張海玲，馮鋒

（寧夏大學(xué) 數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，寧夏 銀川　750021）

基于RFID與WSN集成的倉(cāng)儲(chǔ)智能定位系統(tǒng)研究

張海玲，馮鋒

（寧夏大學(xué) 數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，寧夏 銀川750021）

針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理中貨物定位精度和覆蓋率問(wèn)題，基于無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identify，RFID）與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的定位方法進(jìn)行有效地改進(jìn)。通過(guò)將智能節(jié)點(diǎn)分為帖附于貨物表面的傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩類，傳感節(jié)點(diǎn)將RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽與Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相集成，既可用于標(biāo)識(shí)物品，也可作為閱讀器使用，自組織形成路由將采集數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)。這種定位方法提高了待定位貨物的精度和智能節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍，傳感器節(jié)點(diǎn)的布置也有較高的靈活性，有效減少倉(cāng)儲(chǔ)管理的成本。

RFID；WSN；集成技術(shù)；倉(cāng)儲(chǔ)定位

全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展使得企業(yè)的采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、銷售、配送等協(xié)作關(guān)系日趨復(fù)雜，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)已不僅是產(chǎn)品性能和質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)，也包含物流能力的競(jìng)爭(zhēng)［1］。而倉(cāng)儲(chǔ)的管理在企業(yè)供應(yīng)鏈中起到了決定性的作用，利用信息技術(shù)代替實(shí)際操作，可減少浪費(fèi)，節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，從而實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的無(wú)縫對(duì)接和整合。實(shí)現(xiàn)物流數(shù)據(jù)共享、提高貨物和資金的周轉(zhuǎn)率、提高工作效率，達(dá)到與現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)管理同步的信息化流程［2］。

RFID技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)物流進(jìn)行智能化、信息化管理，而且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄貨物出庫(kù)信息、智能倉(cāng)儲(chǔ)盤點(diǎn)、記錄及發(fā)布貨物的狀態(tài)信息、輸出車輛狀態(tài)報(bào)表等［3-4］。將RFID技術(shù)應(yīng)用在倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域，保證了倉(cāng)儲(chǔ)物流過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速度和準(zhǔn)確性，確保倉(cāng)儲(chǔ)管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握庫(kù)存的真實(shí)數(shù)據(jù)，合理保持和控制庫(kù)存。通過(guò)科學(xué)的編碼，確定所有倉(cāng)儲(chǔ)貨物當(dāng)前所在的位置，有利于提高倉(cāng)儲(chǔ)管理的工作效率［5］。而數(shù)據(jù)傳輸則采用WSN中的Zigbee技術(shù)進(jìn)行，Zigbee是一種新的無(wú)線技術(shù)，根據(jù)IEEE 802.15.4個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)而建立起來(lái)的，為設(shè)備提供低成本和低功耗的連接，要求電池壽命達(dá)到從幾個(gè)月到幾年的時(shí)間，廣泛適用于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線技術(shù)、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低能量消耗、簡(jiǎn)單的和低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［6］。

1　相關(guān)研究

倉(cāng)儲(chǔ)物流是以滿足供應(yīng)鏈上下游的需求為目的，在特定的有形或無(wú)形場(chǎng)所，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)物品的進(jìn)出、倉(cāng)儲(chǔ)、揀貨、盤點(diǎn)、發(fā)貨及其信息進(jìn)行有效的計(jì)劃、執(zhí)行和控制的物流活動(dòng)。隨著供應(yīng)鏈管理的發(fā)展，企業(yè)越來(lái)越多地強(qiáng)調(diào)倉(cāng)儲(chǔ)在供應(yīng)鏈中重要地位，并逐步實(shí)現(xiàn)了將倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)作為核心的轉(zhuǎn)化［7-8］?？梢愿爬?，倉(cāng)儲(chǔ)在物流和供應(yīng)鏈中的地位是物流與供應(yīng)鏈中庫(kù)存控制中心，是物流與供應(yīng)鏈中的調(diào)度中心，是物流與供應(yīng)鏈中的增值服務(wù)中心，還是現(xiàn)代物流設(shè)備與技術(shù)的主要應(yīng)用中心，供應(yīng)鏈系統(tǒng)典型的工作流程圖如圖1所示。

RFID與WSN技術(shù)作為21世紀(jì)最重要的信息技術(shù)之一，供應(yīng)鏈管理被認(rèn)為是其應(yīng)用的最大舞臺(tái)。它的優(yōu)點(diǎn)是利用無(wú)線電進(jìn)行信息的傳輸和識(shí)別，可以快速地進(jìn)行貨物的追蹤和數(shù)據(jù)交換。但根據(jù)本文研究發(fā)現(xiàn)，其缺點(diǎn)如下：在采用RFID閱讀器與Zigbee集成技術(shù)定位算法中，通常采用RSSI獲得智能節(jié)點(diǎn)與待定位貨物距離估計(jì)，并采用三邊測(cè)量法來(lái)估計(jì)自己的位置。在二維空間內(nèi)確定一個(gè)貨物的坐標(biāo)需要知道3個(gè)共面的智能節(jié)點(diǎn)的位置信息以及貨物節(jié)點(diǎn)到它們的距離［9-10］，如圖2所示。

圖1　物流系統(tǒng)典型的工作流程圖

圖2　三邊測(cè)量定位圖

設(shè)貨物節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），已知3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 （x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）未知節(jié)點(diǎn)到智能節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3可得式（1）方程組：

聯(lián)立方程組，如式（2）所示，可以計(jì)算出待定位未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）：

在基于RFID與Zigbee集成技術(shù)定位算法中，傳統(tǒng)的三邊測(cè)量法并未考慮待定位貨物節(jié)點(diǎn)離智能節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)或相互疊放，并未被3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)讀取的定位問(wèn)題。若某一位置的貨物節(jié)點(diǎn)到智能節(jié)點(diǎn)采集的距離值少于3個(gè)時(shí)，會(huì)影響貨物的定位精度，射頻信號(hào)達(dá)不到有效的覆蓋范圍。

2　改進(jìn)定位方法

對(duì)于上述提到的定位缺陷，文中提出了一種有效的彌補(bǔ)了射頻信號(hào)覆蓋不完全和空隙區(qū)域的定位，提高了待定位貨物的精度和智能節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍。

2.1定位原理

RFID在供應(yīng)鏈中的典型應(yīng)用模式是倉(cāng)儲(chǔ)的定位應(yīng)用，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，可將RFID標(biāo)簽貼在托盤、包裝箱或者元器件上，進(jìn)行元器件規(guī)格、序列號(hào)等信息的自動(dòng)存儲(chǔ)和傳遞［11］。RFID標(biāo)簽?zāi)軐⑿畔鬟f到一定距離范圍內(nèi)的讀寫器，使得倉(cāng)儲(chǔ)和車間不需要使用手持條形碼讀寫器對(duì)元器件和成品逐個(gè)掃描條形碼［12］。這種模式在一定程度上減少了遺漏情況的發(fā)生，大幅度提高了工作效率，而且還可以大幅度削減成本和清理供應(yīng)鏈中的障礙。WSN采用Zigbee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee是一種近距離無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，具有低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)，因此在倉(cāng)儲(chǔ)定位領(lǐng)域具有非常強(qiáng)的可應(yīng)用性［13］。

文中將RFID讀卡器、RFID標(biāo)簽與Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)組成兩種集成方式，這種集成網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如圖3所示，類似于基于層次聚類的兩層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。集成RFID讀卡器/ RFID標(biāo)簽/傳感器節(jié)點(diǎn)可附于貨物表面，RFID讀卡器用來(lái)擴(kuò)展它們的感知能力，這種智能節(jié)點(diǎn)能夠轉(zhuǎn)發(fā)信息并且可以被配置為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，它們可以通過(guò)創(chuàng)建自組織網(wǎng)來(lái)相互通信。集成RFID讀卡器/傳感器的智能節(jié)點(diǎn)可讀取臨近貨物的RFID標(biāo)簽號(hào)，并向基站節(jié)點(diǎn)傳送。

圖3　數(shù)據(jù)采集過(guò)程圖

2.2定位方法實(shí)現(xiàn)

具體定位方法如圖4所示，倉(cāng)庫(kù)定位區(qū)域共分為A、B、C、D、E共5個(gè)區(qū)域，其中以A區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行描述，本文將RFID讀卡器、RFID標(biāo)簽與Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)組成兩種集成方式：1）集成RFID讀卡器/RFID標(biāo)簽/傳感器節(jié)點(diǎn)稱作傳感器節(jié)點(diǎn)，可附于貨物表面，即可作為RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)貨物唯一的ID號(hào)，也可作為閱讀器采集臨近貨物的ID號(hào)，并且還能夠作為路由器傳送信息到正確的目的地。這些智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織形成網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)收集來(lái)自通信范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，通過(guò)互相通信來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點(diǎn)，如區(qū)域A內(nèi)所示節(jié)點(diǎn)。2）集成RFID讀卡器/傳感器節(jié)點(diǎn)也可稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集上述傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，也可作為閱讀器采集臨近貨物的ID號(hào)，并將采集結(jié)果上傳到基站節(jié)點(diǎn)，如區(qū)域A邊界上所示節(jié)點(diǎn)。

基站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集匯聚節(jié)點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)，如圖4區(qū)域E中間位置所示，降冗余處理后，采用基于三邊測(cè)量依次定位的算法進(jìn)行定位分析。如圖4區(qū)域A所示，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)a1已被3個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到進(jìn)行有效地定位，但傳感器節(jié)點(diǎn)a2未被3個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到，則可將已知定位坐標(biāo)的a1節(jié)點(diǎn)用作RFID標(biāo)簽閱讀器，對(duì)a2進(jìn)行定位。

圖4　倉(cāng)庫(kù)區(qū)域內(nèi)結(jié)點(diǎn)布置描述圖

3　定位覆蓋率分析

設(shè)倉(cāng)儲(chǔ)定位區(qū)域A、B、C、D各為100 m*100 m的正方形，每個(gè)區(qū)域布置5個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，信號(hào)半徑為16 m，并在隨機(jī)位置中，從10到200逐漸增加貨物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取4個(gè)區(qū)域中的平均值。將傳統(tǒng)的定位方法與改進(jìn)的定位方法的覆蓋率進(jìn)行比較，隨著貨物的增加，智能傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也相應(yīng)增加，改進(jìn)方法的定位覆蓋范圍逐漸提高，不會(huì)因?yàn)樨浳锏脑黾印盈B而出現(xiàn)覆蓋率的減少。在傳統(tǒng)方法中，當(dāng)智能傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少或物品層疊堆放時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)由于不能被智能節(jié)點(diǎn)讀取，故不能計(jì)算坐標(biāo)位置，因此，覆蓋率只有40%左右。從圖5可以看出，改進(jìn)方法在定位覆蓋率明顯高于傳統(tǒng)方法，智能傳感器節(jié)點(diǎn)的布置也有較高的靈活性，隨著貨物的數(shù)量的增多逐漸增加，大大降低了倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的成本。

圖5　定位覆蓋率

4　結(jié)束語(yǔ)

倉(cāng)儲(chǔ)作為物流系統(tǒng)的一部分，它在原產(chǎn)地、消費(fèi)地，或者在這兩地之間存儲(chǔ)管理物品，并且向管理者提供有關(guān)存儲(chǔ)物品的狀態(tài)、條件和處理情況等信息。從物流發(fā)達(dá)國(guó)家看，倉(cāng)儲(chǔ)在物流戰(zhàn)略中的重要性日益提高，在物流管理中占據(jù)著核心的地位，并成為供應(yīng)鏈管理的核心環(huán)節(jié)［14-15］。而精確倉(cāng)儲(chǔ)定位需要布置大量智能節(jié)點(diǎn)，文中針對(duì)此類情況進(jìn)行有效的改進(jìn)，將智能節(jié)點(diǎn)分為帖附于貨物表面的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩類，傳感節(jié)點(diǎn)將RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽與Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相集成，即可用于標(biāo)識(shí)物品，也可作為閱讀器使用，自組織形成路由將采集數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)。可在一定數(shù)量的匯聚節(jié)點(diǎn)下，文中提出的方法并沒(méi)有隨著物品的增多而影響覆蓋范圍，相反逐漸增加，傳感器節(jié)點(diǎn)的布置也有較高的靈活性，大大降低了倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的成本。

［1］Bogdan Carbunar，Murali Krishna Ramathan，Mehmet Koyuturk，et al.Efficient tag detection in RFID systems［J］.Parallel Distrib.Comput.，2009（69）：180-195.

［2］Wang Yang，Huang Liusheng，Xiao Mingjun，et al.Localization algorithm for wireless sensor network based on RSSI-verify［J］.Journal of Chinese Computer Systems，2009，30（1）：59-62.

［3］Zhao W，Gao J，Liu X，et al.Development of a RFID multipoint positioning and attendance system based on data comparisonalgorithm［M］//InformationComputingand Applications.Springer Berlin Heidelberg，2012:677-683.

［4］Wang C S，Cheng L C.RFID&vision based indoor positioning and identification system ［C］//Communication Software and Networks（ICCSN），2011 IEEE 3rd International Conference on.IEEE，2011:506-510.

［5］Ma Y W，Lai C F，Hsu J M，et al.RFID-based positioning system for telematics location-aware applications［J］.Wireless Personal Communications，2011，59（1）:95-108.

［6］劉志高，李春文，邢智鵬.巷道網(wǎng)絡(luò)全局定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)驗(yàn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（3）：419-526.

［7］朱曉娟，王軍號(hào)，孟祥瑞.煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維定位算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（4）：927-931.

［8］Wang C S，Chen C L.RFID-based and Kinect-based indoor positioning system ［C］//Wireless Communications，Vehicular Technology，Information Theory and Aerospace&ElectronicSystems（VITAE），2014 4th International Conference on. IEEE，2014:1-4.

［9］高雷，鄭相全，張鴻.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種基于三邊測(cè)量法和質(zhì)心算法的節(jié)點(diǎn)定位算法［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），23（7）:138-141.

［10］吳杰，馮鋒，丁志義.基于RFID與WSN融合技術(shù)的井下定位算法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014（7）:2278-2282.

［11］付永濤.基于RFID的物流中心室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究與仿真［D］.山東大學(xué)，2009.

［12］葉菁.物流園區(qū)功能定位研究［D］.北京交通大學(xué)，2009.

［13］付森，張海玲，吳杰.基于普適計(jì)算環(huán)境的物流倉(cāng)庫(kù)定位算法［J］.物流技術(shù)，2014（21）:224-226.

［14］Ting S L，Kwok S K，Tsang A H C，et al.The study on using passive RFID tags for indoor positioning［J］.International journal of engineering business management，2011，3（1）: 9-15.

［15］楊洋.城市突發(fā)事件應(yīng)急物流定位—路徑研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

Research of the warehouse intelligent positioning system integration RFID and WSN

ZHANG Hai-ling，F(xiàn)ENG Feng
（College of Mathematics&Computer Science，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Focus on the problem of positioning accuracy and coverage of goods in warehouse management，the traditional positioning method was improved effectively based on Frequency Identify（RFID）and Wireless Sensor Network（WSN）technology.Dividing intelligent nodes into sensor nodes attaching to the surface and gathering node，and sensor nodes integrates RFID Reader，RFID tags and Zigbee wireless sensor network together，which can be used to identify objects and as a reader，and self-organization formation routing uploads the collected data to the node.This localization method improves the precision of the goods to be located and the coverage of the intelligent node，with high flexibility of sensor nodes，which can effectively reduce the cost of storage management.

RFID；WSN；integration technology；storage location

TN919；TP393

A

1674-6236（2016）14-0133-03

2016-01-18稿件編號(hào)：201601133

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目（71561023）；寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（GIP2015037）

張海玲（1990—），女，寧夏鹽池人，碩士。研究方向：信息系統(tǒng)工程、RFID射頻識(shí)別、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。