基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 軍

（北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京市 101149）

一、引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱(chēng)WSN）由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)、能量和處理能力等有限的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而能夠相互協(xié)作地感知、采集、處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息并報(bào)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、分布式監(jiān)測(cè)、自組織以及不需要固定基礎(chǔ)設(shè)施支持等優(yōu)點(diǎn)，可用于環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警、搶險(xiǎn)救災(zāi)等多個(gè)方面。[1]

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物流管理中的應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿?，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于現(xiàn)代物流管理能夠有效彌補(bǔ)現(xiàn)有物流監(jiān)控管理在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、有效性等方面的不足。如何將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于物流生產(chǎn)和管理，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

二、倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)是物流過(guò)程中一個(gè)重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)不斷向規(guī)模化、專(zhuān)業(yè)化、信息化方向發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)貨物儲(chǔ)存、中轉(zhuǎn)、配送以及信息傳遞等基本功能，現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)不僅需要配備先進(jìn)的搬運(yùn)、傳送、存放、標(biāo)識(shí)、計(jì)量等自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備，建立高效的作業(yè)流程，還需要配備特定的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1.倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理

倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)不僅能對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的出入庫(kù)貨物的品種、數(shù)量、時(shí)間、頻率以及庫(kù)中結(jié)存等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，而且能夠利用這些信息對(duì)各作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分析處理，制定合理的操作策略，維持必要的庫(kù)存水平，保證倉(cāng)庫(kù)中貨物的正常移動(dòng)，確保進(jìn)貨、訂單揀選、發(fā)貨等作業(yè)環(huán)節(jié)銜接通暢。[2]

2.倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)

為最大限度地降低環(huán)境變化對(duì)貨物造成的不良影響，需要對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)各種調(diào)節(jié)手段保證最佳的環(huán)境狀況，確保貨物出入庫(kù)及儲(chǔ)存期間的安全。表征倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境狀況的參數(shù)較多，包括溫度、濕度、光照度、空氣含氧量、振動(dòng)、庫(kù)存貨物的位置等。倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)就是要利用各種先進(jìn)的檢測(cè)手段對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、計(jì)算、報(bào)警等，以達(dá)到監(jiān)控倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境安全狀況和為將來(lái)改善倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境提供歷史分析數(shù)據(jù)的目的。

3.倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控

倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備尤其是傳送和揀選設(shè)備，其工作狀況的正常與否直接影響著整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的安全性。因此，倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化程度越高，就越需要對(duì)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄、報(bào)警和處理?，F(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)一般都需要配備作業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全處理，其目的在于確保倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)高度的可靠性、高度的安全性和較高的效率。

4.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)生產(chǎn)包括貨物入庫(kù)、儲(chǔ)存保管、揀選、出庫(kù)等作業(yè)環(huán)節(jié)，倉(cāng)儲(chǔ)生產(chǎn)的組織必須堅(jiān)持安全、高效、低耗的原則，應(yīng)充分利用先進(jìn)的作業(yè)流程、自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備以及管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)的快進(jìn)快出，提高倉(cāng)儲(chǔ)效率，降低生產(chǎn)成本。[3]隨著倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及自動(dòng)化水平的不斷提高，配備先進(jìn)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)，成為現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)管理的必然選擇。

把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)和倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控并不存在技術(shù)上的障礙?？梢栽O(shè)想，在傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)中附加基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)和倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能，構(gòu)建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)信息、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控和倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)調(diào)度的統(tǒng)一計(jì)算機(jī)管理。

三、應(yīng)用中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有電源能量有限、通信能力有限、節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力有限、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多且分布范圍廣、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、感知數(shù)據(jù)流大、以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)，[4]將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理，需要針對(duì)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，重點(diǎn)研究解決三個(gè)方面的技術(shù)難題。

1.單節(jié)點(diǎn)多參數(shù)檢測(cè)與傳送

倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)的貨物不同，需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)不同，設(shè)定參數(shù)的安全范圍值也就不同。[5]但有一點(diǎn)是共同的，那就是倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)同時(shí)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)通常不止一個(gè)，一般是四五個(gè)，甚至有時(shí)多達(dá)十幾個(gè)。例如，對(duì)于糧倉(cāng)環(huán)境至少需要監(jiān)測(cè)溫度、濕度、光照度、空氣含氧量四個(gè)參數(shù)。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的支持下，充分考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的固有特性，以滿(mǎn)足測(cè)量精度的要求和節(jié)能為目標(biāo)，[6]研制開(kāi)發(fā)具有感知和傳送多參數(shù)能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)的第一步。

倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，需要從實(shí)際出發(fā)根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)配置設(shè)備的重要性、作業(yè)流程的安全性以及作業(yè)信息管理系統(tǒng)的需求來(lái)確定。通常，倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)不止一個(gè)，如位置、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等，因此用于作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備也應(yīng)該具備感知和傳送多個(gè)參數(shù)的能力。

根據(jù)應(yīng)用模式的不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可分為主動(dòng)式和反應(yīng)式兩類(lèi)。主動(dòng)式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以恒定的速率周期性地發(fā)送所監(jiān)測(cè)的對(duì)象數(shù)據(jù)，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的情況；反應(yīng)式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在被觀測(cè)變量發(fā)生突變時(shí)才傳送數(shù)據(jù)，一般用于處理事件發(fā)生概率較低的情況?？紤]到倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)測(cè)量與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性需求，應(yīng)研制開(kāi)發(fā)面向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的混合式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在兼顧數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)無(wú)線傳送功能的同時(shí)，重視對(duì)長(zhǎng)生命周期和實(shí)時(shí)性的要求。

2.節(jié)點(diǎn)的三維空間部署

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在具體應(yīng)用中需要首先解決的問(wèn)題，它直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確性、完整性和時(shí)效性。所謂節(jié)點(diǎn)部署，就是在一定的區(qū)域內(nèi)，采取適當(dāng)?shù)牟呗圆贾脗鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，以滿(mǎn)足某種特定的需求。優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)目與節(jié)點(diǎn)分布形式，高效利用有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)資源，最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)能耗，這些都是節(jié)點(diǎn)部署時(shí)需要注意的問(wèn)題。[7]

倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是在三維空間內(nèi)儲(chǔ)存貨物，倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備也是在三維空間內(nèi)裝配或移動(dòng)，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)部署自然也是在三維空間內(nèi)的部署。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方面比較有價(jià)值的研究成果主要集中于二維平面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維空間部署方面的研究較少，而可以直接應(yīng)用的研究成果更少。劉華峰、金士堯研究了基于體心立方格的三維傳感器網(wǎng)絡(luò)部署與組織，提出了具體的實(shí)施技術(shù)方案，盡管該成果距離實(shí)際應(yīng)用仍然很遠(yuǎn)，卻為我們研究倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維空間部署提供了思路。[8]

研究發(fā)現(xiàn)，一種有效的節(jié)點(diǎn)部署方案是將確定的倉(cāng)儲(chǔ)空間進(jìn)行基于立方體或球體的有限元?jiǎng)澐?，并賦予每個(gè)有限元三維空間物理地址，采用某種優(yōu)化算法，[9]、[10]、[11]確定最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和分布?？紤]到倉(cāng)儲(chǔ)三維物理尺寸一般都在百米之內(nèi)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣節(jié)點(diǎn)數(shù)目和分布計(jì)算就會(huì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單一些，節(jié)點(diǎn)定位與能源管理也會(huì)變得相對(duì)容易一些。

3.信息處理與信息融合

在研制開(kāi)發(fā)具有感知和傳送多參數(shù)能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)，應(yīng)綜合考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與上位監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件在信息處理分工和信息使用等方面的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量是有限的，可以考慮把物理定位、采集數(shù)據(jù)預(yù)處理、超限報(bào)警判斷等初級(jí)信息處理工作交給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成，而將與倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)相關(guān)的信息處理、信息融合及監(jiān)控處理等安排在上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控和信息處理中心完成。

倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)的上位計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的大腦，是實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化的核心，其中傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)的功能一項(xiàng)都不能少。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息可以作為倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)安排的參考，這種方案是較低層次的應(yīng)用。而要真正提升倉(cāng)儲(chǔ)管理水平，必須滿(mǎn)足運(yùn)行環(huán)境對(duì)安全性的要求，并以對(duì)來(lái)自無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的響應(yīng)力度級(jí)別設(shè)置為依據(jù)，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息如何影響作業(yè)流程的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

四、總結(jié)

倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)需要配備先進(jìn)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)，需要研制開(kāi)發(fā)具有感知和傳送多參數(shù)能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，建立混合式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；為滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度與連通度的要求，需要重點(diǎn)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的三維空間部署，一種有效的節(jié)點(diǎn)部署方案是將確定的倉(cāng)儲(chǔ)空間進(jìn)行基于立方體或球體的有限元?jiǎng)澐?；為滿(mǎn)足對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)信息與倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)調(diào)度的統(tǒng)一計(jì)算機(jī)管理，需要研究幾類(lèi)信息的綜合處理與信息融合。

資助本文的研究項(xiàng)目已經(jīng)完成了系統(tǒng)整體構(gòu)成框架設(shè)計(jì)、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)分析、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備研制、上位監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)等工作，并在實(shí)驗(yàn)室完成了聯(lián)網(wǎng)測(cè)試。下一步工作是針對(duì)具體的示范工程，確定需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息和需要監(jiān)控的作業(yè)設(shè)備，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的三維空間部署與組織管理為切入點(diǎn)，研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程的技術(shù)方案，以管控一體化的思想為指導(dǎo)，集成工程應(yīng)用系統(tǒng)。

＊本文系北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)目“倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：KM200910037001）和北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃項(xiàng)目“科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：PHR201007145）、“學(xué)術(shù)創(chuàng)新人才項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：PHR201006129）的階段性研究成果。

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