基于RFID和WSN的仓储管理系统网络架构研究

网络与信息化　物流技术２００８年第２７卷第７期（总第１９０期）　

基于ＲＦＩＤ和ＷＳＮ的仓储管理系统网络架构研究　

龙蔚，周晓光　

（北京邮电大学自动化学院，北京１００８７６）　

［摘　要】针对现有仓储管理在实时性和监管方面出现的问题，将ＲＦＩＤ技术与ＷＳＮ技术有机结合运用到仓储管理中，从而实　

现仓储环境智能化，满足物品管理和环境参数分布式监控的需求？设计了一种新型的自适应系统通信结构，有效地提高了仓储物　

品监管的高效性和可靠性：深入分析比较了两种综合ＲＦＩＤ和ＷＳＮ技术特点的网络架构方　，在此基础上提出群组构建的概念　

和改进的网络架构，该架构具有自组织性灵活、稳定性高的特点一　

［关键￣］ＲＦＩＤ；ＷＳＮ；仓储管理；网络架卡勾　

［中图分类号］Ｆ７Ｉ５．６；ＴＰ３９３　［文献标识码］Ａ　［文章编号】１００５—１５２Ｘ（２００８）０７一Ｏｌ０２—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｗａｒｅｈｏｕｓｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＦＩＤ＆ＷＳＮ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　

ＬＯＮＧ　Ｗｅｉ．ＺＨＯＵ　Ｘｉａｏ—ｇｕａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＰｏｓｔｓ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８７６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａｎ　ａｄａｐｔｉ￣　ｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｗａｒｅｈｏｕｓｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＦＩＤ　ａｎｄ　ＷＳＮ　

（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｎｒｋｓ），ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｗｏ　ｆ￣）ＨｎＳ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｒｃｈｉｔｅ￣　ｔｕｒｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ＲＦＩＤ　ａｎｄ　ＷＳＮ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎ—　

ｃｅｐｔ　ｏｆ　ｇｒｏｕｐ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＨＤ；ＷＳＮ；Ｗａｒｅｈｎｕｓｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｒｃｈｉｔｅｅｌｍｅ　

１　前言　

仓储是物流系统的重要组成部分，它的功能包括在原产　

地、消费地，或者在这两地之间存储包括原材料、在制品、成品　

等仓储物品，并向管理者提供有关存储仓储物品的状态、条件　

和处理情况等信息。随着温度敏感性产品、危险品等特种物流　

的发展，仓储环境智能化和环境参数分布式监控的需求日趋　

提高。然而现有的仓储管理在监控实时性、通信自适应性和网　

络结卡句自主灵活性等方面仍然存在着诸多问题。　

本文在分析ＲＦＩＤ和ＷＳＮ技术优势的基础Ｉ：，通过ＲＦＩＤ　

和ＷＳＮ的融合将其应用于开发具有环境智能的仓储管理系　

统。其中，ＲＦＩＤ技术主要实现物品识别跟踪，ＷＳＮ技术完成车　

载和仓库环境参数的分布式智能监控。基于两种技术融合下　

的新型仓储管理系统平台，可以根据用户需求提供灵活的定　

制的解决方案。为了给仓储物品的监管提供高效、可靠的系统　构架，本文设计了独特的自适应网络通信结构：既保证了本地　

数据处理结果的实时性，又能够对通信异常情况进行自诊处　

理，从而提高仓储系统的整体性能。　

仓储系统的网络架构作为整个系统的设计核心，是影响　系统的设计成本、运行质量的决定性因素。本文在对现有的两　

种融合ＲＦＩＤ和ＷＳＮ技术的网络架构方案进行分析比较后，　

针对仓储管理的特殊情况，提出了一种新型的自组织网络架　

卡句。该网络架构在网络组织灵活性、可靠性等方面有明显的优　

势。　

２系统自适应通信结构设计　

２．１　系统结构和主要组成部分　

本文设计的仓储管理系统采用ｉ层结构模式，主要由带　

传感器的电子标签、车载／仓库阅读器、中心数据平台构成。　

（１）电子标签：存储物品识别信息（如厂商、ＩＤ号、物品种　

类、特性运输目的地等），同时记录其ｊ：自带的传感器等采集　

的数据　

（２）车载／仓库阅渎器：同时作为ＷＳＮ的中心节点，读取　

电子标签发送的物品识别信息和环境数据，实现仓储应用管　

理、身份认证、特定目标监控和作为环境监控中心的作用。车　

载阅读器｝打于其ｌｒ作载体的移动性，在与中心数据平台的通　

信接［１方式上与闰定式仓库阅渎器有所差别。　

【收稿日期１２００８—０４—１６　【作者简介Ｊ龙蔚（１９８４一），女，广西桂林人，硕上研究生，主要研究　向：射频识别、自动控制、电子商务与自动化物流系统；周晓光（１９５７一）　男，教授，博士，丰导师，丰要研究方向：电子商务与自动化物流系统、计算机控制、无线通信技术应用、机电一体化技术。　

－

１０２－　维普资讯 http://www.cqvip.com 龙蔚，等：基于ＲＦＩＤ和ＷＳＮ的仓储管理系统网络架构研究　网络与信息化　

（３）中心数据平台：这是整个仓储系统的核　ｔ２，部分　它主　

要包括日常信息数据库、部门信息数据库和知识数据库。日常　

信息数据库主要包括与仓储管理相关的数据信息。部门信息　

数据库则包括物流系统　各部门单他的人员、设备等识别信　

息。知识数　库包含的是物品类属、特性、存储要求和运输要　

求等。　

２．２通信结构　

为了给仓储管理提供高效、可靠的系统架构，设计独特的　

自适应系统网络通信结构，如　１所示：　

络　路ｍ器　

－　二一　

．　固　固　

’　’　

图１　系统网络通信结构　

正常工作情况下，数据信息传输的路线为电子标签或普　

通传感器节点一阅读器一本地上位机一应用服务器一数据服　

务器。电子标签或普通传感器节点的数据，首先会在本地上位　

机进行汇总、分类、本地处理等操作，然后将处理后的数据上　

传至中心数据服务器。本地上位机负责所辖区域内仓储管理　

和库区监控　巾于本地上位机对数据进行了预处理，既保证了　

本地处理结构的实时性，又会大大减少中心数据服务器的Ｉ　

作量，从而提高系统的整体性能。　

当本地Ｉ二位机｝｝Ｉ现故障时，数据信息的传输路线为：电子　

标签或普通传感器节点一阅渎器一应用服务器一数据服务　

器。阅渎器　应用服务器之间存在着物理连接：在正常Ｔ作情　

况之下它们之问是不进行直接的数据交换，阅读器只与本地　

上位机通信。一旦本地ｌ　位机异常，应用服务器将通信工作接　

管，以保汪该区域的数据能够及时汇总至Ｌｆ】心服务器。本地上　

位机恢复正常　作后，应用服务器会自动释放管理权，断开与　

『划ｉ卖器的通信连接，恢复止常状态Ｆ的通信链路。　

同时，考虑到中心服务器故障时特殊情况的应埘措施：中　

心服务器定期将本地上位机的相关数据下传至本地上位机，　

一旦中心服务器故障，本地上化机可以根据最后一次更新的　

数据独●　：Ｉ　作，并将　区数据进行暂存，当中心服务器恢复正　

常时，再进行数据的更新交互：　

３自组织网络架构研究　

通过分析比较文献［８］提ｍ的两种基于将ＲＦＩＤ融合至　

ＷＳＮ的网络架　在组网灵活性、电源管理等方面的优缺点：　

ＲＦＩＤ标签与ＷＳＮ传感器节点独立Ｊ：作的异构网络和智能标　

签网络，提出了３．３节以ＲＦＩＤ阅读器为架构核心的分布式智　能　点网络架构。在深入探讨网络自组织形式的基础上，引人　

群组构建的慨念，并由此对３．３节的网络架构进行ｒ改进：选　

择何种形式的刚络架构主要取决于费用成本和具体应用场　

合。　

３．１　整合ＲＦＩＤ阅读器和ＷＳＮ基站的异构型网络　

如　２所示，住异构型网络中，射频标签和传感器节点独　

地存存于监测区域中：ＲＦＩＤ阅读器同时作为ＷＳＮ基站，接　

收标签和传感器节点发送的数据信息后将其传送到本地上位　

机或者远程网络。这里可将ＲＦＩＤ阅渎器视为一个智能基站，　

对ＲＦＩＤ和ＷＳＮ系统的数据信息进行整合？一个比较典型的　

例子就是，ＷＳＮ的数据信号可以触发该ＲＦＩＤ阅读器对异常事　

件进行响应。　

在该网络中，整个系统由　类设备组成。（１）智能基站。智　

能基站包含ＲＦＩＤ阅读器和用于本地数据处理和网络连接管　

理的微处理器。阅读器和做处理器虽然区别于无线设备，但通　

过无线连接与底层『奴Ｊ络进行数据通信。（２）普通ＲＦＩＤ标签？　

（３）传感器节点。　

电源问题在智能基站中并不存在，凶此在具体设计时可　

以采样传统的以太网接人方式。这意味着在每一个智能基站　

中可以存在一个多层网络栈以文现数据路由甚至是可靠性比　

较好的ＴＣＰ协议。　

异构型网络原理简单，ＲＦＩＤ和ＷＳＮ系统彼此独立，只在　

智能基站中进行数据汇集和交换。但同时兼具ＲＦＩＤ阅读器功　

能和ＷＳＮ基站功能的智能基站　作量大，不利于系统整体性　

能的提高　眦　

蜡通标签　

图２异构型网络结构　带传感器的标签　

普通传感器节点　

’　

▲　

３．２智能标签网络　

如网３所示，该网络以智能标签为核心：智能标签中集成　

＿ｒ传感器和微控制器，可以在相互问传递数据直到数据传送　

《　Ｌ，）阅渎器　、　

，　智能杯签　‘　

一　・　

，　‘　

ｇ　‘簧　，　

Ｉ　

图３智能标签网络结构　

－１０３－　一

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至最后一个数据传输点。数据传输点也是一个智能标签，不同　

的是它直接与阅读器进行数据通信。这种数据逐层传递的方　

式与３．１节中异构型网络相比，更为有效地减轻了阅读器以及　

网络的运行负担。智能标签网络特别适用于工业安全、远程监　

控系统等。这些系统工作现场状况变化不大，因此结构复杂、　

价格昂贵的阅读器并不适用。而相对的，智能标签网络则提供　

了一种价格较为低廉的监控方式。　

３．３分布式智能节点网络　

如图４所示。由于目前还没有任何一个ＲＦＩＤ系统中存在　

将网络栈嵌入阅读器的情况，因此阅读器通常只能被动接收　

本地控制系统的控制信号。同时，普通阅读器由于体积所限造　

成移动困难。另外，ＲＦＩＤ天线的安装位置需要精确计算以覆盖　

监控区内的所有射频标签，同时防止与其他的天线和阅读器　

发生冲突。因此如果将ＲＦＩＤ阅读器的功能进行剪裁，那么阅　

读器的体积、价格将大为缩减，也更容易灵活应用到多种场　

合。在分布式智能节点网络中，智能节点兼具ＲＦＩＤ阅读器和　

ＷＳＮ网络节点的功能。其主要包含三个组成部分：由多种传感　

器组成的传感模块、标签阅读量低于普通阅读器的阅读模块　

以及用以传输数据的射频收发模块。智能节点结构图如图５　

所示：　

国服务器　

●智能节点　

●标签　

圈４分布式智能节点网络结构　

图５智能节点的设计结构图　

智能节点标签阅读量小，组网灵活，更适合在具有自组织　

网络构建的无线传感器网络中。智能节点独立运行并将数据　

信息传递到接收节点。而收集的信息将经由多个转接进行传　

输。由于在同一个区域内的标签信息十分相似，就可以在每个　

智能节点中利用简单而高效的压缩算法进行压缩。因此，在这　

种网络架构中，采用灵活的通信协议十分必要。　

与３．１节中的异构网络相比，智能节点网络集成度高、成　

本低廉、组网灵活。由于数据需要在智能节点中逐次传递才能　

最终上传到与服务器相连的基站，因此该网络架构在实时性　

方面优势不突出，适用于非强实时的应用场合，如仓库库存管　

理。　

分布式智能节点网络在工业场合应用时，需要对电源问　

题进行特别的考虑。在工作范围较大，电池更换不易进行的情