基于无线传感器网络的仓储监测系统研究

随着现代物流业的发展, 作为物流配送和采购分拨的中心, 物流仓储在物流系统中的重要性越来越突显[1], 物流仓储系统安全管理在仓储甚至整个物流系统中占有极其重要的位置.如何对仓储监测系统中的异常情况进行实时的智能场景监测分析和智能化管理, 实现信息实时有效的获取和控制, 是智能化仓储监测系统的核心技术.目前, 虽然仓储管理的机械化、自动化和智能化的重要意义引起人们的高度重视[2].然而, 从物流发展整体上来说, 我国物流发展与世界发达国家相比, 还有很大的差距, 从总体上看, 与我国经济快速发展形式相比, 物流仓储管理和监测的理论及应用等方面研究还比较滞后.

随着仓储规模的不断扩大, 对仓储监测智能化技术要求也越来越高, 现有的技术装备不足以满足现代仓储对监测系统的要求, 亟需现代化的智能仓储监测系统来完成对现代仓储的全面管理和监测.为实现对现代仓储的全面智能化监测和管理, 根据仓储的特点, 本文将无线传感器网络技术引入到监测系统中, 构建分布式实时仓储监测系统, 实现对仓储的实时动态监测和全面管理, 第一时间发现安全隐患及危险, 及时干预, 防止安全事故发生, 系统依据实时监测信息实现对仓储的监测、控制、分析、综合决策及调度, 完成全面的综合管理.

我国传统的仓储管理仅局限于对物品进行简单的静态仓储控温防火等单一功能, 管理分散, 技术落后, 已经无法适应现代物流仓储智能系统安全管理的要求;传统的仓储管理系统功能不够完备, 技术含量偏低, 而且造价高, 投资大.目前, 国内相当一部分仓库还是靠人工值守, 有的虽然配备了监测装置, 但设备单一或可靠度不高, 未能具备全方位的监测管理功能.现行仓储监测系统在实际应用中存在很多缺陷:

1) 大多数物流仓储在建设之初, 都没有为建立监测系统传输网络进行特别设计, 没有预留附加铺设监测网络的空间, 因此, 建立一个监测系统传输网络, 施工复杂, 实施部署系统设备难度大.

2) 有线传输网络对于基本固定点监测来说无疑是比较理想的选择, 但仓储监测点往往会由于种种原因, 被监测对象位置发生变化, 但有线线缆传输布线不能随环境变化而灵活重新部署, 灵活性差, 有线监测系统无法灵活实现对监测位置的动态调整, 在系统运行过程中无法动态合理地实现监测点的重部署.

3) 传统的有线监测系统中传感器的位置是固定的, 拆卸、安装、调试、校准都不方便, 而且有线网络布线复杂, 线路故障难以检查, 增加施工和维护成本, 设备重新布局就需要重新布线, 不能随意移动, 采用有线网铺建大范围网络投资大, 网络布线困难传输距离有限, 建设周期长等缺点.

4) 对于工作环境比较恶劣的地方信号线极易损坏, 易老化, 可能会由于某些原因出现线缆断路或短路, 除了影响监测系统的正常运行外, 还有可能成为仓储事故的隐患.

因此, 在现代仓储管理系统中, 如何实现动态全方位的监测以及如何安全、快速、方便、低成本地建设数据传输网络, 成为亟待解决的新课题和业界研究的新热点.无线传感器网络技术的出现为解决这些问题提供了新的思路.

无线传感器网络是由大量无线传感器节点构成的自组织网络, 能够实现大范围的数据采集、数据融合和通信传输[3].传统的工业环境设备监测应用往往采用单个传感器获得状态数据并上传至中央处理节点的方式, 其数据处理能力受限.而传感器网络由给定区域内的一组分布式无线传感器收集数据[4], 更适合于大规模的监测数据采集.典型的无线传感器网络是由大量同构的、微小的、资源受限的传感器节点随机分布在被测量区域形成的大规模的、自组织的、多跳的无线通信网络[5].无线传感器网络具有独特的技术优势:监测节点多, 规模大;监测节点体积小;监测节点构造成本低;监测节点部署灵活方便;监测节点功耗小;网络具自组织性, 网络各节点之间的联系通常通过自组织的方式, 其结构具有动态性和自组织性, 系统结构灵活, 可扩展性强.

为实现对现代仓储大范围内众多物品全面的网络化监测和分布式管理, 网络系统分为仓储本地监测内网及企业级管理专用网两层, 无线传感器网络通过对监测目标全方位实时监测, 采集大量的仓储现场实时信息, 传送到仓储内部监测服务子系统, 实现仓储内部监测, 并将现场信息通过企业网或互联网传送到企业相关管理部门, 及时报告监测信息, 实现仓储多级监测.企业级远程监测中心可以利用监测计算机、视频会议系统对物流仓储进行远程监测, 同时也能主动查询仓储现场信息, 如果有安全预警发生, 可以综合企业的安全信息进行应急救援指挥.系统网络架构如图1所示.

图1 仓储监测系统网络架构图  下载原图
 

监测系统数据流程:无线传感器网络监测节点采集到仓储现场信息, 汇集到监测sink节点, sink节点通过融合处理后, 将结果通过交换机实时传送到本地监测服务子系统, 对现场信息进行业务处理, 并将监测信息存储到数据库服务器, 同时传送给本地监测中心及远程企业管理监测中心, 并在监测中心的浏览器上实时显示;监测中心也可以通过网络实时查看仓储中特定目标的状态和信息;如果在监测区域内产生安全预警信息, 及时上报企业级管理监测中心及本地区域监测中心, 并在监测中心记录, 在专业人员的指挥及现场人员的干预下, 采取应急措施对紧急情况进行及时有效地处理.

在目前的无线传输技术中, IEEE802.15.4/ZigBee协议[6]充分考虑了无线传感器网络应用的需求, 基于2.4 GHz的公用通讯频段, 是一种近距离、低复杂度、低成本、低功耗、组网简易灵活的短程无线网络协议, 实现许多微小的传感器节点之间的相互协调和通信.监测节点采用电池供电, 因此节能成为设计的关键技术, 此外, 还要控制成本和体积.在设计中, 选用TI公司最新推出的具有USB功能的专为无线传感器网络应用设计的低功耗、高性能RF芯片CC2531, 是真正的系统级芯片 (SoC) , 采用高度集成化设计, 自身携带性能极好的RF收发器用来实现无线传感器网络节点的通信.内部集成了工业标准增强性8051 MCU、256 k可编程闪存、8 KB RAM;发射功率为4.5 dBm (可调) , 接收机的接收灵敏度为-97 dBm.监测节点可以设计成基于多传感器的无线传感器网络节点设备, 可设计成同时监测多路物理信息, 满足仓储监测应用中同时对多种特性 (温度、湿度、浓度、压力等) 监测的需求.监测节点中传感器组将相应的环境数据变成电压、电流等信号送给信号调理电路, 经相关调理后送到CC2531的A/D转换器接口进行A/D采样, 最后将得到的采样数据存入一个外接的256 Kb的存储器中.监测节点硬件框图如图2所示.

图2 监测节点硬件框图  下载原图
 

sink节点需要具备更高数据处理能力及数据通信能力, 负责监测系统现场监测信息处理及传输, 完成区域内监测数据的融合处理、现场监测信息上报及完成上层系统查询任务.sink节点决定监测系统的监测时效性能、准确度及反应速度.为保证监测系统sink节点通信服务器质量, 提高数据通信能力, sink节点采用以太网接口与交换机相连, 接入到监测网络, 再通过交换机与监测服务器中心主机相连接, 提供高速稳定的通信服务.

为实现对仓储大范围内众多货品全面的网络化监测和分布式管理, 软件系统采用先进的B/W/S三层软件架构[7], 构成分布式开放系统, 如图3所示, 其中应用访问层:以浏览器为媒介, 为用户提供统一操作界面, 接受用户输入, 并输出和显示系统处理结果;Web服务层:由web功能服务器提供web信息服务;应用服务器层:完成业务逻辑处理和事务调度, 数据库服务器层提供透明的数据存储和查询等数据服务.架构图中上三层构成监测软件系统, 而最底层是现场监测层, 由无线传感器网络对仓储现场信息进行实时监测, 实现现场信息采集.

图3 仓储监测系统软件架构图  下载原图
 

系统采用B/W/S架构, 使系统具有能够跨平台支持性能, 数据存取与操作系统和网络协议无关, 并且具有较低的网络通信量, 能处理大量用户服务请求;用户界面统一, 操作使用简单;软件维护方便, 当应用需求发生变化时, 只需维护WEB服务器及应用服务器上相应的业务逻辑处理服务程序.

无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术, 在如仓储监测这些特殊领域, 它有着传统技术不可比拟的优势.本文将用无线传感器网络引入到仓储监测应用中, 克服了现行系统中存在的监测部署复杂、可扩展性差、灵活性差等的技术缺陷, 大大提高了系统整体性能, 系统采用B/W/S体系架构, 实现对监管区域内众多仓储的分布式动态实时监测, 为物流企业管理部门提供直观、有效的全方位管理及应急救援指挥辅助决策, 有效防止仓储安全事故的发生, 保证现代物流仓储的正常有效运转.

仓储监测系统中的监测节点, 采用TI公司最新的专为无线传感器网络应用设计的系统级芯片CC2531, 构成小体积、低功耗、长服役时间、高射频性能的无线监测设备.对于无线传感器网络中的sink节点, 采用以太网接口接入到整个监测系统, 提供10Mbit/s的高速通信速率, 具备远程数据通信能力;远程主机可以直接与sink节点通信, 获取监测信息;并且单个应用服务器与sink节点连接数量不受限制, 也可以在大范围的监测区域中减少主机的数量, 让主机远离危险区域, 大大提高了系统的可扩展性, 降低整个系统运行成本, 提高系统安全性和易操作性.