基于RFID与WSN集成的物联网的供应链监管平台设计

摘  要： 关键词： 无线传感器网络；无线射频识别；物联网；供应链；EPC
       随着工业自动化和企业信息化进程的发展，企业对产品生产周期要求越来越短。因此，供应链管理SCM(Supply Chain Management)越来越重要[1]。从其本质看，与环境的交互能力越强，交互数据越实时，越能更好地对供应链实施监管，则更能发挥供应链管理的作用。随着目前企业活动规模的扩大，产业链的加长，有必要建立全球性的基于物联网的供应链监管体系，为物品流通创建一条可追溯、可查验物品实时状态的信息链，有助于改善供应链上节点企业间的合作模式，增进企业生产和管理效率，增强政府的监管力度。
　通过无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)获取物理世界的数据，无线射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)搭建起物理世界与信息世界的桥梁，将两者进行有机结合，可以将物理世界与现有的信息世界进行良好的融合,再通过Internet与EPCglobal系统连接，在一个统一的供应链物联网的平台运作。依托EPC作索引，获取标识物品的状态，将此状态信息融入物品的信息链中，实现基于物联网的供应链监管的功能。
1 技术基础
1.1 WSN和RFID
　WSN由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，是一种能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统,是一种与实际环境交互的网络，能够通过安装在微小节点上的各种传感器从真实环境中获取相关数据，然后通过自组织的无线网络将数据传送到计算能力更强的通用计算机上进行处理[2]。
　RFID是一种非接触的自动识别技术，其RFID标签附着在被识别的物体上，当标签通过可识别范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标志信息的功能[3]。
     WSN和RFID的集成，从技术层面上看是两种异质的网络集成，实现的备选协议很多。本文选择以IEEE 802.15.4、ZigBee协议为纽带，把 WSN和RFID有机地集成网络，结合EPCglobal系统配置软件平台架构，形成基于物联网的供应链监管平台。
1.2 IEEE 802.15.4
　IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型(OSI),其标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频批发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。IEEE802.15.4协议的网络拓扑结构有三种类型：星型结构、网格状结构和簇状结构。IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
1.3 ZigBee
　    ZigBee技术是WSN的主要支撑技术之一，其协议栈的结构如图1所示。ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，IEEE为低能耗简单设备提供有效覆盖范围在10～100 m的低速连接无线互联标准。该标准定义了ZigBee协议套件中的物理层(PHY)和数据链路层的MAC子层。IEEE仅处理低级MAC层和PHY协议，网络层以上协议由ZigBee联盟制定并对其网络层协议和API进行了标准化。
   
   1.4 EPC和EPCglobal架构与标准
     EPC(Electric Product Code)和EPCglobal架构与标准是目前全球规模的供应链管理体系的一项重要研究成果，构建出一套由统一标识编码(EPC)和信息网络系统组成的全球信息网络EPCglobal。实现和推广EPCglobal有望在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，保证供应链各环节信息采用全球统一标准进行自动、实时识别。通过发展和管理EPC网络标准来提高供应链上贸易单元信息的透明度与可视性，以此提高全球供应链的运作效率。传统的Internet是与实际环境无关的纯信息网络,而EPCglobal本质上是通过某种技术手段将真实环境中的物流，映射为虚拟的信息链，其数据来源于真实环境，并服务于真实环境。因此，可以作为基于物联网供应链管理系统的基础条件。
　以RFID为基础，以EPC标识系统为核心的EPCglobal可较好地实现对企业产品的信息追溯，但难以实现对产品在制造、运输、仓储等环节中的状态保持监控。而企业的供应链管理已经涉及到上下游的管理， 但EPCglobal网络不能完全地支撑供应链管理的概念，难以对生成环节产生作用。其关键在于EPCglobal要获知物品的状态信息，进一步增强EPCglobal对真实环境的交互能力。要做到这一点，WSN网络系统是最佳选择。
2 RFSN网络的层次和体系结构
     把WSN和RFID的技术优势互补，形成一个功能更强的RFSN网络，应设计一个合适的网络体系结构,其层次模型由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成[4]。各层功能如下：
　(1)物理层的功能包括信道的选择、信号的监测、发送与接收等，设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。可以根据可用性、拥挤状况和数据速率,在2.4 GHz频段的16个速率为250 kb/s的信道中选择一个工作信道。
　(2)数据链路层是保证物理层传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率,提供设备之间单跳通信、可靠传输和通信安全。IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC和MAC两个子层。其中,LLC子层的主要功能是传输可靠性的保障和控制;MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口，IEEE 802.15.4的MAC层基于802.11无线LAN标准，采用CSMA/CA接入，为降低功耗其标准采用了缓存机制。
　(3)网络层的功能包括分组路由、拥塞控制等。
　(4)传输层的功能主要是提供可靠的传输服务、流量控制、差错控制、服务质量等管理服务。为设计简便，可以采用ZigBee协议的网络层。其基于Ad hoc技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还具有与底层IEEE802.15.4标准同样的低能耗特性，同时实现了网络的自组织和自维护。整个协议的设计具有数据传输速率低、功耗低、成本低等特点，使得具体的实现要求很低。
　(5)应用层主要功能是保障数据传输安全和提供高层应用规范。本设计采用ZigBee定义了一个抽象接口，平台提供了应用编程接口(API)，API定义了应如何被集成到ZigBee协议栈的规则。
　RFSN网络的体系结构如图2所示,包括传感器节点Node、汇聚节点Sink (阅读器)[4]、网关和服务器。无论是传感器标签节点还是RFID阅读器，都是IEEE 802.15.4网络中的全功能设备，它们随机组成点对点网络，相互之间进行通信。阅读器和节点的通信部分都是基于支持IEEE802.15.4的无线收发芯片组成，阅读器由于其位置相对固定，其能量可以获得较为充分的保证，数据融合和数据管理可以在上面进行，阅读器将其收集并经过初步融合的信息传递给中间件服务器，最后交由应用服务器进行具体应用。
   
   3 系统体系结构
　在将WSN与RFID进行了有机融合以后，便能够对客观世界的信息有确切的了解，数据通过服务总线传送到业务逻辑层进行处理，将处理后的数据存入数据库中或传送给相关的应用系统[5]。
3.1 中间件设计
　中间件的基础架构层分为设备管理层、事件处理层和服务接口层，这三个层次有着明确的功能划分和层间的交互接口。中间件结构示意图如图3所示。该结构的思想是将软件从底层的硬件分离开来，并将软件划分成相应的功能模块。在较高抽象层上提出了节点的软件层次体系结构以及整个软件层次体系结构。采用该结构可以简化软件开发，提高软件在实际应用中的可重用性、可靠性和可伸缩性。
   
   3.1.1 设备管理层
　设备管理层位于架构的最底层，直接与阅读器交互。设备管理组件是分布式的代理，它负责第一级的事件过滤。设备管理包含设备询问器，对每一个阅读器和传感器设备，代理必须互相作用。过程管理组件通过对事件下一级的过滤，把事件放置到交易环境中，然后发布应用层事件ALE(Application Layer Event)。
　阅读器模块是根据硬件供应商提供的规范进行编码实现的。阅读器接口的主要功能是将来自协议格式数据转化为系统所需要的EPC码的问题。
　服务代理依靠一种轻量的消息传递信息。该消息类似于SOAP在Web Service中起到的作用。鉴于通常的WSN节点计算与存储能力有限,不适合使用XML作载体，因此必须基于位级制定包格式[6],如下所示：
     struct L_SOAP    //定义L_SOAP结构
     {
     uint8 msg_type;
     uint64 requester;
     uint64 provider;
     string service_name;
     uint8 paramlenth;
     void* param;
     }
　事件信息空间类似一个公共的容错事件信息经纪人,支持异步接收来自设备管理器的事件、ALE事件以及其他来自事件过程管理的配置需求。
　数据融合组件将WSN和RFID标签中的数据建立联系以便于用户进行级联查询。
3.1.2 事件处理层
　设备管理层产生事件，并将事件传递到消息系统中，由事件管理过程进行处理，然后把数据传递到相关的应用系统。在这种模式下，阅读器不必关心哪个应用系统需要什么数据。同时，应用程序也不需要维护与各个阅读器之间的网络通道，仅需要将需求发送到消息系统中即可。
3.1.3 服务接口层
　对于ALE，中间件是一个数据源，底层实际的RFSN网络设备的工作对用户透明。由于供应链监控的的实时性，在生产和仓储中对环境的监控，需要传感器即时地传送采集数据，可用发布/订阅模式实现消息通信[6]。
　来自事件处理层的数据最终是XML文件,数据以XML文件的形式保存，提供给相应的应用程序使用。服务接口层主要是对上述数据进行过滤入库操作及提供访问数据库的服务接口。下面是中间件服务程序[7]的接口函数部分代码：
     uint8_ t LLCInit(void (*reMsgCallBack) ( const uint8 _ t *bu, f uint8_t len, uint16_t SrcPANId, uint16_t SrcAddr, uint16_tLQI)，
　　void (*SendMsgCallBack)(SendResult_t));                ∥初始化逻辑链路
　　uint8_t LLCStart(void);                                ∥启动逻辑链路
　　uint8_t LLCSendMsg(constuint8_t*bu, f uint8_t len);        ∥发送数据
3.2平台体系结构
　系统主要由数据采集子系统、EPC信息服务、在线数据处理、用户接口等部分组成。其中数据采集子系统由RFSN网络组成，其他部分是软件环境。系统体系结构如图4所示。
   
   　系统除了有机联系物理世界与信息世界外，还将网络上的硬件、中间件与企业系统连接起来，使得由分布物理事件所形成的数据能够传递到物联网监控系统平台中，从而实现系统业务流程的整合和改进，为系统业务的重构提供稳定、高效、灵活的解决方案。整个平台使其底层WSN和RFID设备对用户透明，并提供对外抽象的设备接口和数据接口，具有良好的开放性[4]。由于提高了系统的利用率、可维护性和可移植性，使对系统的投资可以在应用中获得最佳收益。
4 工作流分析
　　以仓储管理为例，用户需要确认货物是否保存在合适的温度、湿度或电磁等环境条件下。其工作流程[6]如下：
    (1)用户通过连接企业信息系统的EPC信息服务系统（EPCIS）输入货物的EPC编码，向EPCglobal网络提交查询此货物的位置和环境参数。EPCglobal通过对象名解析系统（ONS）定位至仓库所属的EPCIS。EPCIS根据请求向ALE中间件发送请求数据的请求。ALE向中间件发出基于Web Service的数据请求(如SOAP消息)。
　(2)通过对SOAP消息的解析，中间件对EPC索引的信息进行查询;从RFID标签获取位置信息，从RFSN即时获取环境信息;查询货物的位置信息(包括PAN ID信息获取);激活PAN ID对应的RFSN区域，将请求转换为L_SOAP包，向服务代理提交服务请求。
　(3)驻留于中间件上的Agent将L_SOAP包发送至与其直接相连的汇聚节点Sink。Sink将请求在RFSN内广播。接收到广播包的节点首先判断自己是否提供L_SOAP中的服务，如果提供，则由Agent执行此服务。
　(4)传感器检测得到环境信息返回RFSN的Sink点，作为服务结果返回中间件。中间件经过数据绑定，将最终结果反馈给ALE,再通过EPCglobal机制将结果返回用户。
     把WSN与RFID有机集成，作为系统底层网络，与EPCglobal结合,在Internet上构建一个可溯源的供应链网络，可连接物理世界和信息世界，拓宽和深化物联网的信息管理，实现在供应链监管平台上的应用。
参考文献
[1] 马士华, 林勇. 供应链管理[M]. 北京：高等教育出版社,  2007.
[2] 孙利民, 李建中, 陈渝,等. 无线传感器网络[M]. 北京:清华大学出版社, 2005.
[3] FINKENZELLER K. 射频识别技术[M](第三版).吴晓峰, 陈大才,译.北京: 电子工业出版社,2001.
[4] 邹永祥,吴建平. RFID技术和无线传感器网络的融合-RFSN[J]. 科技信息, 2009,14:367-368.
[5] 李斌, 李文锋. WSN与RFID技术的融合研究[J]. 计算机工程, 2008,34(9):127-129.
[6] 彭磊, 袁海, 吴磊,等. WSN集成EPCglobal: 环境感知的供应链监管[J]. 计算机应用, 2008,28(6):1616-1619.
[7] 石为人.中间件在无线传感器网络节点设计中的应用[J].传感器与微系统, 2008,27(7):111-113.