1、基于 RFID 与 WSN 技术融合的物流系统架构设计 郭庆 姚敏 南京工业大学计算机科学与技术学院 南京工业大学网络中心 摘 要： 信息化和物流过程透明化是现代物流业区别于传统物流业特点。结合物流业工作流程, 提出了基于 RFID 和 WSN 技术融合的物流系统架构, 设计了融合 RFID技术和 WSN 技术的智能节点, 实现了集自动身份识别、自动环境信息采集以及综合数据传输功能于一体的智能化数据处理节点, 显著地提高了现代物流业的信息采集和处理能力。关键词： 现代物流; RFID; WSN; 技术融合; 作者简介：郭庆 (1975-) , 男, 江苏南京人, 硕士, 南京工业大学计算机与科
2、学学院计算中心实验师, 研究方向为计算机网络与无线射频识别;作者简介：姚敏 (1975-) , 女, 江苏南京人, 硕士, 南京工业大学网络中心高级工程师, 研究方向为计算机网络。收稿日期：2017-06-01Design of Logistics System Architecture Based on RFID and WSN Technology IntegrationGUO Qing YAO Min College of Computer Science an Technology, Nanjing Tech University; Network Center, Nanjing Te
3、ch University; Abstract： The transparency of informatization and logistics process is the distinguishing feature of modern logistics industry from traditional logistics.Based on the workflow of the logistics industry, this paper proposes a logistics system framework based on the integration of RFID
4、and WSN technology, and designs an intelligent node integrating RFID technology and WSN technology.It realizes intelligent data processing node integrating automatic identification and automatic collection of environmental information and comprehensive data transmission function.Significantly improv
5、e the modern logistics industry information collection and processing capabilities.Keyword： modern logistics; RFID; WSN; integration; Received： 2017-06-010 引言物流行业作为服务业的重要组成部分, 在我国社会经济活动中扮演着越来越重要的角色。传统意义上的物流是制品从生产地到最终消费者的物理性转移活动, 具体包括包装、装卸、运输、保管以及信息传输等活动1。信息化是现代物流业区别于传统物流业的最大特征。通过物流作业系统和物流信息系统的高度集成,
6、使现代物流行业与电子商务企业及物联网企业的联系越来越紧密。物流过程的透明化与可控性是现代物流业的另一个特征。将 RFID和 WSN 两种平行发展且具有互补优势的技术相融合, 应用于现代物流业, 使所有物流参与者都可依托强大的信息获取能力与交流平台共享和利用物流信息, 有助于物流业提高运行效率, 降低运行风险, 从而给现代物流业带来又一次大发展。1 RFID 与 WSN 技术融合在现代物流业的应用可行性分析物流参与者最关心物流过程中的 4 个要素, 分别为 Who、What、Where、When, 即哪件货物在什么时候、什么地方处于什么状态。RFID 技术负责识别货物是Who 以及当前时间 Wh
7、en, WSN 技术则负责监测货物的当前位置 Where 和当前状态 What, 其中包括货物的温度、压力、湿度、受力、浓度等状态信息2。物流企业能通过 RFID 和 WSN 技术获得海量物流数据, 从而对物流运输路径优化、运能调配等决策作出调整。同时货物托运方也能通过物流企业的互联网查询平台实时了解托运货物的状态。WSN 节点价格低、抗干扰能力强, 以及信息感知和数据传输距离较远的优点可以弥补 RFID 系统抗干扰能力弱、识别距离近的缺点3, 而 RFID 识别精度较高的优点也弥补了 WSN 感知精度低的缺点。所以 RFID 技术与 WSN 技术的融合能在维持较低成本的条件下提高物流系统的信
8、息获取和利用效率, 具有较高性价比和广泛的市场应用前景。2 基于 RFID 与 WSN 技术融合的物流系统本文在对传统物流业工作流程分析的基础上提出了基于 RFID 与 WSN 技术融合的物流系统 (WSID, Wireless Sensor Identification Logistics System) 。利用 RFID 与 WSN 技术自动识别、自动感知、自动传输的优点, 解决了传统物流业信息获取效率低、信息利用度低以及运输过程不可监控的缺点。本文设计的 WSID 物流系统由数据感知层、数据管理与应用层两层架构组成, 系统结构如图 1 所示。图 1 WSID 物流系统结构 下载原图数据感
9、知层是 WSID 物流系统建立物理实体与抽象数据信息映射关系的基础, 是由智能节点、RFID 标签、WSN 节点组成的分层结构的信息感知网络。每件货物外包装上粘贴的 RFID 标签里都存储有货物名称、重量等货物身份信息, 用于 WSID 物流系统对货物身份的识别;每辆货运车辆内粘贴的车辆识别标签里存储有车辆号牌、车辆载重吨位等车辆信息数据, 用于车辆身份识别与货物信息绑定;分布于物流仓储区各仓库大门处的仓库智能节点分别负责本仓库货物出入库时的身份识别, 感知仓库环境数据等仓储信息;分布于仓储区和物流中转区的 ZigBee 路由器将所有智能节点采集到的数据信息转发给数据管理与应用层。当运输车辆在
10、运输途中需要上传自身货运信息时, 车上的车辆智能节点和全球定位系统 (Global Positioning System, GPS) 模块也可通过通用分组无线服务 (General Packet Radio Service, GPRS) 技术把各自采集到的数据信息转发给 WSID 物流系统的数据管理与应用层。数据管理与应用层是 WSID 物流系统的数据接口, 它接收来自于数据感知层的原始数据, 这些数据经系统服务器的解析、分类、过滤, 最终存储在系统数据库中供系统使用。数据管理与应用层是 WSID 物流系统的硬件控制接口, 当 WSID物流系统需要配置数据感知层的某些底层感知设备时, 数据管理
11、与应用层会将具体配置指令通过 ZigBee 路由器推送给这些感知设备。数据管理与应用层还是WSID 物流系统与上层应用程序的接口, 它能向所有物流行为的参与者提供具体的数据信息服务和管理服务。3 系统硬件平台架构WSID 物流系统中集成了无线传感器节点的 RFID 阅读器, 是整个系统数据采集工作的重点环节。通常 RFID 阅读器是通过有线网络与用户及后台数据库系统相连, 它只负责读写 RFID 标签数据。而集成了无线传感器节点的 RFID 阅读器还具有感知区域环境信息和无线通信能力, 可以和周边的无线传感器节点协作, 以多跳方式转发和传输数据, 因此也被称为智能节点 (Smart Node)
12、 。智能节点由无线传感器单元、阅读器单元、电源、微控制器单元组成。智能节点结构如图 2 所示。图 2 智能节点结构 下载原图WSID 物流系统要求智能节点具有较强的数据处理和通信能力、较强的硬件控制能力以及丰富的硬件接口资源。本文的智能节点微控制器选用三星公司基于ARM920T 核心的 S3C2440 处理器。S3C2440 是 16/32 位 RISC 嵌入式处理器, 其低功耗全静态的设计兼顾了系统成本与系统功率4, 使其成为被广泛应用的一款 ARM9 处理器。当前应用较多的 UHF RFID 读写器控制芯片有 Intel 公司的 R1000 和 R2000 芯片、PHYCHIPS 公司的
13、PR9000 芯片以及奥地利微电子 AMS 公司的 AS399X 系列芯片。本文采用 AMS 公司的 AS3992 芯片实现射频收发模块功能, AS3992 芯片集成了混频器、增益滤波器、压控振荡器、锁相环、A/D 及 D/A 转换器等模拟前端器件, 内置 ISO/IEC18000-6C 的完整协议处理系统5。为配合工作于 UHF 频段的 RFID 阅读器, 本文选取集成 Alien H3 芯片的 RFID 标签作为货物身份识别载体。Alien H3 是一款支持 EPC global class1Gen2 规范的单芯片 RFID 标签集成电路, 它使用低成本的 CMOS 工艺和 EEPROM
14、技术, 保证了芯片在极低功率下仍能正常响应阅读器的读取指令。它提供了 64 位工厂编程设置的 ID 号, 与 EPC 编码相结合, 为需要标识的货物提供唯一的身份编码。它还向用户提供 512 位的存储空间, 可存储货物的简单特征信息6。Alien H3芯片结构如图 3 所示。图 3 Alien H3 芯片结构 下载原图作为数据采集和传输平台的基础, 无线传感器芯片的处理能力非常重要。本文选用德州仪器 TI 公司生产的 CC2530 型芯片作为无线传感器芯片。CC2530 集成了性能优良的 2.4GHzRF 收发器, 支持 IEEE802.15.4、ZigBee 和 TI 公司的 Z-Stack
15、 协议, 其内核为增强型 8051MCU7。CC2530 系统芯片具有32KB、64KB、128KB、256KB 闪存容量, 提供 2 个 USART、12 位 ADC 等丰富的外设。CC2530 功耗较低, 供电电压在 2V3.6V 之间, 主动模式时 RX 电流为 24mA, TX 电流为 29mA。本文设计的智能节点硬件框架如图 4 所示。图 4 智能节点硬件框架 下载原图当智能节点上电后, 首先进行各部件系统的初始化操作, 之后进入等待指令状态。当智能节点控制器接收到应用程序发来的操作指令后, 先判断其是针对RFID 阅读器的操作还是 WSN 节点的操作。如果是 RFID 的读标签指令
16、, 则向AS3992 发出读标签指令, AS3992 阅读器在经过标签数据 CRC 循环冗余校验和防碰撞处理后, 判断标签数据是否读取成功, 如成功读取则将数据通过串口返回给微控制器 S3C2440, 并再次进入等待指令状态。如果智能节点控制器接到的是针对 WSN 节点的操作指令, 则 CC2530 再判断该指令是否是由微控制器S3C2440 发来的, 如果是, 则将 S3C2440 发来的数据转发给指令指定的节点;如果不是, 则认为是针对 RFID 阅读器的操作指令, 将其通过串口转发到S3C2440。智能节点工作流程如图 5 所示。图 5 智能节点工作流程 下载原图4 结语本文通过将 RF
17、ID 与 WSN 技术融合的方式设计了 WSID 物流系统, 将 RFID 自动识别物体的准确性、无线传感器网络自动感知环境信息以及无线传输数据的优点相结合, 综合应用于物流业, 解决了现代物流业信息化与物流过程透明化的需求。参考文献1周启蕾.物流学概论M.第 3 版.北京:清华大学出版社, 2013:8-9. 2季德雨.融合 WSN 与 RFID 的现代物流监控系统研究D.沈阳:沈阳航空航天大学, 2011. 3罗巍巍, 徐晓.基于 ZigBee 和 RFID 的环形流水线监测系统设计J.传感器与微系统, 2013, 32 (11) :98-100. 4张巍.基于 ARM9 的多接口嵌入式 RFID 数据网关设计J.天津职业技术师范大学学报, 2016, 26 (1) :30-32. 5许煜, 闻扬, 戴锡春.基于 AS3992 芯片的远距离 RFID 读写器设计J.微型机与应用, 2012, 31 (18) :32-34. 6美国意联科技公司.Alien HIGGS-3RFID 射频识别标签芯片产品概况EB/OL.http:/ 2016-9-1. 7武兴华, 徐晓辉, 等.基于嵌入式的智能温室监控系统J.中国农机化学报, 2016 (6) :234-237, 242.
