基于RFID與WSN集成的物聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)鏈監(jiān)管平臺(tái)設(shè)計(jì)

李捷

（廣東金融學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,廣東廣州510521）

隨著工業(yè)自動(dòng)化和企業(yè)信息化進(jìn)程的發(fā)展，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)周期要求越來(lái)越短。因此，供應(yīng)鏈管理SCM(Supply Chain Management)越來(lái)越重要[1]。從其本質(zhì)看，與環(huán)境的交互能力越強(qiáng)，交互數(shù)據(jù)越實(shí)時(shí)，越能更好地對(duì)供應(yīng)鏈實(shí)施監(jiān)管，則更能發(fā)揮供應(yīng)鏈管理的作用。隨著目前企業(yè)活動(dòng)規(guī)模的擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)鏈的加長(zhǎng)，有必要建立全球性的基于物聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)鏈監(jiān)管體系，為物品流通創(chuàng)建一條可追溯、可查驗(yàn)物品實(shí)時(shí)狀態(tài)的信息鏈，有助于改善供應(yīng)鏈上節(jié)點(diǎn)企業(yè)間的合作模式，增進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)和管理效率，增強(qiáng)政府的監(jiān)管力度。

通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)獲取物理世界的數(shù)據(jù)，無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)搭建起物理世界與信息世界的橋梁，將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以將物理世界與現(xiàn)有的信息世界進(jìn)行良好的融合,再通過(guò)Internet與EPCglobal系統(tǒng)連接，在一個(gè)統(tǒng)一的供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)運(yùn)作。依托EPC作索引，獲取標(biāo)識(shí)物品的狀態(tài)，將此狀態(tài)信息融入物品的信息鏈中，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)鏈監(jiān)管的功能。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 WSN和RFID

WSN由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是一種能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是一種與實(shí)際環(huán)境交互的網(wǎng)絡(luò)，能夠通過(guò)安裝在微小節(jié)點(diǎn)上的各種傳感器從真實(shí)環(huán)境中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算能力更強(qiáng)的通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理[2]。

RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其RFID標(biāo)簽附著在被識(shí)別的物體上，當(dāng)標(biāo)簽通過(guò)可識(shí)別范圍時(shí)，閱讀器自動(dòng)以無(wú)接觸的方式將電子標(biāo)簽中的約定識(shí)別信息取出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品或者自動(dòng)收集物品標(biāo)志信息的功能[3]。

WSN和RFID的集成，從技術(shù)層面上看是兩種異質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)的備選協(xié)議很多。本文選擇以IEEE 802.15.4、ZigBee協(xié)議為紐帶，把WSN和RFID有機(jī)地集成網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合EPCglobal系統(tǒng)配置軟件平臺(tái)架構(gòu)，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)鏈監(jiān)管平臺(tái)。

1.2 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI),其標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻批發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。IEEE802.15.4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種類(lèi)型：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。IEEE 802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),分別是2.4 GHz物理層和868/915 MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。

1.3 ZigBee

ZigBee技術(shù)是WSN的主要支撐技術(shù)之一，其協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，IEEE為低能耗簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10～100 m的低速連接無(wú)線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議套件中的物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和PHY協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 ZigBee協(xié)議棧

1.4 EPC和EPCglobal架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)

EPC(Electric Product Code)和EPCglobal架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)是目前全球規(guī)模的供應(yīng)鏈管理體系的一項(xiàng)重要研究成果，構(gòu)建出一套由統(tǒng)一標(biāo)識(shí)編碼(EPC)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的全球信息網(wǎng)絡(luò)EPCglobal。實(shí)現(xiàn)和推廣EPCglobal有望在全球范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)行業(yè)建立和維護(hù)EPC網(wǎng)絡(luò)，保證供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)信息采用全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)識(shí)別。通過(guò)發(fā)展和管理EPC網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提高供應(yīng)鏈上貿(mào)易單元信息的透明度與可視性，以此提高全球供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率。傳統(tǒng)的Internet是與實(shí)際環(huán)境無(wú)關(guān)的純信息網(wǎng)絡(luò),而EPCglobal本質(zhì)上是通過(guò)某種技術(shù)手段將真實(shí)環(huán)境中的物流，映射為虛擬的信息鏈，其數(shù)據(jù)來(lái)源于真實(shí)環(huán)境，并服務(wù)于真實(shí)環(huán)境。因此，可以作為基于物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。

以RFID為基礎(chǔ)，以EPC標(biāo)識(shí)系統(tǒng)為核心的EPC-global可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)產(chǎn)品的信息追溯，但難以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品在制造、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)中的狀態(tài)保持監(jiān)控。而企業(yè)的供應(yīng)鏈管理已經(jīng)涉及到上下游的管理，但EPCglobal網(wǎng)絡(luò)不能完全地支撐供應(yīng)鏈管理的概念，難以對(duì)生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生作用。其關(guān)鍵在于EPCglobal要獲知物品的狀態(tài)信息，進(jìn)一步增強(qiáng)EPCglobal對(duì)真實(shí)環(huán)境的交互能力。要做到這一點(diǎn)，WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是最佳選擇。

2 RFSN網(wǎng)絡(luò)的層次和體系結(jié)構(gòu)

把WSN和RFID的技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一個(gè)功能更強(qiáng)的RFSN網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),其層次模型由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成[4]。各層功能如下：

(1)物理層的功能包括信道的選擇、信號(hào)的監(jiān)測(cè)、發(fā)送與接收等，設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量?？梢愿鶕?jù)可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率,在2.4 GHz頻段的16個(gè)速率為250 kb/s的信道中選擇一個(gè)工作信道。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層是保證物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)盡量正確，同時(shí)提高系統(tǒng)頻譜效率,提供設(shè)備之間單跳通信、可靠傳輸和通信安全。IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC和MAC兩個(gè)子層。其中,LLC子層的主要功能是傳輸可靠性的保障和控制;MAC子層為高層訪問(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口，IEEE 802.15.4的MAC層基于802.11無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CA接入，為降低功耗其標(biāo)準(zhǔn)采用了緩存機(jī)制。

(3)網(wǎng)絡(luò)層的功能包括分組路由、擁塞控制等。

(4)傳輸層的功能主要是提供可靠的傳輸服務(wù)、流量控制、差錯(cuò)控制、服務(wù)質(zhì)量等管理服務(wù)。為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，可以采用ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層。其基于Ad hoc技術(shù)的路由協(xié)議，除了包含通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還具有與底層IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)同樣的低能耗特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)。整個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低等特點(diǎn)，使得具體的實(shí)現(xiàn)要求很低。

(5)應(yīng)用層主要功能是保障數(shù)據(jù)傳輸安全和提供高層應(yīng)用規(guī)范。本設(shè)計(jì)采用ZigBee定義了一個(gè)抽象接口，平臺(tái)提供了應(yīng)用編程接口(API)，API定義了應(yīng)如何被集成到ZigBee協(xié)議棧的規(guī)則。

RFSN網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括傳感器節(jié)點(diǎn)Node、匯聚節(jié)點(diǎn)Sink(閱讀器)[4]、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。無(wú)論是傳感器標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)還是RFID閱讀器，都是IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的全功能設(shè)備，它們隨機(jī)組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，相互之間進(jìn)行通信。閱讀器和節(jié)點(diǎn)的通信部分都是基于支持IEEE802.15.4的無(wú)線收發(fā)芯片組成，閱讀器由于其位置相對(duì)固定，其能量可以獲得較為充分的保證，數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)管理可以在上面進(jìn)行，閱讀器將其收集并經(jīng)過(guò)初步融合的信息傳遞給中間件服務(wù)器，最后交由應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行具體應(yīng)用。

圖2 RFSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在將WSN與RFID進(jìn)行了有機(jī)融合以后，便能夠?qū)陀^世界的信息有確切的了解，數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)總線傳送到業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中或傳送給相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)[5]。

3.1 中間件設(shè)計(jì)

中間件的基礎(chǔ)架構(gòu)層分為設(shè)備管理層、事件處理層和服務(wù)接口層，這三個(gè)層次有著明確的功能劃分和層間的交互接口。中間件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該結(jié)構(gòu)的思想是將軟件從底層的硬件分離開(kāi)來(lái)，并將軟件劃分成相應(yīng)的功能模塊。在較高抽象層上提出了節(jié)點(diǎn)的軟件層次體系結(jié)構(gòu)以及整個(gè)軟件層次體系結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，提高軟件在實(shí)際應(yīng)用中的可重用性、可靠性和可伸縮性。

圖3 中間件結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 設(shè)備管理層

設(shè)備管理層位于架構(gòu)的最底層，直接與閱讀器交互。設(shè)備管理組件是分布式的代理，它負(fù)責(zé)第一級(jí)的事件過(guò)濾。設(shè)備管理包含設(shè)備詢(xún)問(wèn)器，對(duì)每一個(gè)閱讀器和傳感器設(shè)備，代理必須互相作用。過(guò)程管理組件通過(guò)對(duì)事件下一級(jí)的過(guò)濾，把事件放置到交易環(huán)境中，然后發(fā)布應(yīng)用層事件ALE(Application Layer Event)。

閱讀器模塊是根據(jù)硬件供應(yīng)商提供的規(guī)范進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)的。閱讀器接口的主要功能是將來(lái)自協(xié)議格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的EPC碼的問(wèn)題。

服務(wù)代理依靠一種輕量的消息傳遞信息。該消息類(lèi)似于SOAP在Web Service中起到的作用。鑒于通常的WSN節(jié)點(diǎn)計(jì)算與存儲(chǔ)能力有限,不適合使用XML作載體，因此必須基于位級(jí)制定包格式[6],如下所示：

事件信息空間類(lèi)似一個(gè)公共的容錯(cuò)事件信息經(jīng)紀(jì)人,支持異步接收來(lái)自設(shè)備管理器的事件、ALE事件以及其他來(lái)自事件過(guò)程管理的配置需求。

數(shù)據(jù)融合組件將WSN和RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)建立聯(lián)系以便于用戶(hù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)查詢(xún)。

3.1.2 事件處理層

設(shè)備管理層產(chǎn)生事件，并將事件傳遞到消息系統(tǒng)中，由事件管理過(guò)程進(jìn)行處理，然后把數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。在這種模式下，閱讀器不必關(guān)心哪個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)需要什么數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)用程序也不需要維護(hù)與各個(gè)閱讀器之間的網(wǎng)絡(luò)通道，僅需要將需求發(fā)送到消息系統(tǒng)中即可。

3.1.3 服務(wù)接口層

對(duì)于ALE，中間件是一個(gè)數(shù)據(jù)源，底層實(shí)際的RFSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作對(duì)用戶(hù)透明。由于供應(yīng)鏈監(jiān)控的的實(shí)時(shí)性，在生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)中對(duì)環(huán)境的監(jiān)控，需要傳感器即時(shí)地傳送采集數(shù)據(jù)，可用發(fā)布/訂閱模式實(shí)現(xiàn)消息通信[6]。

來(lái)自事件處理層的數(shù)據(jù)最終是XML文件,數(shù)據(jù)以XML文件的形式保存，提供給相應(yīng)的應(yīng)用程序使用。服務(wù)接口層主要是對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾入庫(kù)操作及提供訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)接口。下面是中間件服務(wù)程序[7]的接口函數(shù)部分代碼：

3.2 平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、EPC信息服務(wù)、在線數(shù)據(jù)處理、用戶(hù)接口等部分組成。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由RFSN網(wǎng)絡(luò)組成，其他部分是軟件環(huán)境。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)除了有機(jī)聯(lián)系物理世界與信息世界外，還將網(wǎng)絡(luò)上的硬件、中間件與企業(yè)系統(tǒng)連接起來(lái)，使得由分布物理事件所形成的數(shù)據(jù)能夠傳遞到物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)中，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的整合和改進(jìn)，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)的重構(gòu)提供穩(wěn)定、高效、靈活的解決方案。整個(gè)平臺(tái)使其底層WSN和RFID設(shè)備對(duì)用戶(hù)透明，并提供對(duì)外抽象的設(shè)備接口和數(shù)據(jù)接口，具有良好的開(kāi)放性[4]。由于提高了系統(tǒng)的利用率、可維護(hù)性和可移植性，使對(duì)系統(tǒng)的投資可以在應(yīng)用中獲得最佳收益。

4 工作流分析

以倉(cāng)儲(chǔ)管理為例，用戶(hù)需要確認(rèn)貨物是否保存在合適的溫度、濕度或電磁等環(huán)境條件下。其工作流程[6]如下：

(1)用戶(hù)通過(guò)連接企業(yè)信息系統(tǒng)的EPC信息服務(wù)系統(tǒng)（EPCIS）輸入貨物的EPC編碼，向EPCglobal網(wǎng)絡(luò)提交查詢(xún)此貨物的位置和環(huán)境參數(shù)。EPCglobal通過(guò)對(duì)象名解析系統(tǒng)（ONS）定位至倉(cāng)庫(kù)所屬的EPCIS。EPCIS根據(jù)請(qǐng)求向ALE中間件發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。ALE向中間件發(fā)出基于Web Service的數(shù)據(jù)請(qǐng)求(如SOAP消息)。

(2)通過(guò)對(duì)SOAP消息的解析，中間件對(duì)EPC索引的信息進(jìn)行查詢(xún);從RFID標(biāo)簽獲取位置信息，從RFSN即時(shí)獲取環(huán)境信息;查詢(xún)貨物的位置信息(包括PAN ID信息獲取);激活PAN ID對(duì)應(yīng)的RFSN區(qū)域，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)_SOAP包，向服務(wù)代理提交服務(wù)請(qǐng)求。

(3)駐留于中間件上的Agent將L_SOAP包發(fā)送至與其直接相連的匯聚節(jié)點(diǎn)Sink。Sink將請(qǐng)求在RFSN內(nèi)廣播。接收到廣播包的節(jié)點(diǎn)首先判斷自己是否提供L_SOAP中的服務(wù)，如果提供，則由Agent執(zhí)行此服務(wù)。

(4)傳感器檢測(cè)得到環(huán)境信息返回RFSN的Sink點(diǎn)，作為服務(wù)結(jié)果返回中間件。中間件經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)綁定，將最終結(jié)果反饋給ALE,再通過(guò)EPCglobal機(jī)制將結(jié)果返回用戶(hù)。

把WSN與RFID有機(jī)集成，作為系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)，與EPCglobal結(jié)合,在Internet上構(gòu)建一個(gè)可溯源的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，可連接物理世界和信息世界，拓寬和深化物聯(lián)網(wǎng)的信息管理，實(shí)現(xiàn)在供應(yīng)鏈監(jiān)管平臺(tái)上的應(yīng)用。

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