射頻識別與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

秦 彤 喬旭東

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230000)

射頻識別與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

秦 彤 喬旭東

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230000)

物聯(lián)網(wǎng)是上個世紀末提出的新概念，其發(fā)展歷史比較短。本文是基于家電物聯(lián)網(wǎng)項目的技術(shù)應(yīng)用，以三洋榮事達企業(yè)的實際物流配送為原型，將無線射頻識別（RFID）技術(shù)以標簽的形式用于對物品進行唯一標識，并采用幀時隙算法解決RFID系統(tǒng)中應(yīng)答碰撞的問題，保證在讀取RFID標簽發(fā)出的信號時做到既不丟失也不重復(fù)。將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用在對在途車輛及貨物的跟蹤定位上，降低貨物丟失的風險，降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)利潤。

物聯(lián)網(wǎng)；無線射頻識別；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；跟蹤；定位

1 引言

在電子商務(wù)時代，有效的物流管理是企業(yè)總成本效率的基礎(chǔ)，是確保企業(yè)具有競爭力的關(guān)鍵所在[1]。企業(yè)需要通過電子化信息溝通技術(shù)來提高物流效率，進而提高企業(yè)的競爭力。中國家電業(yè)通常被視為國內(nèi)市場化最高的行業(yè)，縱觀我國家電企業(yè)的物流現(xiàn)狀，從資金雄厚的大型企業(yè)到新型的家電企業(yè)，為降低物流配送的風險，減少配送過程中產(chǎn)生的損失，控制產(chǎn)品的總成本，多數(shù)企業(yè)選擇將物流配送以招標的形式承包給不同的第三方物流公司，由其負責?？墒堑谌轿锪鞴镜氖袌黾卸鹊?，相關(guān)的信息化管理工具滿足不了現(xiàn)狀。

將現(xiàn)代化信息技術(shù)融入到企業(yè)物流管理中，跟隨潮流進入全新的電子商務(wù)管理時代，通過分析企業(yè)的各個要素和總成本的關(guān)系提高物流效率，增加企業(yè)利潤[2]。在全球，諸如像IBM這樣的跨國公司已經(jīng)擁有如UPS、Fedex、Ryder公司等多家知名的物流企業(yè)客戶；在中國IBM也已同國內(nèi)眾多的合作伙伴一道，同諸如鐵道部、上海南方綜合物流中心等大型的綜合物流中心建立起廣泛的合作關(guān)系[3]。作為國內(nèi)家電企業(yè)的老大，海爾集團以先進的物流技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)物流的高效率。海爾先進的物流技術(shù)集中體現(xiàn)在它的兩個物流中心——青島海爾信息產(chǎn)業(yè)園和黃島的海爾國際自動化物流中心。該物流中心包括原材料、成品兩個自動化物流系統(tǒng)，采用了激光導(dǎo)引、條碼識別、無線數(shù)字通信、紅外通信、智能充電、工業(yè)控制、現(xiàn)場總線和計算機網(wǎng)絡(luò)等國際先進技術(shù)，成功集成了具有國際先進水平的工業(yè)機器人、巷道堆垛機、環(huán)行穿梭車、激光導(dǎo)引車、攝像及語音監(jiān)控等先進的自動化物流設(shè)備[5]。該系統(tǒng)對原材料和成品自動化倉儲與收發(fā)的全過程實施完全的控制、調(diào)度、管理和監(jiān)控，并與海爾集團的ERP系統(tǒng)實現(xiàn)了信息集成，以最少的人機接口實現(xiàn)了最大的物流自動化。

2 家電企業(yè)的配送流程介紹

合肥榮事達三洋電器股份有限公司是此次大型家電企業(yè)物流作業(yè)管理物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用示范項目的主要試點，也是依據(jù)合肥榮事達三洋電器股份有限公司的主要業(yè)務(wù)流程設(shè)計并實現(xiàn)了整個物流配送系統(tǒng)。接下來將從生產(chǎn)、出廠、倉儲、配送、到貨五個方面詳細描述。

2.1 生產(chǎn)

家電產(chǎn)品裝箱時，將每一箱貨物加上一個RFID標簽，RFID標簽內(nèi)含產(chǎn)品的詳細信息，如產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品分類、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、產(chǎn)品說明等。由于RFID標簽上的芯片提供對物理對象的唯一標識，可以實現(xiàn)對家電在整個供應(yīng)鏈上的全程跟蹤，通過對RFID信息流動情況的跟蹤，使用產(chǎn)品自動識別系統(tǒng)就能夠跟蹤、查看家電的各項信息。

2.2 出廠

車輛調(diào)度中心根據(jù)生產(chǎn)計劃，調(diào)配人員和車輛定時取貨，存儲地點由管理平臺根據(jù)各倉庫情況智能分析給出。當家電出廠時，RFID讀取器發(fā)出射頻波，啟動RFID標簽同時供給電源，標簽被喚醒后，開始和讀取設(shè)備之間進行通信，讀取設(shè)備讀取標簽信息，存入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。

2.3 倉儲

入庫時，通過卸貨區(qū)RFID閱讀器，無需開包檢查里面的貨物，便可直接進行驗收入庫。并與相應(yīng)的貨單進行核對，核對正確后通過倉儲管理系統(tǒng)，尋找合適的存貨點，快速的將商品入庫存放。出庫與入庫類似。

倉儲還對庫存進行控制管理，根據(jù)系統(tǒng)確定的庫存控制策略生成庫存決策方案。當產(chǎn)品庫存量高于或低于限量時自動預(yù)警；結(jié)合各種產(chǎn)品近期平均用量，自動生成需要在一定時間內(nèi)采購的產(chǎn)品品名和數(shù)量等。倉庫管理員可適時地進行采購或取消訂貨，從而有效控制庫存量。

管理平臺根據(jù)本地倉儲和子公司倉儲情況，綜合銷售的時間性和區(qū)域性，生成動態(tài)調(diào)配方案，經(jīng)人工確認后進行庫間轉(zhuǎn)移。

2.4 配送

收到客戶訂單請求后，從倉儲管理系統(tǒng)直接調(diào)取需要配送的商品。在途狀態(tài)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與中心實時通信?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航的車載北斗終端（AVL）接收北斗衛(wèi)星信號，并根據(jù)北斗的定位原理完成對車輛的自動定位；AVL上的通信單元完成車輛狀態(tài)信息的發(fā)送和調(diào)度信息的接收；同時AVL設(shè)備與車輛的各種設(shè)備互聯(lián)，對車輛進行營運和安防監(jiān)控。通過移動通信網(wǎng)，在監(jiān)控中心的監(jiān)視終端采用GIS技術(shù)把監(jiān)控目標顯示在可視化的電子地圖上。

2.5 到貨

到貨時，使用RFID識別終端確認商品RFID信息，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的定位信息，保證所送貨物送達正確的客戶手中。

3 無線射頻識別（RFID）

3.1 RFID簡介

射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)，又稱電子標簽（E-Tag），是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，RFID的應(yīng)用涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，包括：物流、交通運輸、農(nóng)牧漁業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等。在標簽領(lǐng)域，RFID標簽與條碼相比，具有讀取速度快、存儲空間大、工作距離遠、工作環(huán)境適應(yīng)性強和可重復(fù)使用等多種優(yōu)勢[3]。

當前主要的RFID相關(guān)規(guī)范有歐美的EPC規(guī)范、日本的UID規(guī)范和ISO8000系列標準，在本項目中我們使用的是EPC規(guī)范。EPC規(guī)范由Auto-ID中心及后來成立的EPC global負責制定。2003年10月26日成立的EPC global組織接替以前Auto-ID中心的工作，管理和發(fā)展EPC規(guī)范[7]。

當前RFID工作頻率跨越多個頻段。其中，低頻頻段能量相對較低，數(shù)據(jù)傳輸率較小，無線覆蓋范圍受限。相對工作在高頻頻段的RFID標簽而言，低頻的無線覆蓋范圍較小，且方向性不強，具有較強的繞開障礙物能力。高頻頻段能量相對較高，適用于長距離。低頻功率損耗與傳播距離的立方成正比，為高頻功率損耗與傳播距離的平方成正比。由于高頻以波束的方式傳播，故可用于智能標簽定位。另外，高頻頻段數(shù)據(jù)傳輸率相對較高，且通訊質(zhì)量較好。但其缺點是容易被障礙物所阻擋，易受反射和人體擾動等因素影響，不易實現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)域覆蓋[8]。

綜合上述的RFID在低頻與高頻工作頻段的優(yōu)缺點，并結(jié)合家電企業(yè)在實際應(yīng)用RFID標簽和終端讀寫器的環(huán)境，本項目采用工作頻率為915M的超高頻RFID標簽及相應(yīng)讀寫器，作用距離達3米。相關(guān)性能的具體描述將在5.1節(jié)描述。

3.2 基于幀時隙（ALOHA）算法的RFID防碰撞技術(shù)

在RFID系統(tǒng)中，由于所有的應(yīng)答器都用同一工作頻率，故存在著在傳輸信息的過程中出現(xiàn)碰撞的問題。當有多于一個的標簽在閱讀器的作用范圍內(nèi)時，所有的標簽將同時發(fā)送自己存儲的信息，這將導(dǎo)致各閱讀器之間的傳輸?shù)南嗷ジ蓴_，進而導(dǎo)致信息的丟失。這就是我們需要解決的碰撞問題。每一個閱讀器連續(xù)發(fā)送信息時都在兩個連續(xù)的發(fā)送過程中間有個短暫的等待時間。碰撞問題的發(fā)生概率依賴于這個等待時間、傳輸信息的數(shù)據(jù)幀長和在閱讀器的作用范圍內(nèi)標簽的數(shù)量之間的關(guān)系。

幀時隙Aloha（FSA）算法是在時隙Aloha算法的基礎(chǔ)上，將N個時隙組成一幀，且在標簽識別過程中，幀的大小是固定不變，幀中的每個時隙長度要能夠完成一個標簽與閱讀器之間的通信，該算法也稱為固定幀時隙Aloha算法[9]。該算法的執(zhí)行過程為：

(1)首先，當電子標簽進入閱讀器作用的范圍內(nèi)時，閱讀器將幀長N廣播給電子標簽，標簽接收到此指令后即產(chǎn)生[0, N-1]之間的一個隨機數(shù)存入自身的時隙計數(shù)器中。

(2)只有時隙計數(shù)器為0的標簽才能立即響應(yīng)閱讀器的查詢，其余標簽則將各自時隙計數(shù)器減“1”。

(3)將成功識別的標簽“滅活”操作，不再響應(yīng)后續(xù)的操作；當標簽在數(shù)據(jù)幀中發(fā)生碰撞，則在下一幀循環(huán)中重新產(chǎn)生隨機數(shù)參與通信，直至標簽全部被識別完成[9]。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航車載定位終端

圖1 中國的北斗衛(wèi)星（COMPASS）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System)是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[10]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。

近年來，將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、GIS技術(shù)以及無線通訊技術(shù)融入到車輛監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛進行大范圍、全天候的實時監(jiān)控，充分滿足了業(yè)界對于車輛管理的需求[11]。在這個物聯(lián)網(wǎng)項目中，我們將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航用于車輛配送中的運輸車輛的在途跟蹤以及車輛、貨物、訂單的實時定位，以此來保證在貨物運輸過程中的全程監(jiān)控，避免了貨物在運輸過程中丟失，降低運輸過程中貨物損失的風險，進而降低產(chǎn)品成本提高利潤。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展至今，其優(yōu)勢特點已非常顯著，具體表現(xiàn)如下：

(1)當前，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了我國全部國土及周邊地區(qū)，東經(jīng)55度～180度，在我國全境范圍內(nèi)具有良好的導(dǎo)航定位可用性。自2012年12月27日起，中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供亞太區(qū)域服務(wù)，預(yù)計到2020年將基本建成服務(wù)范圍涵蓋全球的新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[12]。因此，完全可以滿足三洋家電在物流配送方面定位跟蹤的需求；

(2)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的二維水平定位精度為10m（設(shè)立校站后可達到厘米級）、高程10m，測速精度0.2m/s，與GPS系統(tǒng)的民用精度基本相當。北斗系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時功能，可根據(jù)不同的精度要求定時傳送最新授時信息給用戶端，供用戶完成于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之間時間差的修正[12]。在系統(tǒng)定位和授時精度上完全能滿足本項目的需求；

(3)北斗系統(tǒng)具有雙向報文通信功能，可實現(xiàn)用戶與用戶、用戶與地面控制中心的雙向報文通信功能，一次最多可傳送120個漢字，這樣的信息量已經(jīng)完全可以滿足車輛跟蹤定位時的信息需求。另外，北斗系統(tǒng)所具備的雙向簡短通信功能是目前國外衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（如：GPS等）并不具備[12]。

(4)北斗系統(tǒng)是主動式有源雙向測距二維導(dǎo)航系統(tǒng)，在地面控制中心進行用戶位置坐標解算，從用戶發(fā)出定位申請到收到定位結(jié)果，響應(yīng)時間最快為1s，即用戶終端機最快可在1s后完成定位[12]。1s的延時無法滿足高速運動用戶的實時定位要求，如：飛機、導(dǎo)彈等。但對于車輛、船舶等慢速運動的用戶，其實時性是可以滿足的。三洋的物流配送主要采用車輛運輸，因此，北斗系統(tǒng)的定位響應(yīng)時間是可以滿足需求的。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然仍處在發(fā)展階段，但是其現(xiàn)有功能已經(jīng)可以滿足當前項目的所有需求，從項目需求、成本及安全性等角度考慮，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實現(xiàn)運輸車輛的實時定位及在途跟蹤完全可以且更符合當前的潮流，于此同時也可以促進北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。

5 系統(tǒng)展示

5.1 RFID標簽與手持終端

圖2 RFID標簽與手持終端

圖2(a)所示為我們所使用的RFID標簽的手持讀寫終端，該終端為合肥四創(chuàng)電子研發(fā)，其性能介紹如下：

(1)操作系統(tǒng)：Android 4.2；

(2)內(nèi)存容量：4G ROM,1G RAM；

(3)無線通訊：GPRS（選配）、WCDMA（3G，選配）、WIFI（標配）符合IEEE 802.11b/g；

(4)顯示屏：4.3寸IPS，分辨率為480*800，高清全視角，陽光下可見。

有關(guān)RFID標簽涉及到公司的技術(shù)研發(fā)的相關(guān)專利，因此這里不再附圖，只介紹相關(guān)的技術(shù)特性，如下：

(1)頻率：超高頻（915MHz）；

(2)作用距離：3m。

5.2 基于北斗導(dǎo)航的物流作業(yè)過程

圖2（b）所示為基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的車載北斗終端的外形圖，該設(shè)備為安徽四創(chuàng)電子研發(fā)。北斗車載終端是車輛監(jiān)控系統(tǒng)的車載終端設(shè)備，采用一體式結(jié)構(gòu)。車載終端產(chǎn)品采用北斗/GPS雙系統(tǒng)定位技術(shù)，車載終端利用CDMA/GSM通訊網(wǎng)絡(luò)，可方便實現(xiàn)對遠程車輛目標定位跟蹤服務(wù)，兼容PGIS系統(tǒng)。

北斗車載終端擁有汽車記錄儀全套功能，計算更快，存儲量更大，可接外圍設(shè)備更豐富，擁有GPRS上傳下載數(shù)據(jù)功能，擁有GPS定位功能?？蓪崟r監(jiān)控車輛位置，上傳車輛實時圖像，上傳實時事故信息，一切做到實時，能更有效規(guī)范司機的行為，更有效地防范劫車偷車等犯罪行為。由于事故信息可存儲到后臺服務(wù)器上，即使設(shè)備損壞，同樣有據(jù)可查，真正做到數(shù)據(jù)不丟失，證據(jù)完善。

圖3所示為本項目中在途跟蹤子系統(tǒng)的界面截圖。圖中右側(cè)為放大的地圖，車輛標志所在位置為在途運輸車輛實際位置在地圖中的映射。鼠標右鍵單擊車輛標志，則顯示車輛當前的具體信息——當前狀態(tài)、速度、車牌號、位置等，具體顯示如圖3所示。

圖3 在途跟蹤系統(tǒng)界面

6 總結(jié)

本篇論文是以家電物聯(lián)網(wǎng)項目為基礎(chǔ)，以當前家電企業(yè)的實際物流配送狀況為導(dǎo)向，著力于解決實際問題提高物流配送效率。

應(yīng)用RFID標簽對每個貨物進行唯一化標識，同時為解決RFID系統(tǒng)實際應(yīng)用時的閱讀器在讀取信號時的碰撞問題，我們采用幀時隙算法將每個標簽的信號單一化，避免了漏讀或是重復(fù)讀取信號。

另外，我們采用了當前國家大力推行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來實現(xiàn)對在途運輸車輛的在途跟蹤。為每一輛運輸車安裝車載北斗終端，通過北斗衛(wèi)星與地面指揮中心聯(lián)系，傳送當前車輛的狀態(tài)信息。以此來監(jiān)控車輛的實時狀況，監(jiān)控運輸途中貨物的情況。同時也可以由指揮中心向終端發(fā)信息，實現(xiàn)了雙向溝通。降低了運輸過程中貨物丟失、被無緣損壞的的風險，從而降低產(chǎn)品的總成本，提高了產(chǎn)品的利潤。

本篇論文是基于國家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項，以實地調(diào)研考察為基礎(chǔ)，以當下家電企業(yè)的物流配送現(xiàn)狀為原型，并實際運行測試。因此本篇論文貼合市場現(xiàn)狀，具有實用價值。限于項目經(jīng)費、時間等的限制，調(diào)研只集中在省內(nèi)，無法更全面地得出調(diào)研結(jié)論，并對當前的物流配送現(xiàn)狀做出更全面的改進，這將是下一步工作的重點。

[1]張文杰，田源，林自葵．電子商務(wù)下的物流管理[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

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[3]李振．物流學(xué)[M]．北京:中國鐵道出版社，1996．

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[7]田丹．基于嵌入式Linux的UHF智能RFID讀寫器的研究與實現(xiàn){D}．電子科技大學(xué)，2006．

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[10]龍昌生．北斗/GPS雙模導(dǎo)航終端關(guān)鍵模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．重慶大學(xué)，2011．

[11]徐曉波．GPS/BD雙模接收機捕獲跟蹤算法研究及實現(xiàn)[D]．西安科技大學(xué)，2013．

[12]苗龍．基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的特警運輸指揮系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]．廈門大學(xué)，2012．

TheApplication of RFID and BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System in Internet of Things

Qin Tong Qiao Xudong
(Anhui Sun Create Electronic CO.,LTD,Heifei 230000,Anhui)

As a new concept supported at the end of last century,internet of things owns a short history.This thesis is based on the internet-of-things project and the logistics and distribution of Royalstar.In the process,the technology of Radio Frequency Identification(RFID)is applied to identify each product.In addition,in order to solve the collision of response in the RFID system,ALOHA is applied not to miss or repeat the signal from one RFID label.Moreover BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System is applied to locate the trucks and the products on the way timely.So that the risk of losing product is reduced while the expense of each product reduces and the profit of company increases.

Internet of things；Radio Frequency Identification(RFID)；BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System；tracking；location

P228.4

：A

：1008-66609(2015)04-0019-04

秦彤，女，安徽人，碩士，技術(shù)研發(fā)，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，計算機視覺，圖像處理。

2014年國家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項（工信廳聯(lián)科[2014]74號）——大型家電企業(yè)物流作業(yè)管理物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用示范。