李衛(wèi)東，郭鵬，初憲武，徐金鈺，牛娃

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.中央財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100081)

基私有協(xié)議的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)研究

李衛(wèi)東1，郭鵬1，初憲武1，徐金鈺1，牛娃2

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.中央財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100081)

為提高鐵路貨運(yùn)效率和完善對(duì)物流信息的采集、存儲(chǔ)和更新，提出一種基于私有協(xié)議的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng).該系統(tǒng)采用433.2 MHz頻段進(jìn)行廣播巡檢，對(duì)貨物上的電子標(biāo)簽輪尋點(diǎn)名，從根本上改變現(xiàn)有射頻卡的被動(dòng)搜索技術(shù)，有效避免了信息碰撞現(xiàn)象的發(fā)生.采用433.2 MHz私有協(xié)議進(jìn)行通信，也有效避免了貨物信息在傳輸過(guò)程中因信道被占用而導(dǎo)致的信號(hào)干擾、信息傳輸錯(cuò)誤等問(wèn)題的發(fā)生.

433.2 MHz私有協(xié)議；電子標(biāo)簽；物流；信息采集

0 引言

鐵路運(yùn)輸以其運(yùn)量大、運(yùn)費(fèi)低、安全可靠等特點(diǎn)，在貨運(yùn)領(lǐng)域具有較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是隨著快遞行業(yè)的蓬勃崛起[1]，鐵路運(yùn)輸再一次迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇，如今已在我國(guó)的物流行業(yè)中占有相當(dāng)大的比重.然而，快速發(fā)展的背后依然存在許多不足，比如：鐵路貨運(yùn)硬件設(shè)施比較落后、貨物信息采集和捕捉能力較差等，這就難以避免會(huì)造成貨物在運(yùn)輸過(guò)程中不能及時(shí)更新物流信息，甚至丟失等嚴(yán)重后果.因此，為提高對(duì)貨物信息采集、處理和傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確度等問(wèn)題，以及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鐵路物流乃至整個(gè)物流行業(yè)的信息化、智能化，鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.本文分析了現(xiàn)有的基于RFID的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)存在的被動(dòng)識(shí)別等不足[2]，并提出了一種基于433.2 MHz私有協(xié)議的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的優(yōu)越性.

1 鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)

所謂鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)，指的是將自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于鐵路物流行業(yè)，再利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建一個(gè)完善的貨物追蹤系統(tǒng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物信息的自動(dòng)采集、傳輸和共享[3].相比于傳統(tǒng)的手動(dòng)掃碼和人工錄入信息，電子識(shí)別系統(tǒng)極大地提高了工作效率，節(jié)省了工作時(shí)間和人工成本，實(shí)現(xiàn)了物流信息管理的數(shù)字化、智能化和去人工化，減少了因貨物包裝過(guò)小等原因造成的漏檢及丟失現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)貨物的系統(tǒng)化管理和全程追蹤[4- 5].如圖1所示，為鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)布置圖.

圖1 鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)布置圖

2 基于私有協(xié)議的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)

2.1 基本組成

本文研究智能識(shí)別技術(shù)在鐵路物流系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決信息碰撞及漏讀等問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)功能模塊，綜合無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、嵌入式軟件、電子電路、CAN總線(xiàn)體系在工業(yè)檢測(cè)和信息傳輸中的應(yīng)用，以及物流管理軟件的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于私有協(xié)議的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng).

該系統(tǒng)主要由貨物電子標(biāo)簽(A型、B型)、站場(chǎng)識(shí)別器、車(chē)廂識(shí)別器、中繼器、傳輸接口、手持式識(shí)別器、貨物電子標(biāo)簽擦寫(xiě)器[6-7]、通信電纜、以太網(wǎng)設(shè)備、電源組和相應(yīng)的上位機(jī)物流管理系統(tǒng)軟件組成.

2.2 工作原理及流程

電子標(biāo)簽發(fā)出具有代表貨物身份唯一性特征的貨物信息；車(chē)廂識(shí)別器接收來(lái)自電子標(biāo)簽的信息并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)貨物進(jìn)行上(下)車(chē)狀態(tài)的識(shí)別判斷，通過(guò)WiFi通信協(xié)議把貨物信息、上(下)車(chē)時(shí)間、上(下)車(chē)狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸給站場(chǎng)識(shí)別器；站場(chǎng)識(shí)別器接收并儲(chǔ)存來(lái)自車(chē)廂識(shí)別器的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)該車(chē)廂識(shí)別器的進(jìn)站和離站時(shí)間進(jìn)行識(shí)別判斷，最后通過(guò)CAN總線(xiàn)或以太網(wǎng)的方式把貨物信息、車(chē)廂識(shí)別器的進(jìn)站和離站時(shí)間等數(shù)據(jù)傳輸給中繼器或傳輸接口；車(chē)站中心計(jì)算機(jī)(主機(jī))從傳輸接口接收站場(chǎng)識(shí)別器發(fā)送的信息，并對(duì)信息進(jìn)行分析處理，打包形成文件，共享至整個(gè)物流網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，便于工作人員管理及客戶(hù)查詢(xún)，系統(tǒng)工作流程如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

為保證信息的準(zhǔn)確可靠，本系統(tǒng)設(shè)有手持式識(shí)別器，主要用于貨物裝卸、貨物運(yùn)載車(chē)廂及貨運(yùn)倉(cāng)庫(kù)等處，對(duì)貨物編碼進(jìn)行二次識(shí)別.除此之外，為降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本，設(shè)有專(zhuān)門(mén)的貨物電子標(biāo)簽擦寫(xiě)器，實(shí)現(xiàn)貨物電子標(biāo)簽的重復(fù)使用.

2.3 技術(shù)特點(diǎn)分析

目前應(yīng)用比較廣泛的是基于RFID鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng).射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性[8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)[9].在實(shí)際應(yīng)用中，貨物電子標(biāo)簽充當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)，識(shí)別器則可視為匯聚節(jié)點(diǎn)，而整個(gè)系統(tǒng)則可以看做是一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息.然而，由于眾多傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)[10- 12]，導(dǎo)致傳輸過(guò)程實(shí)際呈現(xiàn)出一種“多對(duì)一”的工作狀態(tài)，這就導(dǎo)致系統(tǒng)在工作時(shí)在所難免會(huì)出現(xiàn)信息碰撞現(xiàn)象.這種“多對(duì)一”的情況體現(xiàn)得越明顯，信息碰撞發(fā)生的概率越大.

本設(shè)計(jì)最突出的特點(diǎn)是車(chē)廂識(shí)別器采用433.2 MHz頻段不斷廣播巡檢模式，對(duì)貨物電子標(biāo)簽進(jìn)行輪尋點(diǎn)名，只有被點(diǎn)名的標(biāo)簽才會(huì)響應(yīng)該并發(fā)送數(shù)據(jù)，其他標(biāo)簽不會(huì)發(fā)送信息，從而有效避免信息碰撞現(xiàn)象的發(fā)生.這就類(lèi)似于老師課前的點(diǎn)名過(guò)程，只有被喊到名字的同學(xué)才會(huì)進(jìn)行回應(yīng).電子標(biāo)簽在大多數(shù)時(shí)候處于休眠和監(jiān)聽(tīng)模式，對(duì)空間無(wú)線(xiàn)載波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到點(diǎn)名信息后自動(dòng)轉(zhuǎn)入工作模式：此時(shí)，若空間沒(méi)有其他電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)，則被點(diǎn)名的標(biāo)簽向車(chē)廂識(shí)別器發(fā)送信息.待電子標(biāo)簽收到車(chē)廂識(shí)別器的反饋信息，確定所發(fā)數(shù)據(jù)已被準(zhǔn)確收到之后，再次轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，等待下一次被點(diǎn)名.這種應(yīng)答方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效減少流量和功耗，并且避免同一電子標(biāo)簽頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)，車(chē)廂識(shí)別器的反饋信息則是為了確保標(biāo)簽信息確實(shí)被識(shí)別器收到，防止信息漏讀誤讀.但是，如果收到點(diǎn)名信息的同時(shí)檢測(cè)到空間有其他電子標(biāo)簽對(duì)點(diǎn)名發(fā)出響應(yīng)并發(fā)送載波信號(hào)時(shí)，則暫時(shí)停止響應(yīng)并轉(zhuǎn)入監(jiān)聽(tīng)模式，等待空間沒(méi)有其他電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)再啟動(dòng)響應(yīng).為了保證采集信息的準(zhǔn)確性，整個(gè)通訊過(guò)程中的信息都加有校驗(yàn)位，系統(tǒng)會(huì)將由于干擾或碰撞導(dǎo)致的通訊錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄.本設(shè)計(jì)中的鐵路物流電子識(shí)別系統(tǒng)，其通訊距離可達(dá)70 m(工作范圍100 m)，在合適的工作距離可確保上述工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)多個(gè)周期的重復(fù)運(yùn)行，從而大大減少因各種原因造成的貨物信息丟失、漏讀和誤讀.

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次系統(tǒng)測(cè)試選取50個(gè)貨物電子標(biāo)簽，車(chē)廂識(shí)別器、站場(chǎng)識(shí)別器、中繼器各1個(gè)，2個(gè)電源可同時(shí)為車(chē)廂識(shí)別器、站場(chǎng)識(shí)別器和中繼器供電的電源.其中，貨物電子標(biāo)簽與車(chē)廂識(shí)別器之間、車(chē)廂識(shí)別器與站場(chǎng)識(shí)別器之間分別通過(guò)433.2 MHz私有協(xié)議和WIFI技術(shù)進(jìn)行通信、站場(chǎng)識(shí)別器與中繼器之間及中繼器與通信接口之間分別通過(guò)2 km CAN總線(xiàn)電纜連接、通信接口與信息采集端通過(guò)RS232串行接口進(jìn)行通信.如圖3所示為電子識(shí)別系統(tǒng)實(shí)物連接圖.

圖3 電子識(shí)別系統(tǒng)連接實(shí)物圖

3.2 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)

將設(shè)備通電，進(jìn)行貨物信息采集測(cè)試.該過(guò)程中，車(chē)廂識(shí)別器收集貨物電子標(biāo)簽信息并打包，將貨物信息發(fā)送給站場(chǎng)識(shí)別器，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，信息采集端能夠快速準(zhǔn)確地將貨物信息進(jìn)行采集，采集結(jié)果如圖4所示.其中地址2代表站名、狀態(tài)0表示貨物當(dāng)前處于車(chē)廂中，由于貨物沒(méi)有離開(kāi)車(chē)廂 ，因此上車(chē)時(shí)間與下車(chē)時(shí)間相同.

圖4 貨物上車(chē)狀態(tài)測(cè)試

再將貨物電子標(biāo)簽電源斷開(kāi)，此時(shí)車(chē)廂識(shí)別器將不再收到貨物信息，說(shuō)明貨物已經(jīng)下車(chē)，那么當(dāng)再次經(jīng)過(guò)站場(chǎng)識(shí)別器時(shí)，車(chē)廂識(shí)別器會(huì)將最新的貨物狀態(tài)信息打包發(fā)送給站場(chǎng)識(shí)別器，最后站場(chǎng)識(shí)別器經(jīng)CAN總線(xiàn)、中繼器以及通信接口將獲取的信息傳送到信息收集終端，及時(shí)更新貨物狀態(tài).經(jīng)測(cè)試，貨物下車(chē)信息可在2～3 min左右完成更新.測(cè)試結(jié)果如圖5所示.從圖中可以看出，貨物狀態(tài)顯示1，表示貨物已經(jīng)下車(chē)，此時(shí)下車(chē)時(shí)間也進(jìn)行了更新，不再與上車(chē)時(shí)間相同.由于本次測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，而地址信息代表的是站場(chǎng)識(shí)別器所在的車(chē)站位置，因此下車(chē)測(cè)試時(shí)地址信息并沒(méi)有發(fā)生變化，在實(shí)際應(yīng)用中，地址信息將與最近一次更新物流信息時(shí)的站場(chǎng)識(shí)別器所在車(chē)站保持一致.

圖5 貨物下車(chē)狀態(tài)測(cè)試

3.3 測(cè)試結(jié)論

(1)通過(guò)以上測(cè)試可知，本系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)鐵路物流運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)貨物信息采集和及時(shí)更新的要求，并且本系統(tǒng)中的車(chē)廂識(shí)別器、站場(chǎng)識(shí)別器和中繼器均采用有源方式，能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作，確保了貨物信息采集過(guò)程的順利完成;

(2)隨機(jī)分布電子標(biāo)簽位置，并每隔10 min對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次測(cè)試，進(jìn)行20次測(cè)試后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，共出現(xiàn)上(下)車(chē)狀態(tài)采集錯(cuò)誤1次、漏讀1次.可見(jiàn)該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，信息采集準(zhǔn)確率高，符合預(yù)期目標(biāo).

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A Railway Logistics Electronic Identification System based on Private Protocol

LI Weidong1,GUO Peng1,CHU Xianwu1,XU Jinyu1,NIU Wa2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Information,Central University of Finance and Economics,Beifing 100081,China)

In order to improve the efficiency of rail freight and logistics information collection,storage and update，a railway logistics electronic identification system is proposed based on private protocol.The system adopts 433.2 MHz spectrum for broadcasting and patrolling,and to roll call the electronic tags on the goods,which leads to fundamental changes to the passive searching technology of existing radio frequency card,avoiding information collisions effectively.Communication with 433.2 MHz private protocol can also effectively avoid problems shch as signal interference and information transmission errors which is caused by occupied channel.

433.2 MHz private protocol；electronic tags；logistics；information collection

1673- 9590(2017)04- 0160- 04

2016- 09- 06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471080)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602110)

李衛(wèi)東(1963-)，男，教授，博士，主要從事鐵路信息與通信智能化技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)分析與控制等方面的研究E-mail:li@djtu.edu.cn.

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