基于WSN的仓储设备监控系统研究

吴英豪 王蕾

[摘 要]仓储作业设备尤其是传送和拣选设备的工作状况正常与否直接影响着整个仓储作业的安全性。因此，仓储自动化程度越高，就越需要对作业设备运行状态进行实时监测、记录、报警和处理。现代仓储系统一般都需要配备作业设备监控系统，对关键作业设备进行实时监测和安全处理，其目的在于保障仓储作业安全、保障仓储作业能快速进行下去、提高管理决策水平、使仓储管理工作更加便捷、降低不必要的成本和减少可能的损失。

[关键词]WSN；仓储设备；监控系统

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.20.040

1 仓储设备监控管理中面临的问题

1.1 大部分企业的仓储作业设备监控还处于人工检测阶段

这种方式决定了作业设备故障诊断多是在机器运行出现故障后或拆开检查后才知道机器的某部分发生故障。这样为确保机器的正常运行不得不规定定期维修检查制度。

1.2 对仓储设备进行定期检修是很多企业的做法

虽然对设备进行定期检修能够避免设备产生大规模的损坏而导致无法进行正常的仓储作业管理活动这样的状况，但是，这种做法导致了机械设备的过度维修。这不仅使设备维修缺乏针对性、有效性，还造成了很大程度的人力资源浪费。此外，还容易引起维修人员的疏忽和麻痹大意。由此可能产生新的隐患。

1.3 部分企业采用有线网络或闭路电视来对仓储设备进行监控

比起人工检测和事故后维修设备以及定期检测，这种设备检测方式显然要先进一些，但是，受制于有线网络本身的特点：大量布线、电源之间的干扰、对设备及人員可能产生危害等。这也增加了设备监测系统的危险性和不可控性。此外，这种方式也不能保证监测数据的实时性、完整性。必然会对设备运行状态的评估产生影响，进而对决策带来潜在的风险。

针对以上仓储作业设备监控中存在的问题，本文设计了基于WSN的检测系统，以期为企业的仓储管理降低人工费用、维修费用，提高作业效率、协作效率，增强企业的竞争力。

2 仓储作业设备监控的意义和目的

开展仓储作业设备安全监控的研究，全面提高仓储监控的科学技术水平，对有效减少事故隐患，预防和控制重大事故的发生，减少重大经济损失和保障物流环节能有效畅通具有重大现实意义。

（1）实时、准确的对仓储作业设备的运行参数、运行状态、运行状况作出全面监测和了解，以便及时发现故障时能及时排除，预防和消除因作业设备带来的事故隐患，保证仓储作业能够安全、高效、顺利的进行。

（2）对仓储机械设备进行监测监控还可以对设备运行状态进行跟踪和记录，了解仓储系统各个设备运行的历史参数，对设备的未来趋势有个大致预判，便于仓储作业人员根据状态进行维修、更换、报废，降低仓储运行成本；还可以比对了解设备提供商的设备运行质量、性能及性价比，对仓储设备采购做出更加合理的决策提供事实依据。

（3）为设备生产提供商提供设备运行数据，便于提供商根据数据进行改造升级、优化设备性能；也可以根据设备运行状态以及说明书建立合理的设备维修制度，以便在合理的条件下挖掘设备的运行潜力等。

总的来说，进行设备监控的目的就是确保仓储系统的安全、高效地运行，预防和消除事故隐患，避免事故发生；在设备发生故障的时候能及时发现并采取相应的应对措施，把潜在隐患降至最低，把潜在损失降到最小。

3 WSN应用体系架构

WSN是Wireless Sensor Network的简写，是指这样的一种技术：它将传感器技术、计算机技术以及通信技术集成在一起，来实现信息的采集、信息的传输、信息的处理三种功能的统一，它与计算机技术和通信技术一起构成了信息技术的三大支柱。

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据采集的量化处理、融合和传输。其综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，再将处理后的信息通过无线方式发送，并以自组织多跳的网络方式传送给观察者。

典型的无线传感器网络通常包括一个或多个汇聚节点（Sink），网关和大量的传感器节点，如图1所示。其中，传感器节点具有一定的感知、计算和通信能力，通过自组织或人工组网的方式形成多跳无线网络，节点间协作地收集数据，经过多跳的方式传送给汇聚节点。汇聚节点一般承担网关的功能，通过以太网、WiFi和移动网络与外界进行数据交换。

图1 典型的无线传感器网络结构

无线传感器网络作为一种以感知客观物理世界为目标的新型信息处理系统，感知和采集监测环境和监测对象的信息，涉及网络结构、管理和服务框架、信息传输路由机制的建立、面向应用的分布式信息处理模式等问题。由于其涉及多学科的交叉，功能上可以将其划分为通信系统、中间件和应用系统，如图2所示。

图2 无线传感器网络体系结构

通信系统实现组网和数据传输，包括各种网络通信协议（物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层），以及低功耗的无线通信电路设计，保证物理数据的传输；中间件对分布的传感器节点进行管理和协调，提供低通信开销、动态可扩展的核心服务，包括节点部署/定位、拓扑控制、时间同步、安全机制和系统管理等服务，为上层应用提供支持；应用系统为最终用户提供数据采集、分类和跟踪服务，并提供网络服务接口，主要包括数据管理、数据融合。

4 基于WSN的仓储设备监控系统的架构

基于WSN的仓储设备监控系统采用三层结构模式。三层中第一层是业务逻辑层，主要包括仓库基站，有一些RFID标签、超级节点以及检测设备状态的温湿度、压力等监控节点等组成；第二层是数据通信层主要是信息采集设备，包括RFID阅读器、智能机站和本地上位机；第三层是用户界面层，主要包括中心数据库平台。

基于WSN的倉储设备监控系统采用多层次混合架构，分别运用B/S以及C/S的优点来实现三层的架构模式。

根据仓储作业的实际需求，在不同的需要监测的仓储设备上提前部署好对应的WSN节点、RFID标签以及RFID阅读器。

4.1 数据采集设备

尽管数据采集设备有很多，但本系统主要使用无线传感器网络节点、RFID标签以及超级节点这三种设备。RFID标签可以标志仓储设备的信息，比如，设备种类、ID号、生产日期等；无线传感网络节点可以对仓储设备的状态信息，比如，速度、位置、电流等实时采集和传递，还可以采集仓储设备的周围环境信息，比如，温湿度、含氧量等；超级节点则集合了它们的功能，既可存储记录设备信息也可存储记录来自传感器传递来的信息。

4.2 车载/仓库基站

一般来说，车载/仓库基站设备也具有多样性，在基于WSN的仓储设备监控系统中我们采用普通的车载/仓库电子标签阅读器、智能基站和普通的无线传感网络基站这三种。它们各有各的功能和明确的分工，以便于仓储信息管理。普通的电子标签阅读器仅用于对仓储作业设备信息的采集；智能基站既是电子标签阅读器又是无线传感网络的中心节点。主要用来读取无线传感网络节点采集的设备状态信息和周围环境信息以及RFID标志的设备识别信息。达到对仓储管理的身份认证、特定设备监控、应用管理和作为环境监测中心的作用（根据监测设备的要求，相应的RFID部署，无线传感器网络节点和不同设备的RFID阅读器。

4.3 数据平台

基于WSN的仓储设备监控系统其核心部分是中心数据库平台，它主要包括三部分的数据库：日常信息、部门信息和知识库。日常信息数据库包括与设备管理信息相关的数据。信息数据库包括负责人员设备监控系统部门，设备和其他标识信息。知识库中包含的设备类型，特征和维护要求。

基于WSN的仓储设备监控系统的无线传感网络节点结合超级节点采集到的标签信息，可以具有确定设备位置、对异常事件进行判断等功能。基于WSN的仓储设备监测系统一旦判定设备运行状态或环境发生异常或者设备需要维修，则智能基站可以给用户发出警报信息，并将异常信息写入电子标签，实现对仓储设备的全程实时监控。设备管理人员可以使用普通的RFID读取了解设备信息和环境信息，及时修理或更换设备。通过每天，每周，设备资源利用率的统计分析每月占用时间，可为仓储设备管理人员提供决策依据。

5 仓储监控系统的优势

5.1 信源广泛

基于WSN的仓储设备监控系统不仅能监测设备信息、设备运行信息、设备状态信息以及设备周围环境信息，还能监测到货物信息。因此，相较于传统的仓储信息采集，其信息源要广泛得多，这样就能更准确地把握仓储运行状态，对仓储管理就更有针对性、有效性。

5.2 信息处理技术比较简单

尽管基于WSN的仓储设备监控系统信息源广泛、采集上来的信息较多，甚至可以说是海量信息，但是信息相处处理起来则比较简单。这是因为日常业务活动都被模块化了，而一些不太常见的异常状况则可以有系统的中心数据库平台里的知识库加以学习和总结，进而形成流程化。

5.3 提高仓储效率，降低仓储成本

基于WSN的仓储设备监控系统毫无疑问提高仓储的物流效率，降低了仓储的运行成本。对仓储机械设备的智能化监测可以有效地配置设备，降低设备的空置率、空闲率，加上对异常状况的及时处理，可以降低由此而带来的潜在损失；又加之可以监测设备周围的环境，则可以选择设备运行路线，提高仓储作业的效率。

6 结 论

仓储设备是进行仓储活动的基础，也是保障各项仓储工作得以顺利进行的基础之一，仓储设施与设备是物流系统中贯穿于物流的全过程、深入到各作业细节的复杂的技术支撑要素，是物流的物质基础，也是物流运作效率的关键因素。仓储设施设备的布局、技术水平、选择与配置，直接影响着物流功能的实现及系统效益。因而仓储设备在仓储管理中一直被视为一个重要的组成部分之一。随着无线传感技术和各项信息技术的发展，仓储设备的管理也理应相应提升，以满足日益增长的仓储各项活动的需求。本文通过对无线传感网络的特点、优势等设计出了一种针对仓储作业设备监控管理的系统，希望能解决现阶段仓储设备管理中存在的问题，有效地提高仓储作业的效率和管理水平，并对有关研究提供借鉴和思考。

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