基私有協議的鐵路物流電子識別系統研究

李衛東，郭鵬，初憲武，徐金鈺，牛娃

(1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028; 2.中央財經大學 信息學院，北京 100081)

基私有協議的鐵路物流電子識別系統研究

李衛東1，郭鵬1，初憲武1，徐金鈺1，牛娃2

(1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028; 2.中央財經大學 信息學院，北京 100081)

為提高鐵路貨運效率和完善對物流信息的采集、存儲和更新，提出一種基于私有協議的鐵路物流電子識別系統.該系統采用433.2 MHz頻段進行廣播巡檢，對貨物上的電子標簽輪尋點名，從根本上改變現有射頻卡的被動搜索技術，有效避免了信息碰撞現象的發生.采用433.2 MHz私有協議進行通信，也有效避免了貨物信息在傳輸過程中因信道被占用而導致的信號干擾、信息傳輸錯誤等問題的發生.

433.2 MHz私有協議；電子標簽；物流；信息采集

0 引言

鐵路運輸以其運量大、運費低、安全可靠等特點，在貨運領域具有較大的競爭優勢，尤其是隨著快遞行業的蓬勃崛起[1]，鐵路運輸再一次迎來了發展機遇，如今已在我國的物流行業中占有相當大的比重.然而，快速發展的背后依然存在許多不足，比如：鐵路貨運硬件設施比較落后、貨物信息采集和捕捉能力較差等，這就難以避免會造成貨物在運輸過程中不能及時更新物流信息，甚至丟失等嚴重后果.因此，為提高對貨物信息采集、處理和傳輸的效率和準確度等問題，以及進一步實現鐵路物流乃至整個物流行業的信息化、智能化，鐵路物流電子識別系統應運而生.本文分析了現有的基于RFID的鐵路物流電子識別系統存在的被動識別等不足[2]，并提出了一種基于433.2 MHz私有協議的鐵路物流電子識別系統，通過實驗測試，驗證了該系統的優越性.

1 鐵路物流電子識別系統

所謂鐵路物流電子識別系統，指的是將自動識別系統與計算機技術相結合，應用于鐵路物流行業，再利用無線通信技術和計算機網絡技術，搭建一個完善的貨物追蹤系統平臺，從而實現對貨物信息的自動采集、傳輸和共享[3].相比于傳統的手動掃碼和人工錄入信息，電子識別系統極大地提高了工作效率，節省了工作時間和人工成本，實現了物流信息管理的數字化、智能化和去人工化，減少了因貨物包裝過小等原因造成的漏檢及丟失現象的發生，同時實現了對貨物的系統化管理和全程追蹤[4- 5].如圖1所示，為鐵路物流電子識別系統布置圖.

圖1 鐵路物流電子識別系統布置圖

2 基于私有協議的鐵路物流電子識別系統

2.1 基本組成

本文研究智能識別技術在鐵路物流系統中的應用，解決信息碰撞及漏讀等問題，在此基礎上設計功能模塊，綜合無線傳輸技術、嵌入式軟件、電子電路、CAN總線體系在工業檢測和信息傳輸中的應用，以及物流管理軟件的相關技術，設計一種基于私有協議的鐵路物流電子識別系統.

該系統主要由貨物電子標簽(A型、B型)、站場識別器、車廂識別器、中繼器、傳輸接口、手持式識別器、貨物電子標簽擦寫器[6-7]、通信電纜、以太網設備、電源組和相應的上位機物流管理系統軟件組成.

2.2 工作原理及流程

電子標簽發出具有代表貨物身份唯一性特征的貨物信息；車廂識別器接收來自電子標簽的信息并進行存儲，同時對貨物進行上(下)車狀態的識別判斷，通過WiFi通信協議把貨物信息、上(下)車時間、上(下)車狀態等數據傳輸給站場識別器；站場識別器接收并儲存來自車廂識別器的數據，同時對該車廂識別器的進站和離站時間進行識別判斷，最后通過CAN總線或以太網的方式把貨物信息、車廂識別器的進站和離站時間等數據傳輸給中繼器或傳輸接口；車站中心計算機(主機)從傳輸接口接收站場識別器發送的信息，并對信息進行分析處理，打包形成文件，共享至整個物流網絡平臺，便于工作人員管理及客戶查詢，系統工作流程如圖2所示.

圖2 系統工作流程圖

為保證信息的準確可靠，本系統設有手持式識別器，主要用于貨物裝卸、貨物運載車廂及貨運倉庫等處，對貨物編碼進行二次識別.除此之外，為降低系統運營成本，設有專門的貨物電子標簽擦寫器，實現貨物電子標簽的重復使用.

2.3 技術特點分析

目前應用比較廣泛的是基于RFID鐵路物流電子識別系統.射頻識別技術(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性[8]，實現對被識別物體的自動識別并進行通信和交換數據[9].在實際應用中，貨物電子標簽充當傳感器節點，識別器則可視為匯聚節點，而整個系統則可以看做是一個無線傳感器網絡，系統處于工作狀態時，匯聚節點負責收集各傳感器節點發送的數據信息.然而，由于眾多傳感器節點同時向匯聚節點發送數據[10- 12]，導致傳輸過程實際呈現出一種“多對一”的工作狀態，這就導致系統在工作時在所難免會出現信息碰撞現象.這種“多對一”的情況體現得越明顯，信息碰撞發生的概率越大.

本設計最突出的特點是車廂識別器采用433.2 MHz頻段不斷廣播巡檢模式，對貨物電子標簽進行輪尋點名，只有被點名的標簽才會響應該并發送數據，其他標簽不會發送信息，從而有效避免信息碰撞現象的發生.這就類似于老師課前的點名過程，只有被喊到名字的同學才會進行回應.電子標簽在大多數時候處于休眠和監聽模式，對空間無線載波信號進行監聽，當監聽到點名信息后自動轉入工作模式：此時，若空間沒有其他電子標簽發送數據，則被點名的標簽向車廂識別器發送信息.待電子標簽收到車廂識別器的反饋信息，確定所發數據已被準確收到之后，再次轉入休眠狀態，等待下一次被點名.這種應答方式的優點是能夠有效減少流量和功耗，并且避免同一電子標簽頻繁發送數據，車廂識別器的反饋信息則是為了確保標簽信息確實被識別器收到，防止信息漏讀誤讀.但是，如果收到點名信息的同時檢測到空間有其他電子標簽對點名發出響應并發送載波信號時，則暫時停止響應并轉入監聽模式，等待空間沒有其他電子標簽發送數據時再啟動響應.為了保證采集信息的準確性，整個通訊過程中的信息都加有校驗位，系統會將由于干擾或碰撞導致的通訊錯誤數據進行丟棄.本設計中的鐵路物流電子識別系統，其通訊距離可達70 m(工作范圍100 m)，在合適的工作距離可確保上述工作過程實現多個周期的重復運行，從而大大減少因各種原因造成的貨物信息丟失、漏讀和誤讀.

3 系統測試

3.1 試驗設備

本次系統測試選取50個貨物電子標簽，車廂識別器、站場識別器、中繼器各1個，2個電源可同時為車廂識別器、站場識別器和中繼器供電的電源.其中，貨物電子標簽與車廂識別器之間、車廂識別器與站場識別器之間分別通過433.2 MHz私有協議和WIFI技術進行通信、站場識別器與中繼器之間及中繼器與通信接口之間分別通過2 km CAN總線電纜連接、通信接口與信息采集端通過RS232串行接口進行通信.如圖3所示為電子識別系統實物連接圖.

圖3 電子識別系統連接實物圖

3.2 測試方法及數據

將設備通電，進行貨物信息采集測試.該過程中，車廂識別器收集貨物電子標簽信息并打包，將貨物信息發送給站場識別器，經過反復測試，信息采集端能夠快速準確地將貨物信息進行采集，采集結果如圖4所示.其中地址2代表站名、狀態0表示貨物當前處于車廂中，由于貨物沒有離開車廂 ，因此上車時間與下車時間相同.

圖4 貨物上車狀態測試

再將貨物電子標簽電源斷開，此時車廂識別器將不再收到貨物信息，說明貨物已經下車，那么當再次經過站場識別器時，車廂識別器會將最新的貨物狀態信息打包發送給站場識別器，最后站場識別器經CAN總線、中繼器以及通信接口將獲取的信息傳送到信息收集終端，及時更新貨物狀態.經測試，貨物下車信息可在2～3 min左右完成更新.測試結果如圖5所示.從圖中可以看出，貨物狀態顯示1，表示貨物已經下車，此時下車時間也進行了更新，不再與上車時間相同.由于本次測試是在實驗室進行，而地址信息代表的是站場識別器所在的車站位置，因此下車測試時地址信息并沒有發生變化，在實際應用中，地址信息將與最近一次更新物流信息時的站場識別器所在車站保持一致.

圖5 貨物下車狀態測試

3.3 測試結論

(1)通過以上測試可知，本系統能夠達到預期效果，實現鐵路物流運輸過程中對貨物信息采集和及時更新的要求，并且本系統中的車廂識別器、站場識別器和中繼器均采用有源方式，能夠使系統更加穩定地工作，確保了貨物信息采集過程的順利完成;

(2)隨機分布電子標簽位置，并每隔10 min對系統進行一次測試，進行20次測試后的統計結果表明，共出現上(下)車狀態采集錯誤1次、漏讀1次.可見該系統工作穩定，信息采集準確率高，符合預期目標.

[1]張曉東, 萬濤.我國鐵路物流的新進展及2008年展望[J].鐵路采購與物流，2008,3(3):15- 16.

[2]李樹章.提高鐵路集裝箱信息化管理水平的探討[J].鐵道貨運,2008(7):34- 35.

[3]郝文瑞.RFID技術在倉儲管理系統中的應用[D]．成都：西南交通大學,2011.

[4]陳喜明．鐵路集裝箱全程物流服務信息系統關鍵技術的研究[D]．北京:北京交通大學,2008.

[5]劉永亮.那曲物流中心信息系統設計與實現[D].成都：西南交通大學,2012.

[6]張志剛,張志榮．中鐵快運物聯網應用系統軟件架構研究[J]．大連交通大學學報,2014，35(6):89- 92.

[7]張志榮,王大偉.物聯網環境下中鐵快運物流管理運作模式[J]．大連交通大學學報,2014,35(3):27- 31．

[8]李飛高,孫雷明．淺析RFID射頻識別技術[J].數字技術與應用,2012(5):200- 200.

[9]戴剛,劉沅杰,郝俊華.基于RFID的物聯網研究與應用[J].廣東通信技術,2010,30(10):15- 17.

[10]高雷,鄭相全.基于MSP430的WSN雙向鏈路設計[J].計算機工程,2010,36(16):103- 105.

[11]劉志強.無線傳感器網絡分環分簇路由算法[D].浙江大學,2010.

[12]范延彬,王超.基于WSN的小麥倉儲環境監測系統研究[J].無線互聯科技,2015(5):56- 57.

A Railway Logistics Electronic Identification System based on Private Protocol

LI Weidong1,GUO Peng1,CHU Xianwu1,XU Jinyu1,NIU Wa2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Information,Central University of Finance and Economics,Beifing 100081,China)

In order to improve the efficiency of rail freight and logistics information collection,storage and update，a railway logistics electronic identification system is proposed based on private protocol.The system adopts 433.2 MHz spectrum for broadcasting and patrolling,and to roll call the electronic tags on the goods,which leads to fundamental changes to the passive searching technology of existing radio frequency card,avoiding information collisions effectively.Communication with 433.2 MHz private protocol can also effectively avoid problems shch as signal interference and information transmission errors which is caused by occupied channel.

433.2 MHz private protocol；electronic tags；logistics；information collection

1673- 9590(2017)04- 0160- 04

2016- 09- 06

國家自然科學基金資助項目(61471080)；遼寧省自然科學基金資助項目(201602110)

李衛東(1963-)，男，教授，博士，主要從事鐵路信息與通信智能化技術、復雜系統分析與控制等方面的研究E-mail:li@djtu.edu.cn.

A