物流管理的實時跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)

1、物流管理的實時跟蹤監(jiān)控系統(tǒng) 目錄目錄 系統(tǒng)方案 1、項目簡介、項目簡介 課題來源 選題意義 1、項目簡介、項目簡介 課題來源 選題意義 1.1 課題來源課題來源 河南省教育廳自然科學研究計劃項目 項目編號2008A510018 1、項目簡介、項目簡介 課題來源 選題意義 1.2 選題意義選題意義 物流技術(shù)信息化的落后對物流系統(tǒng)產(chǎn)生了以下不利影響： 結(jié)果歸因一 中國物流企業(yè)缺少對貨品全過程的溫度的實時監(jiān)測 導致冷鏈物流損耗嚴重 對環(huán)境溫度要求較高的貨品包括藥品、快餐原料、速凍食品、冰淇淋、奶制品、包裝熟食、蔬菜、水果、肉、禽、蛋、水產(chǎn)品、花卉等 根據(jù)中國食品工業(yè)協(xié)會資料顯示，中國由于冷鏈的問題造

2、成每年約有l(wèi)200萬噸水果和1.3億噸蔬菜的浪費，總值在100億美元 1.2 選題意義選題意義 物流技術(shù)信息化的落后對物流系統(tǒng)產(chǎn)生了以下不利影響： 導致高價值和交貨期緊迫貨品價值降低 貨品包括珠寶、電腦芯片、文物等，產(chǎn)品價值同時間密不可分，過了特定時間便一文不值，甚至還需要倒貼處理費用 物流時間的減少增加了貨品的安全性，物流時間控制不準確會影響到供貨方的商業(yè)信譽 價格敏感品投入市場時間的快慢就決定了收貨方盈利的多少，甚至決定了能否盈利 導致物流各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)不利 客戶若是個批發(fā)商，則其需要詢問訂單的情況以及時安排貨品給下線或者零售商 客戶若是零售商，則其需要根據(jù)到貨時間來指示生產(chǎn)商將不同貨號的產(chǎn)

3、品送到不同的分店或者配送倉庫 1.2 選題意義選題意義 結(jié)果歸因二 中國物流企業(yè)缺少對貨品的實時跟蹤 1.2 選題意義選題意義 物流技術(shù)信息化的落后對物流系統(tǒng)產(chǎn)生了以下不利影響： 結(jié)果歸因三 中國物流企業(yè)缺少對車輛的定位跟蹤，不能為其組織貨源和靈活配貨 導致物流運輸車輛空載率較高 跟據(jù)中國倉儲協(xié)會的調(diào)查報告顯示，我國車輛運營的空載率為45%左右， 而美國的貨車空載率約為10%，僅此一項，全國每年要損失數(shù)千億元 1.2 選題意義選題意義 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，我省已有一批有一定實力的物流企業(yè)，然而僅有幾家物流企業(yè)擁有具有一定功能的物流信息系統(tǒng)和配送網(wǎng)絡(luò)，如河南豫鑫物流可以運用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)實

4、現(xiàn)車輛的高效控制和調(diào)配。 但鄭州市有物流企業(yè)近6000家，物流信息化研究近乎為零，它已成為鄭州市物流企業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。 國際上已經(jīng)有很多企業(yè)、研究機構(gòu)正在研究開發(fā)與該領(lǐng)域有關(guān)的芯片、軟件中間件、數(shù)據(jù)庫、供應鏈管理、整體解決方案等。 中國加入 WTO 之后，隨著市場競爭的加劇，國內(nèi)企業(yè)界已廣泛認識到提高物流管理的信息化水平對企業(yè)提高效益、降低成本、增強競爭能力具有的至關(guān)重要的作用。國內(nèi)以海爾、匯杰物流等為代表的制造企業(yè)、商貿(mào)流通企業(yè)已紛紛啟動物流信息化戰(zhàn)略。 2、系統(tǒng)方案、系統(tǒng)方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)解決的物流問題 2、系統(tǒng)方案、系統(tǒng)方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)解決的物流問題

5、2.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物流管理的實時跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2、系統(tǒng)方案、系統(tǒng)方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)解決的物流問題 2.2、系統(tǒng)工作流程、系統(tǒng)工作流程 一個倉庫或者車廂由很多傳感器節(jié)點相互組成WSN，采集到的溫度、濕度、CO2濃度、O2濃度等信息發(fā)送給（倉儲/車載）無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其對數(shù)據(jù)處理后，附加GPS定位信息采用廣域網(wǎng)技術(shù)GPRS等與跟蹤監(jiān)控中心通信，監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫中，同時將位置信息在電子地圖上顯示。 2、系統(tǒng)方案、系統(tǒng)方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)解決的物流問題 2.3、系統(tǒng)解決的物流問題、系統(tǒng)解決的物流問題 實現(xiàn)了物流全過程的溫度實時監(jiān)測： 網(wǎng)絡(luò)靈活性

6、強，節(jié)點不需要任何配置就可以自組織地開始工作，系統(tǒng)可以自動與網(wǎng)絡(luò)運行過程中加入進來的新節(jié)點設(shè)備進行通信，并且當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點因失去電力等原因而失效、死亡時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會自動重新組合，不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行。 物流全過程的溫度實時監(jiān)測，使得物流企業(yè)能夠根據(jù)溫度預警提示及時采取相應措施，減少貨物損耗。 本系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在倉庫和車輛上部署具有溫度感知能力的傳感器節(jié)點設(shè)備，通過自組織的無線通信方式相互傳遞信息，協(xié)同地完成溫度實時感知、監(jiān)測的智能專用網(wǎng)絡(luò)，并對收集到的信息進行處理后傳送給終端用戶。 2.3、系統(tǒng)解決的物流問題、系統(tǒng)解決的物流問題 實現(xiàn)了對貨品轉(zhuǎn)運過程中的無縫跟蹤： 本方案在倉庫和車

7、輛上分別安裝了無線網(wǎng)關(guān)和車載無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該設(shè)備具有接收GPS信號的功能。 當貨品被裝載到貨車上，系統(tǒng)可以通過安裝在貨車上的網(wǎng)關(guān)設(shè)備對貨品進行監(jiān)測，而當貨品被轉(zhuǎn)載至倉庫中時，系統(tǒng)還可以通過安裝在倉庫中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備對貨品進行定位。這樣便實現(xiàn)了對物流全過程中貨品的實時跟蹤功能，實現(xiàn)貨品在倉庫存儲和貨車轉(zhuǎn)運當中進行無縫跟蹤。 2.3、系統(tǒng)解決的物流問題、系統(tǒng)解決的物流問題 實現(xiàn)了對車輛的定位跟蹤：車載無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備利用GPS接收機實現(xiàn)自身定位，通過GPRS短消息業(yè)務(wù)把自身的位置和狀態(tài)（如空/滿載、方向、報警等）信息發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心既可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的話音業(yè)務(wù)與車載 建立話音通信，也可以通過短

8、消息業(yè)務(wù)與車載無線網(wǎng)關(guān)進行狀態(tài)信息的傳遞及指令信息的反饋。 3、項目研制、項目研制 研究所面對的問題 研究方法及步驟 項目研究過程 3、項目研制、項目研制 研究所面對的問題 研究方法及步驟 項目研究過程 3.1、研究所面對的問題、研究所面對的問題 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件平臺的設(shè)計與搭建 開發(fā)人員必須權(quán)衡的問題非常多。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的應用相關(guān)性，在不同的應用環(huán)境及需求下所采用的硬件平臺、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議等均有差別。 3.1、研究所面對的問題、研究所面對的問題 功率控制策略的改進與設(shè)計 基于點對點通信系統(tǒng)而建立的經(jīng)典信息理論無法應用到無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。人們很想知道這種無線Ad Hoc

9、網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量到底有多大，但是現(xiàn)實是悲觀的。在進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建時，節(jié)點應該采用何種功率控制策略來進行通信以建立高性能的網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者需要考慮的問題。 3.1、研究所面對的問題、研究所面對的問題 功率控制策略的改進與設(shè)計 基于點對點通信系統(tǒng)而建立的經(jīng)典信息理論無法應用到無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。人們很想知道這種無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量到底有多大，但是現(xiàn)實是悲觀的。在進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建時，節(jié)點應該采用何種功率控制策略來進行通信以建立高性能的網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者需要考慮的問題。 3、項目研制、項目研制 研究所面對的問題 研究方法及步驟 項目研究過程 3.2、研究方法及步驟、研究方法及步驟

10、 深入研究國內(nèi)外研究中已經(jīng)取得的成果，充分調(diào)研平臺供應商所提供的芯片和開發(fā)平臺，深入分析系統(tǒng)需求并選擇合適的軟硬件組件，研制監(jiān)測溫度、濕度、氣體濃度等的無線感知節(jié)點設(shè)備。針對不同的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)（包括 GPRS、Internet），開發(fā)提供網(wǎng)絡(luò)間通信接口的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，并使其具有接收GPS信號的功能。 采用VB作為主控軟件開發(fā)工具、MapInfo和MapX作為地圖開發(fā)工具，實現(xiàn)圖形用戶界面、管理、查詢等操作。 采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具構(gòu)建仿真場景，對不同的功率控制策略進行分析和性能仿真，研究適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功控算法，并對協(xié)議棧進行分析與性能仿真。 3、項目研制、項目研制 研究所面對的問題 研究方法及

11、步驟 項目研究過程 3.3、項目研究過程、項目研究過程 第一階段從2008年2月至2009年3月，研究國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析并調(diào)研物流管理實時監(jiān)測與跟蹤的需求。調(diào)研各種平臺，選擇合適的組件設(shè)計開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備。 第二階段從2009年4月至2010年11月，設(shè)計開發(fā)信息網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)關(guān)，開發(fā)后臺管理軟件，實現(xiàn)與GPRS、Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通以及電子地圖的實時顯示和綜合操作，完成功控算和和協(xié)議棧的性能仿真分析，提出適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的功控策略； 第三階段從2010年12月至2011年3月，設(shè)計并實現(xiàn)“物流管理的實時跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)”，并進行測試和應用。編寫研究報告、準備項目結(jié)項驗收。 4、

12、關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù) 采用嵌入式的網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集、傳輸 基于信干比的功率控制策略SBPC(SIR based power control) 4.1、采用嵌入式的網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集、傳、采用嵌入式的網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集、傳輸輸 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，采用了近距離傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WSN，使得系統(tǒng)具有能耗小、組網(wǎng)靈活、自組織、自配置、成本低等特點 。 而在將采集數(shù)據(jù)傳統(tǒng)給信息網(wǎng)關(guān)時，采用了廣域網(wǎng)（如GPRS）技術(shù)，因其具有實時在線、高速傳輸、自如切換、流量計費等特點，使得系統(tǒng)能支持短消息和語音兩種方式的靈活切換或者同時使用達到實時掌握監(jiān)測信息的目的，使得系統(tǒng)實時性好、成本低、方式靈活。 W

13、SN與GPRS技術(shù)有機結(jié)合，利用了兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的長處，使得系統(tǒng)不僅具有更深入的環(huán)境感知能力，而且具備了更加豐富的、更廣泛的覆蓋范圍，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和傳輸。 4.2、基于信干比的功率控制策略、基于信干比的功率控制策略SBPC 在研究現(xiàn)有功率控制策略的基礎(chǔ)上，提出了在網(wǎng)絡(luò)的物理層采用基于信干比的功率控制策略SBPC以提高數(shù)據(jù)包傳輸成功的概率。 在SBPC中，不僅考慮了信號本身的功率，而且考慮進了網(wǎng)絡(luò)中干擾的影響，動態(tài)地選擇能實現(xiàn)成功傳輸?shù)淖钚“l(fā)送功率，能在最大程度上降低網(wǎng)絡(luò)中的干擾信號強度，極大降低傳輸中斷概率，并最終使網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量得到極大提高。 通過研究其容量，可以幫助我們更好地認識該網(wǎng)

14、絡(luò)，其研究成果能夠為建立高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供理論依據(jù)，并能指導網(wǎng)絡(luò)的進一步研究和應用。 數(shù)據(jù)在無線信道的傳輸數(shù)據(jù)在無線信道的傳輸 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包傳輸成功率與兩部分有關(guān)：接收機處的接收成功概率和檢測器的成功檢測概率。檢測器的成功檢測概率早已經(jīng)有了成熟的研究成果，我們關(guān)注的是接收機處的接收成功概率。 數(shù)據(jù)包的SNR值是用來判斷接收端能否正確接收到包的內(nèi)容的一個重要的性能指標 接收功率是數(shù)據(jù)包到達接收端得有效功率，信號從發(fā)送端到接收端的全過程要經(jīng)歷大尺度衰落和小尺度衰落 大尺度衰落：信號場強隨著傳輸距離的增加而不斷減小 小尺度衰落：在電磁波的傳播過程中，由于多徑、反射、和折射等多種原因，導致信號

15、場強在短距離（幾個信號波長）或短時間（秒級）上呈現(xiàn)快速波動的狀態(tài) 接收功率-SNR-誤比特率-錯誤分布-錯誤糾正 數(shù)據(jù)在無線信道的傳輸數(shù)據(jù)在無線信道的傳輸 大尺度衰落：定義路徑衰減系數(shù)為 ，單位能量的傳輸信號在經(jīng)過了路程為d的傳播路程后，其信號能量變?yōu)?。 小尺度衰落：定義小尺度功率衰落因子為 ， 則信道衰落模型可以表示為 2dH( )g dHd 忽略噪聲的影響忽略噪聲的影響 無線Ad Hoc系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，一般情況下，影響網(wǎng)絡(luò)容量的最重要因素就是網(wǎng)絡(luò)中的干擾信號強度。將假設(shè)系統(tǒng)中的噪聲相對于干擾信號強度來說小到可以忽略。 SNR-SIR 網(wǎng)絡(luò)傳輸容量與發(fā)送端密度關(guān)系：網(wǎng)絡(luò)傳輸容量與發(fā)送端

16、密度關(guān)系： 任意節(jié)點可以在任意時隙內(nèi)以一定概率發(fā)起通信請求，并在同一個通信頻段上進行通信，因此通信節(jié)點之間會相互干擾。 假設(shè)任意節(jié)點在一個時隙內(nèi)會以概率p 隨機發(fā)起通信請求，則TX的密度為 因為同一時隙內(nèi)的TX之間會彼此互相干擾，隨著TX數(shù)量的增加，這種干擾會越來越劇烈，嚴重的時候會導致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。 傳輸容量：中斷概率受限時網(wǎng)絡(luò)單位面積上能夠?qū)崿F(xiàn)的成功通信數(shù)量，由于數(shù)據(jù)速率被假設(shè)為1比特/秒,傳輸容量在數(shù)值上也可以看作是單位面積上的吞吐量。 0p C1 現(xiàn)有功控策略現(xiàn)有功控策略 關(guān)于各TX應該以多大的功率發(fā)送信號，往往采用兩種策略：一種功率控制策略是NPC，此時所有的TX使用相同的發(fā)送功率

17、，且不根據(jù)任何情況而變化；另一種功率控制策略是CI，此時，所有的TX將根據(jù)信道衰落情況動態(tài)的選擇發(fā)送功率，以保證在其目標RX處接收到的信號功率為同一個固定值。 NPC被稱作無功率控制，其實質(zhì)是預置了所有TX的發(fā)送功率為一個恒定值，事實上也可以看作為一種固定發(fā)送功率的功率控制策略。而對于CI而言，其實質(zhì)是設(shè)定了一個恒定的接收功率為目標值，需要各TX在每次通信前通過調(diào)整發(fā)送功率而獲得，事實上是一種固定接收功率的功率控制策略。 基于基于SIR的功控策略的功控策略SBPC 使用SBPC時，首先預設(shè)一個目標RX處的SIR值 （所有RX處的SIR值都是一樣的），TX將根據(jù)信道衰落情況和其目標RX處的干擾信

18、號強度來動態(tài)的調(diào)整發(fā)送功率，最終保證其目標RX處的SIR為 。 TX的分布的分布 發(fā)起通信的TX服從密度為 的PPP的隨機分布 網(wǎng)絡(luò)中每一個TX都有唯一一個目標RX與之相對應，編號i 用來表示由TXi和RXi組成的通信對。 在二維坐標的原點處放置一個參考RX，這個位于原點的參考RX和其對應的TX的編號記為0。因為PPP具有平穩(wěn)性，所以對于RX 0處中斷概率研究結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)中任意RX處都是一樣的。 定義TXi和RXi之間的傳輸距離為 定義TXi和RX 0之間的距離為 定義TXi和RXj之間的功率衰落因子為0iRiXijH RX0處干信比（處干信比（ISR，Interference-to-signa

19、l ratio） RXi處的目標接收功率為 ，此時TX的發(fā)射功率為 ， 則對應的RX0處的干信比可以表示為 CI功控策略：111100ISRriiciiiiiiiiiirPH R HRXHHXP rP1riiiP HR NPC功控策略： 任意TX的發(fā)送功率相同，則對應的RX0處的干信比可以表示為 100000000ISRiiiiniiHHRHHXRX 網(wǎng)絡(luò)中斷概率網(wǎng)絡(luò)中斷概率 當RX0處SIR低于門限值 時，通信將會中斷，則網(wǎng)絡(luò)的中斷概率可以被定義為 CI功控策略： NPC功控策略： 1Pr SIRPr ISRq 網(wǎng)絡(luò)中斷概率網(wǎng)絡(luò)中斷概率 任意TX動態(tài)的選擇發(fā)送功率以確保在目標RX處的SIR為

20、一個恒定值 ，這個恒定值是能保證RX正確接收信號的最小SIR，則TX的需要發(fā)送功率可以表示為 ,其中 只有當 時，才有 ； 當 時，TX將停止發(fā)送信號，產(chǎn)生中斷。 SBPC功控策略：1rtp00PH R I0iiiiIPH X需要發(fā)送功率 、實際發(fā)送功率 、實際最大發(fā)送功率記為 rtpPtPmPrtpmPPrtptPPrtpmPP 網(wǎng)絡(luò)中斷概率網(wǎng)絡(luò)中斷概率 當需要發(fā)送功率大于最大發(fā)送功率時將會引通信的中斷，所以SBPC策略時的通信中斷概率可以表示為 SBPC功控策略： rtpPmqPP 中斷概率仿真結(jié)果中斷概率仿真結(jié)果如圖2所示，隨著TX密度的增大，網(wǎng)絡(luò)的中斷概率開始增大；相同的TX密度情況下

21、，SBPC策略下的中斷概率遠比NPC策略下的?。粓D2 中斷概率相對TX密度的曲線圖 相同的中斷概率情況下，使用SBPC的網(wǎng)絡(luò)中的TX密度比NPC策略下的大很多，這也意味著SBPC策略下的網(wǎng)絡(luò)可以支持更多的用戶同時通信。 傳輸容量仿真結(jié)果傳輸容量仿真結(jié)果如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量先隨著中斷概率的增大而增大，然后隨著 增大而減小，這是因為當 比較小時，網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾相對較小，中斷概率的增大意味著可以同時接入更多的用戶進行通信，而相對與通信數(shù)量的增加而言，此時的傳輸成功概率的減小相對較小，當 比較大時，而相對與通信數(shù)量的增加而言，傳輸成功概率減小的更多； 圖3 傳輸容量相對于中斷概率的關(guān)系曲線圖

22、中斷概率相同的情況下，SBPC策略下的傳輸容量比NPC策略下的要大很多，這是因為SBPC策略有效的控制了每個TX的發(fā)送功率，使其始終以所需要的最小功率發(fā)送信號，在保證正常通信的同時降低了對其它用戶的干擾，使得網(wǎng)絡(luò)可以同時支持的通信數(shù)量顯著提升。 傳輸容量仿真結(jié)果傳輸容量仿真結(jié)果從圖中可以看到，當中斷概率很小時，傳輸容量隨著中斷概率的增大而增加；當中斷概率大于某一值后，傳輸容量隨著中斷概率的增加而減??；當中斷概率相同時，SBPC策略下的傳輸容量比CI策略下的大很多。 圖4 傳輸容量相對于中斷概率的關(guān)系曲線圖 傳輸容量仿真結(jié)論傳輸容量仿真結(jié)論使用SBPC時的網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量要遠比使用NPC或CI時的網(wǎng)絡(luò)容量大 ！ 5、項目成果、項目成果 設(shè)計開發(fā)了物流管理實時跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件平臺，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備、信息網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)關(guān)以及后臺管理軟件，能提供環(huán)境溫度監(jiān)測、車輛實時監(jiān)控、貨物跟蹤、電子地圖查詢、庫存查詢等物流信息服務(wù)功能，滿足系統(tǒng)能耗小、性價比高的需求。該系統(tǒng)已經(jīng)在巨合公司和新力源公司使用，可進一步推廣應用于中小型物流配送企業(yè)。 完成了功控算法和和協(xié)議棧的性能仿真分析，提出適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的功控策略； 發(fā)表相關(guān)論文5篇，其中EI檢索一篇，核心期