基于無線傳感器網絡的倉儲監控管理系統關鍵技術研究

劉 軍

（北京物資學院信息學院，北京市 101149）

一、引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）由部署在監測區域內的大量廉價、能量和處理能力等有限的微型傳感器節點組成，以無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，從而能夠相互協作地感知、采集、處理網絡覆蓋區域中監測對象的信息并報送給觀察者。無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、分布式監測、自組織以及不需要固定基礎設施支持等優點，可用于環境和設備狀態監測、安全預警、搶險救災等多個方面。[1]

無線傳感器網絡在物流管理中的應用具有很大的發展潛力，將無線傳感器網絡應用于現代物流管理能夠有效彌補現有物流監控管理在系統實時性、可靠性、有效性等方面的不足。如何將無線傳感器網絡成功應用于物流生產和管理，已經成為業內研究人員關注的熱點問題。

二、倉儲監控管理系統

倉儲是物流過程中一個重要的作業環節，隨著社會經濟的快速發展，現代倉儲系統不斷向規模化、專業化、信息化方向發展。為實現貨物儲存、中轉、配送以及信息傳遞等基本功能，現代倉儲系統不僅需要配備先進的搬運、傳送、存放、標識、計量等自動化作業設備，建立高效的作業流程，還需要配備特定的倉儲監控管理系統。

1.倉儲作業管理

倉儲作業管理信息系統不僅能對倉儲作業過程中發生的出入庫貨物的品種、數量、時間、頻率以及庫中結存等各種數據進行詳細記錄，而且能夠利用這些信息對各作業環節進行有效控制，通過對這些信息進行分析處理，制定合理的操作策略，維持必要的庫存水平，保證倉庫中貨物的正常移動，確保進貨、訂單揀選、發貨等作業環節銜接通暢。[2]

2.倉儲環境監測

為最大限度地降低環境變化對貨物造成的不良影響，需要對倉儲作業環境變化進行實時監測，并通過各種調節手段保證最佳的環境狀況，確保貨物出入庫及儲存期間的安全。表征倉儲環境狀況的參數較多，包括溫度、濕度、光照度、空氣含氧量、振動、庫存貨物的位置等。倉儲環境監測就是要利用各種先進的檢測手段對上述參數進行實時測量、記錄、計算、報警等，以達到監控倉儲運行環境安全狀況和為將來改善倉儲作業環境提供歷史分析數據的目的。

3.倉儲作業設備監控

倉儲作業設備尤其是傳送和揀選設備，其工作狀況的正常與否直接影響著整個倉儲作業的安全性。因此，倉儲自動化程度越高，就越需要對作業設備運行狀態進行實時監測、記錄、報警和處理?，F代倉儲系統一般都需要配備作業設備監控系統，對關鍵作業設備進行實時監測和安全處理，其目的在于確保倉儲作業高度的可靠性、高度的安全性和較高的效率。

4.基于無線傳感器網絡的倉儲監控管理系統

倉儲生產包括貨物入庫、儲存保管、揀選、出庫等作業環節，倉儲生產的組織必須堅持安全、高效、低耗的原則，應充分利用先進的作業流程、自動化機械設備以及管理信息系統，實現倉儲的快進快出，提高倉儲效率，降低生產成本。[3]隨著倉儲規模的不斷擴大以及自動化水平的不斷提高，配備先進的倉儲監控管理系統，成為現代倉儲系統管理的必然選擇。

把無線傳感器網絡應用于環境監測和設備狀態監控，具有獨特的技術優勢，將無線傳感器網絡應用于倉儲環境監測和倉儲作業設備運行狀態實時監控并不存在技術上的障礙?？梢栽O想，在傳統倉儲作業管理信息系統中附加基于無線傳感器網絡的倉儲環境監測和倉儲作業設備運行狀態監控功能，構建基于無線傳感器網絡的倉儲監控管理系統，就可以實現對倉儲信息、倉儲環境監測、倉儲設備監控和倉儲作業調度的統一計算機管理。

三、應用中的幾項關鍵技術

無線傳感器網絡具有電源能量有限、通信能力有限、節點計算能力有限、傳感器節點數量多且分布范圍廣、網絡動態性強、感知數據流大、以數據為中心等特點，[4]將無線傳感器網絡應用于倉儲監控管理，需要針對應用環境的特殊性，重點研究解決三個方面的技術難題。

1.單節點多參數檢測與傳送

倉儲系統存儲的貨物不同，需要監測的環境參數不同，設定參數的安全范圍值也就不同。[5]但有一點是共同的，那就是倉儲系統同時需要監測的參數通常不止一個，一般是四五個，甚至有時多達十幾個。例如，對于糧倉環境至少需要監測溫度、濕度、光照度、空氣含氧量四個參數。因此，在現有技術的支持下，充分考慮無線傳感器網絡的固有特性，以滿足測量精度的要求和節能為目標，[6]研制開發具有感知和傳送多參數能力的無線傳感器網絡節點設備，是實現基于無線傳感器網絡的倉儲環境監測的第一步。

倉儲作業設備運行狀態監控功能的實現，需要從實際出發根據倉儲系統配置設備的重要性、作業流程的安全性以及作業信息管理系統的需求來確定。通常，倉儲作業設備需要監測的參數不止一個，如位置、位移、速度、加速度、轉速等，因此用于作業設備運行狀態監控的無線傳感器網絡節點設備也應該具備感知和傳送多個參數的能力。

根據應用模式的不同，無線傳感器網絡可分為主動式和反應式兩類。主動式無線傳感器網絡以恒定的速率周期性地發送所監測的對象數據，適用于對實時性要求不高的情況；反應式無線傳感器網絡只是在被觀測變量發生突變時才傳送數據，一般用于處理事件發生概率較低的情況。考慮到倉儲環境參數測量與設備狀態監測的實時性需求，應研制開發面向實時監測的混合式無線傳感器網絡，在兼顧數據采集、數據處理及數據無線傳送功能的同時，重視對長生命周期和實時性的要求。

2.節點的三維空間部署

網絡節點部署是無線傳感器網絡在具體應用中需要首先解決的問題，它直接關系到網絡監測信息的準確性、完整性和時效性。所謂節點部署，就是在一定的區域內，采取適當的策略布置傳感器節點，以滿足某種特定的需求。優化節點數目與節點分布形式，高效利用有限的傳感器網絡資源，最大程度地降低網絡能耗，這些都是節點部署時需要注意的問題。[7]

倉儲系統是在三維空間內儲存貨物，倉儲作業設備也是在三維空間內裝配或移動，因此無線傳感器網絡在倉儲系統中的節點部署自然也是在三維空間內的部署。目前，無線傳感器網絡節點部署方面比較有價值的研究成果主要集中于二維平面，無線傳感器網絡節點三維空間部署方面的研究較少，而可以直接應用的研究成果更少。劉華峰、金士堯研究了基于體心立方格的三維傳感器網絡部署與組織，提出了具體的實施技術方案，盡管該成果距離實際應用仍然很遠，卻為我們研究倉儲系統無線傳感器網絡節點三維空間部署提供了思路。[8]

研究發現，一種有效的節點部署方案是將確定的倉儲空間進行基于立方體或球體的有限元劃分，并賦予每個有限元三維空間物理地址，采用某種優化算法，[9]、[10]、[11]確定最優節點數目和分布?？紤]到倉儲三維物理尺寸一般都在百米之內，無線傳感器網絡選用星型網絡拓撲結構，這樣節點數目和分布計算就會變得相對簡單一些，節點定位與能源管理也會變得相對容易一些。

3.信息處理與信息融合

在研制開發具有感知和傳送多參數能力的無線傳感器網絡節點設備時，應綜合考慮無線傳感器網絡節點與上位監測應用軟件在信息處理分工和信息使用等方面的問題。無線傳感器網絡節點的計算能力、存儲容量是有限的，可以考慮把物理定位、采集數據預處理、超限報警判斷等初級信息處理工作交給無線傳感器網絡節點完成，而將與倉儲作業相關的信息處理、信息融合及監控處理等安排在上位計算機監控和信息處理中心完成。

倉儲監控管理系統的上位計算機是系統的大腦，是實現倉儲管控一體化的核心，其中傳統倉儲作業管理信息系統的功能一項都不能少。無線傳感器網絡采集的信息可以作為倉儲作業安排的參考，這種方案是較低層次的應用。而要真正提升倉儲管理水平，必須滿足運行環境對安全性的要求，并以對來自無線傳感器網絡信息的響應力度級別設置為依據，研究無線傳感器網絡采集的信息如何影響作業流程的動態調整。

四、總結

倉儲作業需要配備先進的倉儲監控管理系統。開發基于無線傳感器網絡的倉儲監控管理系統，需要研制開發具有感知和傳送多參數能力的無線傳感器網絡節點設備，建立混合式無線傳感器網絡；為滿足網絡覆蓋度與連通度的要求，需要重點研究無線傳感器網絡節點的三維空間部署，一種有效的節點部署方案是將確定的倉儲空間進行基于立方體或球體的有限元劃分；為滿足對倉儲信息與倉儲作業調度的統一計算機管理，需要研究幾類信息的綜合處理與信息融合。

資助本文的研究項目已經完成了系統整體構成框架設計、倉儲環境監測參數分析、無線傳感器網絡節點設備研制、上位監控界面開發等工作，并在實驗室完成了聯網測試。下一步工作是針對具體的示范工程，確定需要監測的環境信息和需要監控的作業設備，以無線傳感器網絡節點的三維空間部署與組織管理為切入點，研究基于無線傳感器網絡信息動態調整倉儲作業流程的技術方案，以管控一體化的思想為指導，集成工程應用系統。

＊本文系北京市教育委員會科技計劃項目“倉儲運行環境監測系統開發”（項目編號：KM200910037001）和北京市屬高等學校人才強教計劃項目“科研創新團隊項目”（項目編號：PHR201007145）、“學術創新人才項目”（項目編號：PHR201006129）的階段性研究成果。

[1]王璐超，劉軍.無線傳感器網絡在物流中應用的關鍵技術與前景分析[J].物流技術，2010，29（5）：141-143.

[2]、[3]劉軍，左生龍.基于構件開發倉儲作業管理信息系統 [J].中國流通經濟，2004（10）：37-39.

[4]李建中，高宏.無線傳感器網絡的研究進展 [J].計算機研究與發展，2008，45（1）：1-15.

[5]朱曉東，劉軍.倉儲環境監測參數分析[J].物流技術，2009，28（10）：25-27.

[6]袁朝輝，王高峰.基于數據融合確保目標檢測精度的傳感器節點布置[J].計算機科學，2009，20（22）：51-54.

[7]、[9]傅質馨，徐志良，黃成，吳曉蓓.無線傳感器網絡節點部署問題研究 [J].傳感器世界，2009，36（9）：2737-2741.

[8]、[10]劉華峰，金士堯.基于體心立方格的三維傳感器網絡部署與組織[J].計算機工程與科學，2008，38（4）：109-112.

[11]姚焯善，王雷，湯念，張大方.基于立方體剖分的傳感器網絡快速三維k-覆蓋判定算法[J].計算機應用，2007，27（2）：507-509.