基于RFID與WSN技術融合的物流系統架構設計

郭慶　姚敏

摘要：信息化和物流過程透明化是現代物流業區別于傳統物流業特點。結合物流業工作流程，提出了基于RFID和WSN技術融合的物流系統架構，設計了融合RFID技術和WSN技術的智能節點，實現了集自動身份識別、自動環境信息采集以及綜合數據傳輸功能于一體的智能化數據處理節點，顯著地提高了現代物流業的信息采集和處理能力。

關鍵詞關鍵詞：現代物流；RFID；WSN；技術融合

DOIDOI：10.11907/rjdk.171767

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011016003

0引言

物流行業作為服務業的重要組成部分，在我國社會經濟活動中扮演著越來越重要的角色。傳統意義上的物流是制品從生產地到最終消費者的物理性轉移活動，具體包括包裝、裝卸、運輸、保管以及信息傳輸等活動[1]。

信息化是現代物流業區別于傳統物流業的最大特征。通過物流作業系統和物流信息系統的高度集成，使現代物流行業與電子商務企業及物聯網企業的聯系越來越緊密。物流過程的透明化與可控性是現代物流業的另一個特征。將RFID和WSN兩種平行發展且具有互補優勢的技術相融合，應用于現代物流業，使所有物流參與者都可依托強大的信息獲取能力與交流平臺共享和利用物流信息，有助于物流業提高運行效率，降低運行風險，從而給現代物流業帶來又一次大發展。

1RFID與WSN技術融合在現代物流業的應用可行性分析

物流參與者最關心物流過程中的4個要素，分別為Who、What、Where、When，即哪件貨物在什么時候、什么地方處于什么狀態。RFID技術負責識別貨物是Who以及當前時間When，WSN技術則負責監測貨物的當前位置Where和當前狀態What，其中包括貨物的溫度、壓力、濕度、受力、濃度等狀態信息[2]。物流企業能通過RFID和WSN技術獲得海量物流數據，從而對物流運輸路徑優化、運能調配等決策作出調整。同時貨物托運方也能通過物流企業的互聯網查詢平臺實時了解托運貨物的狀態。

WSN節點價格低、抗干擾能力強，以及信息感知和數據傳輸距離較遠的優點可以彌補RFID系統抗干擾能力弱、識別距離近的缺點[3]，而RFID識別精度較高的優點也彌補了WSN感知精度低的缺點。所以RFID技術與WSN技術的融合能在維持較低成本的條件下提高物流系統的信息獲取和利用效率，具有較高性價比和廣泛的市場應用前景。

2基于RFID與WSN技術融合的物流系統

本文在對傳統物流業工作流程分析的基礎上提出了基于RFID與WSN技術融合的物流系統（WSID，Wireless Sensor Identification Logistics System）。利用RFID與WSN技術自動識別、自動感知、自動傳輸的優點，解決了傳統物流業信息獲取效率低、信息利用度低以及運輸過程不可監控的缺點。

本文設計的WSID物流系統由數據感知層、數據管理與應用層兩層架構組成，系統結構如圖1所示。

圖1WSID物流系統結構

數據感知層是WSID物流系統建立物理實體與抽象數據信息映射關系的基礎，是由智能節點、RFID標簽、WSN節點組成的分層結構的信息感知網絡。

每件貨物外包裝上粘貼的RFID標簽里都存儲有貨物名稱、重量等貨物身份信息，用于WSID物流系統對貨物身份的識別；每輛貨運車輛內粘貼的車輛識別標簽里存儲有車輛號牌、車輛載重噸位等車輛信息數據，用于車輛身份識別與貨物信息綁定；分布于物流倉儲區各倉庫大門處的倉庫智能節點分別負責本倉庫貨物出入庫時的身份識別，感知倉庫環境數據等倉儲信息；分布于倉儲區和物流中轉區的ZigBee路由器將所有智能節點采集到的數據信息轉發給數據管理與應用層。

當運輸車輛在運輸途中需要上傳自身貨運信息時，車上的車輛智能節點和全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊也可通過通用分組無線服務（General Packet Radio Service， GPRS）技術把各自采集到的數據信息轉發給WSID物流系統的數據管理與應用層。

數據管理與應用層是WSID物流系統的數據接口，它接收來自于數據感知層的原始數據，這些數據經系統服務器的解析、分類、過濾，最終存儲在系統數據庫中供系統使用。數據管理與應用層是WSID物流系統的硬件控制接口，當WSID物流系統需要配置數據感知層的某些底層感知設備時，數據管理與應用層會將具體配置指令通過ZigBee路由器推送給這些感知設備。數據管理與應用層還是WSID物流系統與上層應用程序的接口，它能向所有物流行為的參與者提供具體的數據信息服務和管理服務。

3系統硬件平臺架構

WSID物流系統中集成了無線傳感器節點的RFID閱讀器，是整個系統數據采集工作的重點環節。通常RFID閱讀器是通過有線網絡與用戶及后臺數據庫系統相連，它只負責讀寫RFID標簽數據。而集成了無線傳感器節點的RFID閱讀器還具有感知區域環境信息和無線通信能力，可以和周邊的無線傳感器節點協作，以多跳方式轉發和傳輸數據，因此也被稱為智能節點（Smart Node）。智能節點由無線傳感器單元、閱讀器單元、電源、微控制器單元組成。智能節點結構如圖2所示。

圖2智能節點結構

WSID物流系統要求智能節點具有較強的數據處理和通信能力、較強的硬件控制能力以及豐富的硬件接口資源。本文的智能節點微控制器選用三星公司基于ARM920T核心的S3C2440處理器。S3C2440是16/32位RISC嵌入式處理器，其低功耗全靜態的設計兼顧了系統成本與系統功率[4]，使其成為被廣泛應用的一款ARM9處理器。

當前應用較多的UHF RFID讀寫器控制芯片有Intel公司的R1000和R2000芯片、PHYCHIPS公司的PR9000芯片以及奧地利微電子AMS公司的AS399X系列芯片。本文采用AMS公司的AS3992芯片實現射頻收發模塊功能，AS3992芯片集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環、A/D及D/A轉換器等模擬前端器件，內置ISO/IEC18000-6C的完整協議處理系統[5]。endprint

為配合工作于UHF頻段的RFID閱讀器，本文選取集成Alien H3芯片的RFID標簽作為貨物身份識別載體。Alien H3是一款支持EPC global class1 Gen2規范的單芯片RFID標簽集成電路，它使用低成本的CMOS工藝和EEPROM技術，保證了芯片在極低功率下仍能正常響應閱讀器的讀取指令。它提供了64位工廠編程設置的ID號，與EPC編碼相結合，為需要標識的貨物提供唯一的身份編碼。它還向用戶提供512位的存儲空間，可存儲貨物的簡單特征信息[6]。Alien H3芯片結構如圖3所示。

圖3Alien H3芯片結構

作為數據采集和傳輸平臺的基礎，無線傳感器芯片的處理能力非常重要。本文選用德州儀器TI公司生產的CC2530型芯片作為無線傳感器芯片。CC2530集成了性能優良的2.4GHzRF收發器，支持IEEE802.15.4、ZigBee和TI公司的Z-Stack協議，其內核為增強型8051MCU[7]。CC2530系統芯片具有32KB、64KB、128KB、256KB閃存容量，提供2個USART、12位ADC等豐富的外設。CC2530功耗較低，供電電壓在2V～3.6V之間，主動模式時RX電流為24mA，TX電流為29mA。本文設計的智能節點硬件框架如圖4所示。

圖4智能節點硬件框架

當智能節點上電后，首先進行各部件系統的初始化操作，之后進入等待指令狀態。當智能節點控制器接收到應用程序發來的操作指令后，先判斷其是針對RFID閱讀器的操作還是WSN節點的操作。如果是RFID的讀標簽指令，則向AS3992發出讀標簽指令，AS3992閱讀器在經過標簽數據CRC循環冗余校驗和防碰撞處理后，判斷標簽數據是否讀取成功，如成功讀取則將數據通過串口返回給微控制器S3C2440，并再次進入等待指令狀態。如果智能節點控制器接到的是針對WSN節點的操作指令，則CC2530再判斷該指令是否是由微控制器S3C2440發來的，如果是，則將S3C2440發來的數據轉發給指令指定的節點；如果不是，則認為是針對RFID閱讀器的操作指令，將其通過串口轉發到S3C2440。智能節點工作流程如圖5所示。

圖5智能節點工作流程

4結語

本文通過將RFID與WSN技術融合的方式設計了WSID物流系統，將RFID自動識別物體的準確性、無線傳感器網絡自動感知環境信息以及無線傳輸數據的優點相結合，綜合應用于物流業，解決了現代物流業信息化與物流過程透明化的需求。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：黃健）endprint