基于传感器网络和有源RFID的集装箱管理系统

　　1 概述

　　目前集装箱管理主要通过信息管理系统结合人工非实时性手工数据录入来实现，有些先进的管理系统中采用图像识别技术，利用摄像头来识别箱号。这些传统的对集装箱的跟踪、管理和调度方法存在效率低、人力成本高、出错率高、实时性差等问题。电子标签(RFID)技术被尝试性地应用到集装箱管理中，并取得了很好的效果。但RFID采用被动发射技术，在数据采集过程中对人员的依赖性很大，并且也未能较好解决对堆场内集装箱信息的实时采集等问题。

　　无线传感器网络技术近几年迅速发展，也是国内外学术界讨论的热点之一。该技术与同样迅速发展的有源RFID技术有着密切联系。本文结合这2种技术，通过对堆场的实际考察，提出4层架构的堆场集装箱管理方案，设计结合堆场实际情况的传输协议和集装箱定位算法，并完成一个可实际应用的系统。

　　2 基于传感器网络的集装箱管理系统

　　2．1 集装箱管理

　　集装箱的管理主要可分为2个部分：(1)集装箱的使用和调度管理，包括集装箱的分配、调度、起租、退租、保险、修理、报失等集装箱业务信息的管理；(2)集装箱状态信息的管理，包括集装箱的位置信息、分类信息、箱体内货物信息等。对于非实时信息，目前已经有相对成熟的集装箱管理软件。而对于第2部分中的很多信息，多数情况下通过增加大量人力成本来解决。本文所提出的传感器网络的应用主要是针对第2部分设计的，可有效提高集装箱信息采集和管理的效率。

　　2．2 系统分析及架构

　　集装箱堆场中有多个矩形的集装箱堆放区域，每个区域可并列排放4个一6个箱子，每一排可叠放4层一6层，每个区域有1架集装箱起重器来负责对区域内的集装箱进行搬运操作，整个堆场有2．4 GHz的无线网络覆盖。图l说明了系统的网络结构。

图1 网络结构

　　传感器节点根据堆场的具体情况设计成3类：第1类节点是放置在集装箱体的节点，负责发送集装箱信息；第2类节点是部署在起重机架上的节点，负责采集集装箱信息并可感知第1类节点发送的信号强度；第3类节点是安置在起重机控制室的节点，该节点负责收集第2类节点的信息，并与无线网络相连，将收集到的信息发送到总控制室。每个堆放区域由1个第3类节点负责。图2说明了系统的节点部署方案。

图2 节点部署

　　2．3 系统实现

　　节点的硬件结构如图3所示。其中，控制芯片和发射芯片分别为MC9S08GT60” 微处理器与MC13192 2．4 GHz无线收发芯片 。第1类节点中安装了加速度传感器，用来感知集装箱的运动状态。第3类节点通过串ISI连接Levave公司提供的R36 GPS定位模块，用于获得集装箱起重器的位置信息，并连接WLAN模块来完成传感器网络与WLAN的桥接。

图3 节点硬件结构

　　节点软件结构如图4所示。

图4 节点软件结构

　　在MAC的上层，本文用状态机来控制3类节点的睡眠、收发以及对外部事件的响应。节点在启动之后，首先进入初始化状态，对系统进行初始化后，3类节点会进入3种不同的状态机循环。第1类节点的状态包括：低功耗睡眠状态，外部事件查询状态，接收状态，发送状态和发送中止状态。它关注的事件和接收的信息包括：外部控制信息和读写信息，加速度传感器和集装箱信息；第2类节点的状态包括低功耗状态，接收状态，应答状态，数据包准备送状态，数据上传状态和数据写入状态。它关注的事件主要为第3类节点发出的控制信息和第1类节点发出的数据信息；第3类节点包括信息接收状态，指令发送状态，等待应答状态，数据上传状态。它负责对第2类节点进行控制并收集从第2类节点得到的数据信息，并完成从传感器网络与WLAN的桥接。

　　根据该特定的应用和网络结构，在数据包和路由方面也进行了简化。由于节点的收发距离都比较远，因此在第2类节点之间不产生路由，即所有第2类节点收到和形成的数据均直接发送给第3类节点。网络中的数据包格式包括数据包类型和数据包源、数据包目的地、数据包长度、数据内容4个可选内容。同时，在数据打包的过程中对数据进行了简单的调整和压缩，以减少数据包的长度。

　　此外，笔者充分利用所使用的芯片的特性来降低第1类节点的功耗。在低功耗睡眠状态中，首先调用SMAC接口函数使无线收发芯片进入睡眠状态，控制器进入STOP状态。由于控制器进入STOP状态的功耗约为正常工作的1／10 000，而收发芯片睡眠状态与收发状态的功耗比也约为1／10 000，与空闲状态的功耗比为11200左右，因此，该等待方式可有效减少节点的功耗，延长节点的使用寿命。

　　2．4 集装箱定位

　　本系统通过传感器网络来确定集装箱的位置。为达到定位的目的，假定2个事实作为前提：(1)堆场中集装箱堆放区域位置信息已知；(2)所有堆放区域中所堆放的集装箱都由且只由该堆放区域中的集装箱起重机操作完成。这样首先可通过起重机上的GPS装置来确定起重机的位置，然后可通过获得起重机正在操作集装箱的位置信息，由于堆放区域内所有的集装箱操作都是由起重机来完成的，因此一旦获得起重机所操作的集装箱的位置信息，便可获得堆放区域中所有集装箱位置的改变信息，从而确定每个集装箱的位置。

　　集装箱的位置信息由第2类节点根据收到第1类节点的信号强度计算获得。MC13192芯片提供计算输入信号强度的功能，并由SMAC层的接口函数提供给上层应用。其感应灵敏度如图5所示，最小输入信号强度可达-85 dBm。

图5 MC13192输入信号灵敏度

　　2个节点之间的信号强度与距离成一定的函数关系。因此，按图6所示的摆放方案进行节点定位。

图6 节点定位

　　通过6个固定节点所获得的移动节点的信号强度便可得到移动节点的位置。由于集装箱本身有一定的宽度和高度，因此要判断到目前所移动到的排数和层数只需要1 m-2 m的精度范围就可满足要求，在实际使用过程中，使用学习算法来确定移动节点的位置，定位精度约为1 m，符合系统要求。

　　3 结束语

　　本文给出将无线传感器网络和有源RFID技术应用于集装箱管理的一个实际案例，完成了符合该次应用的传感器网络架构设计与传输协议设计，并将传感器网络的定位方案引入集装箱管理当中。仿真结果证明，该设计可提高集装箱查找效率，节约人力成本和时间成本。