)域為例進行描述，本文將RFID讀卡器、RFID標簽與Zigbee傳感器節(jié)點組成兩種集成方式：1）集成RFID讀卡器/RFID標簽/傳感器節(jié)點稱作傳感器節(jié)點，可附于貨物表面，即可作為RFID標簽標識貨物唯一的ID號，也可作為閱讀器采集臨近貨物的ID號，并且還能夠作為路由器傳送信息到正確的目的地。這些智能節(jié)點通過自組織形成網(wǎng)絡(luò)，并負責收集來自通信范圍內(nèi)的RFID標簽的數(shù)據(jù)，通過互相通信來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，如區(qū)域A內(nèi)所示節(jié)點。2）集成RFID讀卡器/傳感器節(jié)點也可稱為匯聚節(jié)點，負責采集上述傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，也可作為閱讀器采集臨近貨物的ID號，并將采集結(jié)果上傳到基站節(jié)點，如區(qū)域A邊界上所示節(jié)點。

基站節(jié)點負責采集匯聚節(jié)點的全部數(shù)據(jù)，如圖4區(qū)域E中間位置所示，降冗余處理后，采用基于三邊測量依次定位的算法進行定位分析。如圖4區(qū)域A所示，假設(shè)傳感器節(jié)點a1已被3個匯聚節(jié)點檢測到進行有效地定位，但傳感器節(jié)點a2未被3個匯聚節(jié)點檢測到，則可將已知定位坐標的a1節(jié)點用作RFID標簽閱讀器，對a2進行定位。

圖4　倉庫區(qū)域內(nèi)結(jié)點布置描述圖

3　定位覆蓋率分析

設(shè)倉儲定位區(qū)域A、B、C、D各為100 m*100 m的正方形，每個區(qū)域布置5個匯聚節(jié)點，信號半徑為16 m，并在隨機位置中，從10到200逐漸增加貨物，實驗結(jié)果取4個區(qū)域中的平均值。將傳統(tǒng)的定位方法與改進的定位方法的覆蓋率進行比較，隨著貨物的增加，智能傳感器節(jié)點的數(shù)量也相應增加，改進方法的定位覆蓋范圍逐漸提高，不會因為貨物的增加、層疊而出現(xiàn)覆蓋率的減少。在傳統(tǒng)方法中，當智能傳感器節(jié)點數(shù)量較少或物品層疊堆放時，未知節(jié)點由于不能被智能節(jié)點讀取，故不能計算坐標位置，因此，覆蓋率只有40%左右。從圖5可以看出，改進方法在定位覆蓋率明顯高于傳統(tǒng)方法，智能傳感器節(jié)點的布置也有較高的靈活性，隨著貨物的數(shù)量的增多逐漸增加，大大降低了倉儲系統(tǒng)的成本。

圖5　定位覆蓋率

4　結(jié)束語

倉儲作為物流系統(tǒng)的一部分，它在原產(chǎn)地、消費地，或者在這兩地之間存儲管理物品，并且向管理者提供有關(guān)存儲物品的狀態(tài)、條件和處理情況等信息。從物流發(fā)達國家看，倉儲在物流戰(zhàn)略中的重要性日益提高，在物流管理中占據(jù)著核心的地位，并成為供應鏈管理的核心環(huán)節(jié)［14-15］。而精確倉儲定位需要布置大量智能節(jié)點，文中針對此類情況進行有效的改進，將智能節(jié)點分為帖附于貨物表面的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點兩類，傳感節(jié)點將RFID閱讀器、RFID標簽與Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相集成，即可用于標識物品，也可作為閱讀器使用，自組織形成路由將采集數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點。可在一定數(shù)量的匯聚節(jié)點下，文中提出的方法并沒有隨著物品的增多而影響覆蓋范圍，相反逐漸增加，傳感器節(jié)點的布置也有較高的靈活性，大大降低了倉儲系統(tǒng)的成本。

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Research of the warehouse intelligent positioning system integration RFID and WSN

ZHANG Hai-ling，F(xiàn)ENG Feng
（College of Mathematics&Computer Science，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Focus on the problem of positioning accuracy and coverage of goods in warehouse management，the traditional positioning method was improved effectively based on Frequency Identify（RFID）and Wireless Sensor Network（WSN）technology.Dividing intelligent nodes into sensor nodes attaching to the surface and gathering node，and sensor nodes integrates RFID Reader，RFID tags and Zigbee wireless sensor network together，which can be used to identify objects and as a reader，and self-organization formation routing uploads the collected data to the node.This localization method improves the precision of the goods to be located and the coverage of the intelligent node，with high flexibility of sensor nodes，which can effectively reduce the cost of storage management.

RFID；WSN；integration technology；storage location

TN919；TP393

A

1674-6236（2016）14-0133-03

2016-01-18稿件編號：201601133

國家自然基金資助項目（71561023）；寧夏大學研究生創(chuàng)新項目（GIP2015037）

張海玲（1990—），女，寧夏鹽池人，碩士。研究方向：信息系統(tǒng)工程、RFID射頻識別、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。