秦新生

（華南師范大學增城學院 經濟系，廣東 廣州 511363）

1 概述

異常氣候頻繁和大氣污染問題引起大眾的廣泛關注，針對物流業(yè)碳排放帶來的環(huán)境污染問題，各國紛紛提出碳減排目標，不斷推出強制性環(huán)境管理措施。根據國家“十二五”規(guī)劃，到 2015 年要實現單位國內生產總值 CO2排放量比 2010 年降低 17%的碳減排目標。港口作為全球物流供應鏈上的重要節(jié)點，匯集了船舶、裝卸機械、車輛等眾多設備，港口在物流作業(yè)過程中排出大量溫室氣體，是影響城市空氣質量的重要根源。針對港口物流運作過程中大氣污染的現狀，考慮結合無線射頻識別技術( Radio Frequency Identi fi cation，RFID ) 與無線傳感器網絡 ( Wireless Sensor Network，WSN ) 技術，將其應用于港口物流設備碳排放管理，研究需要解決的關鍵技術問題和實現方法，對于提高港口物流企業(yè)碳排放管理水平、改善大氣環(huán)境質量具有重要的現實意義。

RFID 具有快速的信息識別和采集能力，應用范圍日趨廣泛。它是一種非接觸的自動識別技術，能夠利用無線射頻信號和電磁感應原理實現對物品信息的自動識別和采集。RFID 由電子標簽、閱讀器、中間件應用軟件組成。雖然 RFID 技術具有雙向通信、快速信息采集等優(yōu)點，但存在安裝成本高，有效通信距離短，讀取范圍有限，抗干擾能力較差[1]，不太適合大規(guī)模、遠距離使用等不足。

WSN 能夠實時監(jiān)測、感知和采集環(huán)境信息，并且能夠根據所處環(huán)境的變化自主完成感知和監(jiān)控任務。它由分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點組成，是通過無線通信方式形成的多跳、自組織的網絡系統(tǒng)。WSN 具有部署隨機、通信距離遠、低成本等優(yōu)點，并且能夠根據要求自主感知、采集處理網絡范圍內覆蓋的信息，較適合于移動和固定目標的跟蹤和感知，尤其是傳感器的感知和傳輸信息能力避免了敏感環(huán)境下讀寫器無法工作的現象，具有較強的自適應性。但是，WSN 系統(tǒng)缺乏物品信息識別能力，而 RFID 彌補了這一不足。

RFID 與 WSN 融合可以實現遠距離識別通信，同時能夠解決 RFID 的信號碰撞問題[2]。2 種技術融合，不僅可以對物體目標信息快速準確采集，還可以掌握物體所處的狀態(tài)，實現對目標所處環(huán)境的監(jiān)測，大大擴展了兩者的應用范圍，這為港口物流碳排放管理提供了技術基礎。RFID 與 WSN 融合的類型[3]可以分為以下 4 種：射頻識別標簽和傳感器相融合，RFID 閱讀器和WSN基站相融合，射頻識別標簽和無線傳感器節(jié)點相融合，無線傳感器節(jié)點和RFID 閱讀器相融合。

2 基于物聯(lián)網技術的港口物流碳排放管理系統(tǒng)設計

物聯(lián)網是一種一體化的網絡，它通過 RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、視頻攝像頭等信息傳感技術與設備，將各類物品按照約定的協(xié)議與計算機網絡相連接，進行信息交換和存儲，以實現對物品的智能化識別、定位、監(jiān)控和管理[4]，它非常適合于物體目標頻繁移動和跟蹤管理的場合。因此，可以將融合 RFID 與 WSN 的物聯(lián)網技術應用于港口物流碳排放管理系統(tǒng)設計中。

2.1 系統(tǒng)功能需求

港口物流碳排放管理的范圍較廣，管理目標對象較多，信息量大，決策比較復雜。港口物流碳排放管理系統(tǒng)是集碳排放信息采集、監(jiān)控、管理指揮于一體的綜合管理平臺，應具備的功能如下。

（1）自動采集、識別、傳遞碳排放信息功能。能夠實時、準確、自動采集港口作業(yè)設備本身的信息和碳排放信息，并且通過各種通信網絡及時、迅速傳遞給港口物流企業(yè)、環(huán)保、交通等管理部門，便于協(xié)同進行碳排放決策管理。

（2）對物流設備及人員實時調度管理功能。港口內各種運輸車輛、物流設備移動頻繁，物流作業(yè)環(huán)境復雜，管理部門必須實時掌握車輛的狀態(tài)信息。因此，系統(tǒng)應能夠及時準確地反映物流設備處于不同狀態(tài)時的碳排放信息，能夠顯示集裝箱堆存區(qū)、裝卸區(qū)內物流設備和人員的狀態(tài)分布情況，以及車輛的移動軌跡信息，滿足動態(tài)管理的需求。

（3）碳排放數據統(tǒng)計分析功能。能夠匯總碳排放信息，統(tǒng)計分析碳排放數據，對碳排放超標主動報告預警，這些功能有助于進行碳減排成本分析和碳排放量化報告，為港口物流企業(yè)碳減排提供參考依據，便于提出碳排放管理決策。

（4）與企業(yè)相關部門管理系統(tǒng)集成功能。除了能夠及時采集碳排放信息以外，系統(tǒng)應能夠與貨運站、物流企業(yè)、環(huán)保、交通等機構部門的系統(tǒng)無縫銜接[5]，實現港口物流企業(yè)內外部信息共享。系統(tǒng)應能夠對港口作業(yè)區(qū)內各種物流機械設備進行實時跟蹤查詢，以滿足不同主體的碳管理需求。

2.2 系統(tǒng)基本原理

基于物聯(lián)網技術的港口物流碳排放管理系統(tǒng)的基本原理如圖 1 所示，港口物流設備外部設有射頻電子標簽，標簽內含有物流設備信息，如車輛代碼、燃油類型、耗油量、司機姓名等信息。將 RFID 閱讀器與無線傳感器節(jié)點融合組成智能節(jié)點，該節(jié)點兼具物流設備外部標簽信息的識別和感知物流作業(yè)區(qū)內碳排放信息的功能。智能節(jié)點分布在港口的裝卸搬運區(qū)、道路貨運站設施等作業(yè)區(qū)域內，組成無線傳感器網絡。

當物流車輛等設備進入智能節(jié)點的讀取范圍內，該節(jié)點讀取物流設備外部 RFID 標簽的信息，自動識別、采集物流運輸車輛的信息，感知搜集監(jiān)控目標的碳排放信息，并且將監(jiān)測到的碳排放信息和讀取的 RFID 標簽信息傳遞給網關節(jié)點處理后，再通過通用分組無線服務技術 ( General Packet Radio Service，GPRS ) 等無線通信技術和傳輸網絡與監(jiān)控中心通信。如果發(fā)現碳排放濃度異常，則網關節(jié)點將自動發(fā)出報警信號，提醒物流設備操作人員采取措施，并且向監(jiān)控中心報告。監(jiān)控中心也可以通過傳輸網絡向網關節(jié)點和智能節(jié)點發(fā)出查詢指令[6]。通過查詢指令，監(jiān)控中心、環(huán)保部門、交通部門、物流企業(yè)等相關部門能夠及時掌握碳排放信息，進行實時監(jiān)控管理；車輛司機等物流企業(yè)移動終端用戶者可以隨時查詢車輛設備的碳排放信息，并且向物流企業(yè)報告碳排放情況。

2.3 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要由智能節(jié)點、網關節(jié)點、傳輸網絡、監(jiān)控中心和碳排放管理系統(tǒng)用戶共 5 個部分組成。

（1）智能節(jié)點：用于識別處理碳排放信息和其他信息，進行無線通信。為了測量監(jiān)控區(qū)域內的設備碳排放量，將智能節(jié)點部署在物流設備工作現場附近，所獲得的數據信息以無線通信方式經網關和傳輸網絡發(fā)送到監(jiān)控中心，供用戶查詢監(jiān)控。

（2）網關節(jié)點：網關節(jié)點處于智能節(jié)點與用戶監(jiān)控終端之間，用于接收智能節(jié)點的傳感器所采集的信息，并且通過 GPRS 通信模塊與 Internet 連接，實現通信協(xié)議轉換，將采集到的數據信息發(fā)送到與 Internet 網絡相連的監(jiān)控中心等相關主體。

（3）傳輸網絡：由 Internet 和移動通信網絡組成，負責接收與轉發(fā)各網關節(jié)點發(fā)來的信息，配合網關節(jié)點之間的通信。

（4）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心是港口物流碳排放管理系統(tǒng)的信息中心和決策機構，由路由器、防火墻、控制臺計算機、監(jiān)控管理程序和數據庫等軟、硬件組成。碳排放監(jiān)控中心與環(huán)保、交通部門應實現信息共享[7]，監(jiān)控中心負責監(jiān)測管理命令的下達與執(zhí)行情況，分析、處理、統(tǒng)計和評估所監(jiān)測的數據等。當碳排放超標時，監(jiān)控中心會及時報警提醒設備操作人員采取措施減少碳排放。

圖1 基于物聯(lián)網技術的港口物流碳排放管理系統(tǒng)的基本原理

（5）碳排放管理系統(tǒng)用戶：分為遠程終端用戶和移動終端用戶，包括物流企業(yè)、港口貨運站、司機、環(huán)保和交通管理部門等，用戶可以通過Internet 訪問碳排放監(jiān)控中心，也可以利用移動終端查詢碳排放信息。

2.4 系統(tǒng)硬件設計

（1）智能節(jié)點設計。智能節(jié)點具有 RFID 閱讀功能和溫室氣體濃度感知功能。它由數據采集單元、處理與控制單元、WSN 無線通信單元、RFID無線通信單元和供電單元等部分組成[8]，其結構如圖 2 所示。其中，數據采集單元由氣體傳感器組和模數轉換部分構成，它負責將感知到的碳排放信息轉換為模擬信號。采用一氧化碳傳感器 CO-BF、MS5100 氣體傳感器、氧化氮電化學氣體傳感器NO2-A1 構成氣體傳感器組。采用 ATmega128L 芯片作為處理和控制單元，負責將監(jiān)測到的碳排放信息與碳排放控制指標相比較，如果碳排放超標，則觸發(fā)無線傳感器網絡的無線通信模塊，自動向網關節(jié)點發(fā)送報警信號。ATmega128L 芯片還負責接收管理人員的讀取指令，將其發(fā)送給 RFID 閱讀器，以讀取物流設備標簽和碳排放信息。WSN 無線通信單元采用 CC2420 無線通信模塊，供電部分采用2 節(jié)1.5 V 微型電池。

（2）網關節(jié)點設計。主要由射頻收發(fā)模塊、中央處理器、存儲器、GPRS 通信模塊 4 個部分組成[9]，用于接收和處理來自智能節(jié)點的碳排放數據，將其發(fā)送到碳排放監(jiān)控中心；同時，接收碳排放監(jiān)控中心的指令，確認智能節(jié)點的工作狀態(tài)。網關節(jié)點仍然采用 CC2420 無線通信模塊接收數據[10]，同樣采用 ATmega128L 芯片作為中央處理器。由于監(jiān)控中心距離監(jiān)測點較遠，系統(tǒng)采用 MC55 GPRS模塊實現遠程數據傳送。

（3）操作系統(tǒng)設計。采用 Tiny OS 系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專門為WSN而設計的操作系統(tǒng)[11]，擁有開放的源代碼。Tiny OS 系統(tǒng)是基于組件的、事件驅動的 WSN 操作系統(tǒng)，其組件庫包括網絡協(xié)議、分布式服務、傳感器驅動和數據獲取工具等，用戶可以根據所采集氣體類型的需要加以擴展。

3 港口物流碳排放管理系統(tǒng)應用分析

以國內某港口集裝箱堆存區(qū)為例，將港口物流碳排放管理系統(tǒng)應用于其中，測試叉車、起重機、集裝箱吊車等物流設備處于運輸、裝卸、搬運等不同運行狀態(tài)下的 CO、HC 和 NOx溫室氣體排放濃度。隨著燃油種類和設備運行狀態(tài)的不同，所排放污染氣體濃度也不同。港口物流碳排放管理系統(tǒng)通過快速識別車輛設備信息，可以實現對港口物流設備碳排放信息的實時采集，對港口物流設備的精確定位[12]，從而加快港口貨物處理速度。從實際應用效果看，該系統(tǒng)能夠滿足港口物流碳排放管理的監(jiān)控需要，各智能節(jié)點能夠及時準確地采集和傳輸碳排放數據信息，系統(tǒng)能夠較好地反映碳排放變化情況，與一般化學儀器監(jiān)測分析法相比，節(jié)省人力和物力成本，時效性強，準確度高，為港口實時進行碳排放管理提供了決策和控制依據，測試結果如表 1 所示。

圖2 智能節(jié)點結構圖

表1 港口物流設備碳排放測試結果

由表 1 可知，使用不同燃油類型的物流設備在不同運行速度下的溫室氣體排放濃度不同。加速狀態(tài)下，以柴油為動力的叉車 CO 排放濃度小于0.5%；慢速狀態(tài)下，以汽油為動力的起重機 CO 排放濃度較高，達到 6%。慢速狀態(tài)下，以汽油為動力的集裝箱吊車 HC 排放濃度最高，達到 1 200 mg/L。因此，對于港口物流企業(yè)和交通管理部門來說，不能忽略慢速狀態(tài)下物流設備的溫室氣體排放，對物流設備進行實時地監(jiān)控管理尤為必要。

4 結束語

針對我國港口物流運作中大氣污染的現狀，分析當前港口物流碳排放管理中存在的問題，結合 RFID 和 WSN 技術各自的優(yōu)缺點分析，構建RFID 與 WSN 技術融合的港口物流設備碳排放管理系統(tǒng)，實現了對港口物流設備碳排放信息的自動、精確采集。該系統(tǒng)開發(fā)運營成本低，覆蓋范圍廣，便于對港口物流設備進行實時碳排放監(jiān)控管理，有助于港口物流企業(yè)進行碳排放決策，實現節(jié)能降耗目標，提高港口的綠色競爭力。

[1] 李 斌，李文鋒. WSN與RFID技術的融合研究[J]. 計算機工程，2008，34(9)：127-129.

[2] 李慧貞. 融合無線傳感網絡的長距離射頻識別系統(tǒng)[J]. 電子科技，2011，24(9)：1-3.

[3] 劉國梅，孫新德. 基于WSN和RFlD的農產品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)[J]. 農機化研究，2011，33(4)：179-181.

[4] 臧 鑫. 物聯(lián)網在鐵路集裝箱運輸中的應用研究[J]. 鐵道運輸與經濟，2011，33(7)：58-60.

[5] 劉 慧. 內外碳管理軟件功能比較研究[J]. 環(huán)境科學與管理，2012，37(11)：29-31.

[6] 吳 迪，皇潤風，柯燕燕，等.基于無線傳感器網絡的空氣污染實時監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 計算機測量與控制，2013，21(7)：1756-1757.

[7] 張梁俊. RFID技術在城市低碳交通的應用[J]. 中國交通信息化，2012(3)：130-131.

[8] 李娜娜，甘 勇. 基于WSN和分級RFID融合的物流跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計算機技術與發(fā)展，2008，18(10)：57-58.

[9] 侯培國，雷巧玲. 基于無線傳感器網絡的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置，2009(3)：111-112.

[10] 汪勝輝，劉波峰. 基于無線傳感器網絡的空氣質量監(jiān)測站的設計[J]. 電子工程師，2007，33(7)：11-13.

[11] 何 科，馬正華. 無線傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2009，21(2)：60-62.

[12] Y S Kang，S Y Youm，Y H Lee. RFID-based CO2Emissions Allocation in the Third-party Logistics Industry[J]. Journal of Food，Agriculture & Environment，2013，11(3)：1550-1553.