基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和有源RFID的集裝箱管理系統(tǒng)

　　1 概述

　　目前集裝箱管理主要通過信息管理系統(tǒng)結(jié)合人工非實時性手工數(shù)據(jù)錄入來實現(xiàn)，有些先進的管理系統(tǒng)中采用圖像識別技術(shù)，利用攝像頭來識別箱號。這些傳統(tǒng)的對集裝箱的跟蹤、管理和調(diào)度方法存在效率低、人力成本高、出錯率高、實時性差等問題。電子標(biāo)簽(RFID)技術(shù)被嘗試性地應(yīng)用到集裝箱管理中，并取得了很好的效果。但RFID采用被動發(fā)射技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集過程中對人員的依賴性很大，并且也未能較好解決對堆場內(nèi)集裝箱信息的實時采集等問題。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近幾年迅速發(fā)展，也是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界討論的熱點之一。該技術(shù)與同樣迅速發(fā)展的有源RFID技術(shù)有著密切聯(lián)系。本文結(jié)合這2種技術(shù)，通過對堆場的實際考察，提出4層架構(gòu)的堆場集裝箱管理方案，設(shè)計結(jié)合堆場實際情況的傳輸協(xié)議和集裝箱定位算法，并完成一個可實際應(yīng)用的系統(tǒng)。

　　2 基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的集裝箱管理系統(tǒng)

　　2．1 集裝箱管理

　　集裝箱的管理主要可分為2個部分：(1)集裝箱的使用和調(diào)度管理，包括集裝箱的分配、調(diào)度、起租、退租、保險、修理、報失等集裝箱業(yè)務(wù)信息的管理；(2)集裝箱狀態(tài)信息的管理，包括集裝箱的位置信息、分類信息、箱體內(nèi)貨物信息等。對于非實時信息，目前已經(jīng)有相對成熟的集裝箱管理軟件。而對于第2部分中的很多信息，多數(shù)情況下通過增加大量人力成本來解決。本文所提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要是針對第2部分設(shè)計的，可有效提高集裝箱信息采集和管理的效率。

　　2．2 系統(tǒng)分析及架構(gòu)

　　集裝箱堆場中有多個矩形的集裝箱堆放區(qū)域，每個區(qū)域可并列排放4個一6個箱子，每一排可疊放4層一6層，每個區(qū)域有1架集裝箱起重器來負責(zé)對區(qū)域內(nèi)的集裝箱進行搬運操作，整個堆場有2．4 GHz的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。圖l說明了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　傳感器節(jié)點根據(jù)堆場的具體情況設(shè)計成3類：第1類節(jié)點是放置在集裝箱體的節(jié)點，負責(zé)發(fā)送集裝箱信息；第2類節(jié)點是部署在起重機架上的節(jié)點，負責(zé)采集集裝箱信息并可感知第1類節(jié)點發(fā)送的信號強度；第3類節(jié)點是安置在起重機控制室的節(jié)點，該節(jié)點負責(zé)收集第2類節(jié)點的信息，并與無線網(wǎng)絡(luò)相連，將收集到的信息發(fā)送到總控制室。每個堆放區(qū)域由1個第3類節(jié)點負責(zé)。圖2說明了系統(tǒng)的節(jié)點部署方案。

圖2 節(jié)點部署

　　2．3 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，控制芯片和發(fā)射芯片分別為MC9S08GT60” 微處理器與MC13192 2．4 GHz無線收發(fā)芯片 。第1類節(jié)點中安裝了加速度傳感器，用來感知集裝箱的運動狀態(tài)。第3類節(jié)點通過串ISI連接Levave公司提供的R36 GPS定位模塊，用于獲得集裝箱起重器的位置信息，并連接WLAN模塊來完成傳感器網(wǎng)絡(luò)與WLAN的橋接。

圖3 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

　　節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)

　　在MAC的上層，本文用狀態(tài)機來控制3類節(jié)點的睡眠、收發(fā)以及對外部事件的響應(yīng)。節(jié)點在啟動之后，首先進入初始化狀態(tài)，對系統(tǒng)進行初始化后，3類節(jié)點會進入3種不同的狀態(tài)機循環(huán)。第1類節(jié)點的狀態(tài)包括：低功耗睡眠狀態(tài)，外部事件查詢狀態(tài)，接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)和發(fā)送中止?fàn)顟B(tài)。它關(guān)注的事件和接收的信息包括：外部控制信息和讀寫信息，加速度傳感器和集裝箱信息；第2類節(jié)點的狀態(tài)包括低功耗狀態(tài)，接收狀態(tài)，應(yīng)答狀態(tài)，數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備送狀態(tài)，數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)和數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)。它關(guān)注的事件主要為第3類節(jié)點發(fā)出的控制信息和第1類節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)信息；第3類節(jié)點包括信息接收狀態(tài)，指令發(fā)送狀態(tài)，等待應(yīng)答狀態(tài)，數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)。它負責(zé)對第2類節(jié)點進行控制并收集從第2類節(jié)點得到的數(shù)據(jù)信息，并完成從傳感器網(wǎng)絡(luò)與WLAN的橋接。

　　根據(jù)該特定的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)包和路由方面也進行了簡化。由于節(jié)點的收發(fā)距離都比較遠，因此在第2類節(jié)點之間不產(chǎn)生路由，即所有第2類節(jié)點收到和形成的數(shù)據(jù)均直接發(fā)送給第3類節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包格式包括數(shù)據(jù)包類型和數(shù)據(jù)包源、數(shù)據(jù)包目的地、數(shù)據(jù)包長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容4個可選內(nèi)容。同時，在數(shù)據(jù)打包的過程中對數(shù)據(jù)進行了簡單的調(diào)整和壓縮，以減少數(shù)據(jù)包的長度。

　　此外，筆者充分利用所使用的芯片的特性來降低第1類節(jié)點的功耗。在低功耗睡眠狀態(tài)中，首先調(diào)用SMAC接口函數(shù)使無線收發(fā)芯片進入睡眠狀態(tài)，控制器進入STOP狀態(tài)。由于控制器進入STOP狀態(tài)的功耗約為正常工作的1／10 000，而收發(fā)芯片睡眠狀態(tài)與收發(fā)狀態(tài)的功耗比也約為1／10 000，與空閑狀態(tài)的功耗比為11200左右，因此，該等待方式可有效減少節(jié)點的功耗，延長節(jié)點的使用壽命。

　　2．4 集裝箱定位

　　本系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)來確定集裝箱的位置。為達到定位的目的，假定2個事實作為前提：(1)堆場中集裝箱堆放區(qū)域位置信息已知；(2)所有堆放區(qū)域中所堆放的集裝箱都由且只由該堆放區(qū)域中的集裝箱起重機操作完成。這樣首先可通過起重機上的GPS裝置來確定起重機的位置，然后可通過獲得起重機正在操作集裝箱的位置信息，由于堆放區(qū)域內(nèi)所有的集裝箱操作都是由起重機來完成的，因此一旦獲得起重機所操作的集裝箱的位置信息，便可獲得堆放區(qū)域中所有集裝箱位置的改變信息，從而確定每個集裝箱的位置。

　　集裝箱的位置信息由第2類節(jié)點根據(jù)收到第1類節(jié)點的信號強度計算獲得。MC13192芯片提供計算輸入信號強度的功能，并由SMAC層的接口函數(shù)提供給上層應(yīng)用。其感應(yīng)靈敏度如圖5所示，最小輸入信號強度可達-85 dBm。

圖5 MC13192輸入信號靈敏度

　　2個節(jié)點之間的信號強度與距離成一定的函數(shù)關(guān)系。因此，按圖6所示的擺放方案進行節(jié)點定位。

圖6 節(jié)點定位

　　通過6個固定節(jié)點所獲得的移動節(jié)點的信號強度便可得到移動節(jié)點的位置。由于集裝箱本身有一定的寬度和高度，因此要判斷到目前所移動到的排數(shù)和層數(shù)只需要1 m-2 m的精度范圍就可滿足要求，在實際使用過程中，使用學(xué)習(xí)算法來確定移動節(jié)點的位置，定位精度約為1 m，符合系統(tǒng)要求。

　　3 結(jié)束語

　　本文給出將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和有源RFID技術(shù)應(yīng)用于集裝箱管理的一個實際案例，完成了符合該次應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計與傳輸協(xié)議設(shè)計，并將傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方案引入集裝箱管理當(dāng)中。仿真結(jié)果證明，該設(shè)計可提高集裝箱查找效率，節(jié)約人力成本和時間成本。