鄒霞玲

(江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院經(jīng)濟管理與資源系，江西 樟樹　 331200)

基于物聯(lián)網(wǎng)的航空物流管理系統(tǒng)研究

鄒霞玲

(江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院經(jīng)濟管理與資源系，江西 樟樹 331200)

摘要：針對國內(nèi)航空物流管理的不足，研究了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的航空物流遠程監(jiān)控和管理系統(tǒng)方案。搭建了以采集終端、無線傳感網(wǎng)絡(luò)及遠程監(jiān)控平臺為基礎(chǔ)的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)了RFID采集終端硬件系統(tǒng)，組建了基于ZigBee技術(shù)的機場安檢和倉儲區(qū)的航空貨物傳感網(wǎng)絡(luò)，給出了無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)流程。針對貨物定位功能需求，提出了一種基于RSSI改進的三邊-質(zhì)心算法；通過Matlab仿真，驗證了改進算法可以有效提高定位精度。所設(shè)計的基于LabVIEW的航空貨物遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)用戶對航空貨物的遠程監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效提高機場航空物流的管理效率。

關(guān)鍵詞：物流管理物聯(lián)網(wǎng)RFIDZigBee定位RSSI航空遠程監(jiān)控?zé)o線通信

0引言

物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)技術(shù)主要包括感知技術(shù)、RFID技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、信息處理技術(shù)4個方面。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很多都集中在智能家居或環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。如將其應(yīng)用在航空物流管理上，對航空貨物進行遠程監(jiān)控，將有利于提高航空物流的管理效率。

我國航空物流在信息化建設(shè)方面還存在較多問題，主要表現(xiàn)為：

①缺少行業(yè)統(tǒng)一的航空物流信息平臺[1]。目前幾乎所有大中型航空物流企業(yè)的物流信息管理系統(tǒng)都相對獨立，無法實現(xiàn)貨物的全流程信息交互與資源共享。

②缺乏先進的技術(shù)和管理模式。與世界發(fā)達國家相比，國內(nèi)航空物流缺乏人工智能/專家系統(tǒng)、通信、條碼和掃描等先進信息技術(shù)的應(yīng)用，并且管理手段、管理方法落后，遠不能適應(yīng)航空物流的快速增長[2]。

因此,將物聯(lián)網(wǎng)這一新技術(shù)應(yīng)用在航空物流管理領(lǐng)域，研究一套智能化、信息化的航空物流管理系統(tǒng)，有很大的實際應(yīng)用價值，能很大程度地節(jié)省航空物流管理成本、提高工作效率，從而加快我國航空物流管理信息化進程。

1總體方案設(shè)計

航空物流管理系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

系統(tǒng)包括安檢門和倉儲遠程控制系統(tǒng)、貨物定位系統(tǒng)，2個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，均包括采集終端、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)控平臺這3個部分。

采集終端從模塊化角度分為信息采集模塊、MCU控制模塊、無線通信模塊。其分別完成安檢門和倉儲區(qū)信息采集，信息處理，信息發(fā)送、接收。用戶通過給貨箱或旅客行李貼上RFID標簽，在安檢門、倉儲區(qū)等地方分別安裝RFID讀寫器，利用RFID讀寫器獲取RFID標簽信息[3]。

本文中使用的無線通信技術(shù)需要滿足組網(wǎng)方便、低功耗、連接設(shè)備數(shù)量多、具有安全加密功能、通信距離適中等要求。在典型的無線通信技術(shù)中，基于ZigBee技術(shù)組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠連接高達65 000個設(shè)備，而且具有功耗低、有3種安全密鑰可供選擇的優(yōu)點；雖然傳輸速率不高，但能夠滿足傳輸數(shù)據(jù)的要求[4]。此外，在機場內(nèi)部使用無線通信設(shè)備時，要避開民航無線電專用的頻率波段，且通信設(shè)備的功率要盡可能小，這樣才能最大程度地減少對民航專用無線電的干擾。ZigBee工作的3個波段均沒有在民航專用無線電限制的頻率當中，而且ZigBee無線通信設(shè)備的功率非常小，對專用無線電的干擾可以忽略不計。綜上所述，選擇基于ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種可行方案。系統(tǒng)中各個采集終端上的ZigBee終端節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器總節(jié)點組成了監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。同時，ZigBee協(xié)調(diào)器將無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信息包轉(zhuǎn)化為RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)包，與遠程控制計算機連接，形成通信鏈路[5]。

圖1　航空物流管理系統(tǒng)總體方案

遠程監(jiān)控平臺采用LabVIEW虛擬儀器軟件搭建,接收并實時顯示貨物信息情況。

2硬件設(shè)計及工作流程

2.1RFID讀寫模塊

RFID讀寫器采用TI公司生產(chǎn)的TRF7970A射頻模塊，并將900 MHz天線連接到讀寫器天線端口，以增加讀寫距離。微處理器采用的是超低功耗MSP430F2370，通過SPI總線接口方式連接射頻模塊。RFID讀寫器功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　RFID讀寫器功能結(jié)構(gòu)圖

RFID讀寫器將接收到的數(shù)據(jù)存放在串口接收緩沖區(qū)。首先，對緩沖區(qū)進行自檢，檢查是否有數(shù)據(jù)。若有數(shù)據(jù)，則取出并執(zhí)行相應(yīng)的命令，循環(huán)重復(fù)執(zhí)行，直到所有數(shù)據(jù)通過UART被PC接收。MCU根據(jù)UART接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，向TRF7970A的12字節(jié)緩沖區(qū)發(fā)送命令。若無數(shù)據(jù)，則設(shè)置協(xié)議進入尋找標簽?zāi)Ｊ?，等待接收?shù)據(jù)并處理。RFID讀寫模塊工作流程如圖3所示。當由于多種原因?qū)е轮袛喟l(fā)生時，TRF7970A的IRQ狀態(tài)寄存器將被啟動，以確定中斷原因并采取相應(yīng)的行動。

圖3　RFID讀寫模塊工作流程圖

2.2ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)

在基于ZigBee的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點類型在無線網(wǎng)絡(luò)中履行不同的職能：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點主要用來創(chuàng)建與維護無線網(wǎng)絡(luò)；中心路由節(jié)點負責(zé)發(fā)現(xiàn)路由并維護鏈接；終端節(jié)點主要用來連接最底層的信息采集端，在無線網(wǎng)絡(luò)中只能加入或者離開網(wǎng)絡(luò)[6-8]。

2.2.1協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)

在一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點是最先開始工作并處于網(wǎng)絡(luò)中的。在一個全功能設(shè)備(full function device,FFD )啟動后，先通過能量掃描的方式對周圍環(huán)境進行判斷，看是否有ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在。若周圍存在ZigBee網(wǎng)絡(luò)，則FFD按由近及遠的方式對網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點提出入網(wǎng)請求，并等待該節(jié)點的請求響應(yīng)；如果沒有檢測到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，則該FFD將會作為一個協(xié)調(diào)器節(jié)點來組建新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在FFD作為一個協(xié)調(diào)器正常工作之前，會先進行一些設(shè)定。首先，根據(jù)能量掃描的結(jié)果，普遍選擇能量強度值較小的信道作為網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道；同時，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)ID、網(wǎng)絡(luò)短地址等功能，在函數(shù)App_StartCoordinator(void)中確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，隨后啟動協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)組建完成后可以申請加入。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖4所示。

圖4　FFD組網(wǎng)流程圖

2.2.2路由發(fā)現(xiàn)并維護路由

中繼路由節(jié)點在終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間搭建起一條最佳的通信鏈路，其主要作用是發(fā)現(xiàn)和維護路由[9]。建立路由需要3個步驟：發(fā)現(xiàn)路由、建立正向路由及建立反向路由。通過這3個步驟，能夠建立一條完整的通信鏈路，實現(xiàn)源節(jié)點與目的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3終端節(jié)點入網(wǎng)

終端節(jié)點與需要控制和采集的設(shè)備是集成一體的模塊子系統(tǒng)，終端節(jié)點加入無線網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、請求協(xié)調(diào)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、與協(xié)調(diào)器/路由節(jié)點建立通信這3個步驟。終端節(jié)點在與協(xié)調(diào)器連接前，先通過掃描的方式獲得個域網(wǎng)(personal area network，PAN)信息。終端節(jié)點通過接收協(xié)調(diào)器返回的原語MLME-SCAN.confirm得到具體的PAN描述。終端節(jié)點在獲得PAN信息后，向協(xié)調(diào)器再次發(fā)送入網(wǎng)請求，通過App_SendAssociateRequest(void)函數(shù)完成。如果協(xié)調(diào)器同意接收該終端節(jié)點，則會分配一個16位的短地址，并返回相應(yīng)的原語。終端節(jié)點把分配的16位短地址保存起來,就可以加入到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。圖5為終端節(jié)點的入網(wǎng)流程。

圖5　終端節(jié)點的入網(wǎng)流程圖

3RFID室內(nèi)定位算法

接收信號強度指示(received signal strength indication，RSSI)法的基本原理如下：首先，通過無線電傳輸損耗模型，將讀寫器接收到的射頻信號功率轉(zhuǎn)換為標簽與讀寫器之間的距離，再根據(jù)臨近算法或者多邊定位的方式來計算定位目標的位置信息[10]。目前，基于RFID的許多室內(nèi)定位系統(tǒng)均應(yīng)用了RSSI方法，最典型的如LANDMARC系統(tǒng)、VIRE系統(tǒng)和SpotOn系統(tǒng)等。

在基于RSSI的定位算法模型中，最傳統(tǒng)的算法模型包括三邊測量法、三角形面積法、質(zhì)心定位算法及加權(quán)質(zhì)心定位算法。本文結(jié)合三邊測量法與加權(quán)質(zhì)心定位算法，提出了一種改進的加權(quán)質(zhì)心定位算法。即先縮小未知節(jié)點所在的定位區(qū)域，再對加權(quán)值作出相應(yīng)的改進，使未知節(jié)點的估計值與實際值盡量相近。當已知3個錨節(jié)點和待求未知節(jié)點的距離時，可列方程組求得未知節(jié)點的位置[11]。

(1)

由于在實際測量中，經(jīng)計算得到的距離和實際距離相比通常偏大，因此式(1)通常會存在無解的情況。這時往往須使用最小二乘估計(或最大似然估計)的方法，通過引進多個錨節(jié)點的位置信息，以減少誤差。對式(1)進行改進，得到最大似然估計的方程為：

(2)

由于使用最大似然估計法要計算多個非線性方程，因此對于n值的選擇尚無明確結(jié)論；同時，在計算距離dn時也存在n值越多、計算的個數(shù)越多的問題，進而導(dǎo)致誤差偏大。本文提出的三邊-質(zhì)心算法,在只采用3個錨節(jié)點的基礎(chǔ)上，利用修正的加權(quán)質(zhì)心算法，求得未知節(jié)點的坐標。三邊-質(zhì)心算法原理如圖6所示。

圖6　三邊-質(zhì)心算法原理圖

如圖6所示，已知3個錨節(jié)點A、B、C，在待定的未知節(jié)點測得與錨節(jié)點的距離分別為RA、RB、RC。通常情況下，RA、RB、RC比實際距離dA、dB、dC偏大些。分別以A、B、C為圓心，RA、RB、RC為半徑作圓。3個圓的交集區(qū)域內(nèi)，2個圓交點設(shè)為O1、O2、O3，則O1、O2、O3的坐標滿足以下方程組：

(3)

(4)

(5)

由以上3個方程組解得交點O1、O2、O3的坐標位置，從而求得以O(shè)1、O2、O3為頂點的三角形。其目的是將未知節(jié)點所在的區(qū)域面積縮小，以提高定位算法的精確度。在ΔO1O2O3中使用加權(quán)質(zhì)心定位算法時，需要對加權(quán)值作如下考慮。以O(shè)1點為例，該點是由⊙B和⊙C相交而得，因此權(quán)值變量中須有RB、RC這2個參量。其次，從未知節(jié)點O的角度考慮，理想情況下O點是由OA、OB、OC這3個距離得到的，3個距離與O點的求解是聯(lián)系在一起的，此時在O1點的權(quán)值變量中也應(yīng)該考慮到RA的影響。最后，考慮到錨節(jié)點-未知節(jié)點的距離與權(quán)重值成反比[12-15]，本文將O1的權(quán)值設(shè)定為：

(6)

在決定O1點的權(quán)值時，RB、RC起主導(dǎo)作用，RA起次要作用。因此，在RA函數(shù)中添加一個修正系數(shù)n(n≥3)。同理，得到O2、O3的權(quán)值分別為：

(7)

(8)

通過對ΔO1O2O3中3個頂點權(quán)值的確定，根據(jù)加權(quán)質(zhì)心算法，最終得到未知節(jié)點的坐標(xi,yi)為：

(9)

根據(jù)對數(shù)距離路徑損耗模型，距離d與接收強度RSSI之間的對應(yīng)關(guān)系為：

10γlog10d=Ps+PA+PL(d0)-RSSI+

10γlog10d0-Xσ

(10)

式中：PL(d0)為在參考距離下信號接收端上的功率值，d0在微蜂窩系統(tǒng)中一般設(shè)置為100m或者1m，在宏蜂窩系統(tǒng)中一般為1km；γ為路徑損耗系數(shù)，表示根據(jù)距離增長所產(chǎn)生的路徑損耗；Xσ是均值為0，標準差為σ的正態(tài)隨機變量；RSSI為接收到的信號強度；PS為發(fā)射信號的功率值；PA為天線的增益；PL(d)為路徑損耗。

為了有效驗證改進的三邊-質(zhì)心算法比傳統(tǒng)的質(zhì)心估計算法在目標節(jié)點的定位上更加可靠，本文在Matlab中進行了仿真。仿真環(huán)境為一個室內(nèi)走廊，模擬航站樓的分布環(huán)境，取損耗路徑指數(shù)γ為3.0、標準差σ為5.0、發(fā)射功率PS為0dBm、增益功率PA為0dBm、PL(d0)為距離在1m接收端接收的信號強度，取多次測量的平均值為-53.5dBm，RSSI的值按照實際現(xiàn)場的仿真位置來取定。式(10)簡化為：

RSSI≈-53.5-30lgd

(11)

目標節(jié)點的定位區(qū)域是邊長為5m的正方形區(qū)域，將4個頂點設(shè)置為定位錨節(jié)點，即讀寫模塊裝置，4個錨節(jié)點的坐標分別定義為(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)。同時，在Matlab中將式(11)定義為d=distance(RSSI)的.m函數(shù)文件，方便調(diào)用；將改進的三邊-質(zhì)心算法定義為[x,y]=fixed_position的.m函數(shù)文件；將傳統(tǒng)的質(zhì)心估計算法定義為[x,y]=center_point的.m函數(shù)文件。目標節(jié)點的定位示意圖如圖7所示。Matlab仿真結(jié)果表明，改進算法在區(qū)域定位中比傳統(tǒng)質(zhì)心估計算法更加準確。

圖7　目標節(jié)點的定位示意圖

4軟件監(jiān)控平臺設(shè)計

系統(tǒng)的軟件監(jiān)控平臺采用試驗室虛擬儀器集成環(huán)境(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)圖形化軟件[16]。使用圖形化虛擬儀器軟件LabVIEW編寫了軟件監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了對安檢設(shè)備信息狀態(tài)的遠程監(jiān)控，并將軟件監(jiān)控平臺發(fā)布到Web上，使工作局域網(wǎng)內(nèi)的用戶可以通過網(wǎng)頁的方式訪問本地管理服務(wù)器，從而監(jiān)控安檢設(shè)備。

軟件監(jiān)控平臺分為3個子系統(tǒng)：用戶管理系統(tǒng)、安檢門和倉儲遠程監(jiān)控系統(tǒng)及貨物定位監(jiān)控系統(tǒng)。其中，用戶管理系統(tǒng)的功能任務(wù)包括用戶登錄、用戶密碼修改、用戶權(quán)限修改、新用戶注冊以及刪除無效用戶等。在整個系統(tǒng)啟動后，首先進入的界面就是用戶管理系統(tǒng)中的用戶登錄，只有符合條件的用戶才能對后續(xù)系統(tǒng)進行操作；安檢門和倉儲遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測安檢門和倉儲區(qū)域的貨物狀態(tài)，統(tǒng)計通過的貨物信息和數(shù)量；貨物定位系統(tǒng)用來實現(xiàn)物品的位置查詢、定位顯示等功能，當輸入或選擇貨物對應(yīng)的卡號時，能夠在模擬的定位區(qū)域圖中顯示所處的功能區(qū)域，同時在文本顯示列表中實時顯示所有貨物所在的位置信息。

5結(jié)束語

本文提出、設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新型航空物流管理系統(tǒng)，通過搭建RFID采集終端、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)及基于LabVIEW的航空貨物遠程監(jiān)控平臺，并針對貨物定位功能需求提出一種基于RSSI改進的加權(quán)質(zhì)心定位算法，實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)用戶對航空貨物的遠程監(jiān)控。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，能夠有效提高機場航空物流的管理效率，解決了傳統(tǒng)人工航空物流管理效率低、信息化程度低的問題。

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Research on the Aviation Logistics Management System Based on the Internet of Things

Abstract：According to the shortage of domestic aviation logistics management, the strategy of remote monitoring and management system based on Internet of things for aviation logistics is studied.The system is set up on the basis of data acquisition terminal, wireless sensor network, and remote monitoring platform.The hardware system of RFID acquisition terminal is designed, the air cargo sensor network based on ZigBee technology in airport security and storage area is established, and the networking process of wireless network is given.In accordance with the demand for goods positioning function, an improved trilatend centroid algorithm based on RSSI is proposed.Through Matlab simulation, it is verified that the improved algorithm can effectively enhance the positioning accuracy; the design implements the air cargo remote monitoring platform based on LabVIEW, and the remote monitoring of the air cargo is realized for users within LAN.Experimental results show that this system can effectively improve the management efficiency of airport aviation logistics.

Keywords:Logistics managementIoTRFIDZigBeePositioningRSSIAviationRemote monitoringWireless communication

中圖分類號：TH86;TP239

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606017

修改稿收到日期：2015-10-31。

作者鄒霞玲(1966-)，女，1988年畢業(yè)于江西師范大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，副教授；主要從事計算機應(yīng)用技術(shù)方向的研究。