物联网技术与智能物流配送系统.docx
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物联网技术与智能物流配送系统
物联网技术与智能物流配送系统
一、物联网技术概述
1.1物联网的含义和基本结构
物联网（Internetofthings，简称lOT），目前国内外普遍公认的是MITAuto—ID中心主任KevinAshton教授于1999年在研究RFID时最早提出来的。
在2005年国际电信联盟（ITU）及欧盟2008年发布的（EPoSS，theEuropeanTechnologyplatformonmartSystemsInformation）IOT2020报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大拓展，不再只是基于RFID技术的物联网。
从本质上来说，物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，其核心是目前被大家广泛使用的互联网，并在其基础上进一步延伸和拓展以实现充分的互联互通；其次，物联网使得物与物之间有了通信功能，可以进行信息的交换和传输，实现自动识别和物物通信。
物联网是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。
它是多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，综合了传感器技术、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，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用。
从体系结构上来说，物联网的体系架构主要包括感知层技术、网络层技术、应用层技术及公共技术，如图1所示。
图1物联网的体系结构
（1）感知层
感知层将大范围内的现实世界中的各种物理量通过各种手段，实时并自动化的转化为虚拟世界可处理的数字化信息。
感知层是物联网的基础，主要实现智能感知功能，包括信息采集，物体识别等功能。
感知层应用的主要技术包括传感器、RFID、自组织网络、二维码和实时定位技术等。
（2）网络层
网络层要实现信息的传递以及通信的处理，将感知层收集到的数据及信息快速安全的传递到信息需求方，方便他们对信息进行处理，主要的传输手段包括无线通信和有线通信（例如GPRS／SDMA网络、2G／3G／4G网络、互联网等）。
（3）应用层
应用层实现了物联网与各行各业的最终融合，将感知层和网络层的采集处理后的数据信息应用于需要的行业，为最终的系统集成、协调、决策以及智能化提供服务。
应用层包括中间件层和应用服务层。
中间件层主要作用是将网络层与应用层对接，充当了中间的接口作用，包括对业务的分析整合、共享、数据处理、管理等。
具体实现为一系列的业务支撑平台、管理平台、信息处理化平台。
未来的发展越来越倾向于向云计算服务平台发展。
目前应用层包括很多行业，例如智能家居、智慧城市、智能电网、工业监控、公共安全、智能物流等。
1.2物联网的主要技术
按照物联网的体系结构来划分，物联网技术主要包括三大块：
感知技术；通信与网络技术；智能技术。
在物流配送中应用比较广泛的物联网技术如下：
（1）感知技术
物流配送中经常用到的物流网感知技术主要包括RFID（射频识别技术）、GPS（全球卫星定位技术）、传感器技术等。
其中，最核心的以及应用最多的是RFID技术。
目前主要应用于仓储、物品信息采集、货物分拣、车辆货物追踪及物品追溯等。
RFID是一种“使能”技术，它可以使常规的物成为“智能物件”，变成和物联网的连接对象。
主要工作原理是通过视频信号来识别目标对象并自动获取信息和数据。
它的优点在于读写方便、抗干扰能力强等，并且能够适应各种恶劣的环境，能够替代人来完成很多复杂危险的工作。
RFID工作原理如图2所示。
图2RFID工作原理图
在物流配送中，RFID应用比较成熟的领域在货物分拣、自动仓储、车辆货物追踪以及物品溯源。
其应用提高了物流配送安全性和效率的同时，减少了配送过程中的失误率，促进了物流行业的信息化的发展。
全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）是美国历经20年，耗资超过300亿美元，由发射的24颗卫星组成的全球定位、导航及授时系统。
可以实时的为目标提供三维位置，三维速度和高精度的时间信息。
在物流领域，GPS技术主要被用来进行物流配送车辆的实时跟踪、定位、导航以及监控管理。
结合RFID技术，还可以实现对物品状态的实时查询和监管。
GPS应用最广泛的环节是在物流配送的运输环节。
物联网最重要的功能就是可以实现对现实世界没有生命的物体的感知，而传感器就是实现这一功能的关键技术。
它可以通过传感器内部的敏感元件感知到外界的变化和刺激，并将这些刺激转化为一定可输出处理的信号，其工作流程如图3所示。
图3传感器的工作流程
（2）通信与网络技术
通信与网络技术主要包括互联网技术、有线与无线局域网技术、无线通信技术等。
在区域性的物流管理信息系统主要采用有线和无线结合的方式，随着无线网络的发展，无线技术的应用空间会越来越大。
大范围的物流配送系统则通常集成了互联网技术、GPS／GIS／GPRS技术等来保证对运输车辆的动态监控与管理。
具体应用见图4所示。
图4通信与网络技术在物流配送中的应用
无线传感网（WSN）是将系列在空间散布的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。
其典型特征见表一所示。
表一无线传感网特征
M2M（Machinetomachine）是将数据从一台终端传递到另一台终端，实现机器之间
的智能化、交互式的通信。
广义上M2M包括了机器对机器（Machinetomachine）、人
对机器（Mantomachine）、机器对人（Machinetoman）、移动网络对机器（Mobileto
machine）之间的连接于通信，涵盖了所有实现载人、机器、系统之间建立通信连接的
技术和手段。
（3）智能技术
目前物流行业对于智能技术的应用主要包括：
智能计算技术、数据挖掘技术、ERP技术等。
物流配送对于智能技术的应用正方兴未艾，全面实现对整个物流配送过程的智能化控制与管理是发展的方向。
二、物联网在智能物流配送系统中的应用
2.1物联网技术在配送中心内部作业中的应用
目前配送中心设备虽然多，但是整体技术水平不是很高，很多作业流程还处于半人工化状态，而且作业流程不连续，配送中心的信息采集、数据处理和动态管理还无法实现，配送中心的管理系统也仅限于内部使用，很难实现与外部系统的对接。
物联网技术的应用可以很好地解决上述问题。
（1）收货
图6应用物流网技术的收货流程
说明：
传统的配送中心的收货工作大都是由人力完成，不仅效率低下，而且容易出错。
但是应用物联网技术之后，特别是RFID技术和智能穿梭车技术，收货工作就变得简单有效而且节省了大量的人力物力和时间，优化了作业流程，提高了效率。
具体的应用过程如上图6所示：
在货物配送之前，每个货物都会贴上相应的RFID标签，上面记录了货物的目的地，种类，数量等信息。
当货物配送到目的地之后，收货人员只需要使用相应的识别设备，例如手持终端扫描每个货物上的RFID标签，相应的信息便会传递到物流配送系统，然后物流配送系统会自动改分配相应的智能穿梭车完成货物的收货并更新数据。
（2）分拣
现代物流配送不同于传统的配送的每种货物单独配送的模式，现代物流的配送有共同性和混载性的特性，配送方式多样，配送更多偏向于多品种、小批量。
所以分拣这一环节的工作内容复杂而且工作量很大。
而传统的分拣作业已经无法满足现代物流的发展，既浪费人力物力，又浪费时间，还容易出错。
物联网的RFID技术和自动分拣技术可以可以很好地解决这个问题。
在收货环节完成后，货物被送到自动分拣机上进行分拣作业，分拣设备通过读取货物上RFID标签的信息，对各类货物进行分拣，由配送系统对货物的储位进行下一步安排。
（3）仓储
由于“零库存"在很多物流供应链都很难实现，所以仓储也是配送中心不可或缺的环节之一。
现代物流配送中心仓储货物种类繁多而且流动量非常大，因此传统的仓储水平已经无法满足现代物流配送的需要。
物联网技术的应用可以实现物流配送仓储环节的自动化、智能化和集约化的存储。
在物流配送中心可以用到的物联网技术有以下：
RFID托盘标签、RFID货物标签、RFID储位标签、工作人员RFID终端、温度传感器标签、光传感标签、读取设备等。
通过这些技术的应用，结合物联网建立的物流配送系统，可以实现整个仓储过程的可视化、智能化与自动化，完成货物的合理调配，人员的合理分配，实现资源的合理配置。
在配送中心的每个储位也可以应用RFID标签，通过WMS可以搜集每个储位的信息数据，并且通过配送中心的仓储系统计算出储位最佳利用方案，实现储位利用的优化配置。
对于一些对特殊货物，像是生鲜易腐的产品或者易碎的产品，由于它们的保存对于温度、湿度和存放环境都有一定的要求，所队可以通过一些传感器来实时感知这些特殊货物的状态，并将获取数据传递至配送系统，保证货物的安全完好。
（4）出货
可以在配送中心的主要出货大门处安装RFID固定式识度系统，这样可以保证在货物经过时，快速大批量的识别货物上的RFID标签，从而实现全自动的物品快速确认、校验工作。
一般RFID固定式识别系统应用于配送中心出入口、快速通道以及货物装卸点等。
2.2物联网技术在配送中心到配送点之间转运中的应用
配送中心到配送点之间运转的过程主要涉及配送路线的选择，配送过程对配送车辆货物的实时监控跟踪，对配送车辆的调度指挥以及对整个配送过程的管理。
通过物联网技术在物流运输过程中的集成应用，可以实现整个物流配送过程的可视化、智能化的实时动态监管。
首先是GPS技术在每个运载工具上的应用，可以实时获取运载工具的位置和状态，结合GIS技术、GPRS技术以及RFID技术，可以对运输状态、运输线路和运输时间进行实时跟踪管理，可以实现配送线路的调整优化，对货物到达的时间进行预估。
物联网技术在配送的过程中的具体应用如下：
车辆跟踪：
车载定位终端自动进行GPS定位，并按照预设的发送间隔频率进行自动上传定位信息，结合GIS和GPRS技术，准确定位车辆所在位置，记录过去一段时期车辆行驶路线，实施跟踪车辆行驶情况。
调度指挥：
管理人员通过计算得出最有配送路线之后，可以通过物流运输系统给车辆驾驶员发送调度指挥信息，驾驶员通过车载通信系统接受信息并执行指令，可以确保运输过程安全高效准确。
货物运输状态跟踪：
货物的安全问题是现代物流配送要面临的重要问题，所以利用物联网技术，在车辆内安装无线数据采集器，同时在每一个货物配备RFID标签，这样管理人员就可以通过系统实时的获取车载货物的状态，确保货物的安全。
三、基于物联网的智能物流配送系统的设计
3.1框架设计
基于物联网技术的物流配送系统架构设计共分为三层：
感知层、传输层以及应用层。
其整体架构设计如下图7所示：
图7基于物联网技术的物流配送系统架构
感知层：
物流配送系统架构感知层包括信息采集和信息处理两部分。
信息采集是利用多种传感器技术、微波技术、视频技术等多种物联网信息采集技术，对结合无线射频技术、车在识别系统。
全球定位系统和无线通信系统等在途车辆检测技术，实现物流配送中心以及配送中心到配送节点过程中货物的信息采集、配送车辆和人员的调度控制等。
传输层：
传输层主要由常用的移动通信网络（CDMA、GPRS、3G／4G无线网络等）、互联网、卫星通信等网络来实现信息的传递。
应用层：
物流配送系统的应用层主要包括各个应用子系统：
仓储管理系统：
主要实现物流配送中心内部各种作业的智能化、机械化和自动化。
运输调度系统：
主要实现实时车辆定位、运输物品监控、在线调度与配送的可视化管理。
要保证物流配送系统的高效、安全、准确需要获取很多信息，包括货物信息、仓储信息、车辆信息、线路信息等。
具体需要的信息见表二所示。
2.1.1射频识别（RFID）技术
即是通常所讲的电子标签（E-tag），一般由标签、读写器以及天线三部分组成，标签附着在物体上，目的就是为了标示目标对象的各项信息，当然，不必担心标签碰撞或者重叠，因为每个标签的电子编码都是独一无二；RFID读写器用于接收并处理标签所传递出来的承载丰富物体信息的数据流。
目前，RFID技术作为新兴的自动识别技术，在我国迅速被推广开来，其主要应用于与大众生活、教育息息相关的各行各业中，如公交系统、地铁系统、校园一卡通、智能家居等方面。
智能家居系统较以往的家庭系统最大区别在于，赋予了家庭里所有物品以“智慧”，使它们能够“自发”、“主动”地与家庭网关、与人沟通并实现信息的传递。
因此，智能家居系统的首要重要技术便是感知，也就是RFID技术。
RFID在智能家居系统中的重要作用体现在门禁控制、安防报警、远程监控、温湿度智能控制、智能厨卫、自动抄表、智能购物、物品收纳管理等诸多领域。
放眼未来，家庭中的物品将充满智慧，能够实现与人类的“对话”和“沟通”。
2.1.2Zigbee技术
在执行IEEE802.15.4标准的基础上开发的Zigbee技术，具有非常多的优点，是一门新兴的技术，是目前无线传感器网络的首选技术之一。
开发这一技术是为了使无线通信在一定区域内降低成本和功耗，在这一基础上通过软件协议栈开发出容易布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线传感网络。
Zigbee自身具备的这些优点，所以可以用在多种领域，例如自动控制以及潜入设备中。
（1）Zigbee设备类型及工作频段
首先，依据在网络中充当“角色”的不同将Zigbee设备划分为协调器、路由节点和终端节点。
协调器，起到创建Zigbee网络、处理其它节点的入网申请、对网络进行管理和维护等功能；路由节点，用于扩大Zigbee网络的覆盖范围、转发数据等；终端节点，是各种应用对象的最终载体，可以是任何一种设备。
在同一Zigbee网络中必须有且只有一个协调器，但路由节点和终端节点则可以有N个（N≥0）。
（2）Zigbee的技术参数
Zigbee协议共有两个标准物理层：
2.4GHz和868/915MHz。
这两个物理层使用一模一样的数据包格式，均是在扩频DSSS的基础上的；主要的不同在于频率不同，传输速率也不一样。
Zigbee无线信道的组成如表一所示；Zigbee的技术参数见表二所示。
表一Zigbee无线信道的组成表
表二Zigbee的技术参数组成表
作为全球统一的无需申请的ISM频段，2.4GHz波段的推广更容易，而且降低成本的可操作性也更高。
其物理层的特质是，调制技术高阶灵活，且有较高的传输速率，正因为此，才能在获得较小的通信时延，使得工作周期更短，从而达到更加省电的目的。
（3）Zigbee协议栈
Zigbee协议由下至上分为物理层PHY层、媒体接入控制层MAC层、网络层NWK层和应用层APL层，如下图1所示。
图1Zigbee的协议栈结构
其中，PHY层和MAC层的标准由IEEE802.15.4小组制定，而NWK层和APL层的标准由Zigbee联盟来制定。
相应的APL包含APS层、ZDO层、AF层以及自定义应用等。
PHY层
Zigbee协议的PHY层不但为物理信道和MAC子层间的接口做出了明确定义，而且还为数据的传输和管理提供了先行保障。
数据库PIB源自于物理层本身的数据以及道上接收和传输的数据，PHY层的重要职责就是该数据库的维护和管理。
PLME：
物理层管理实体，处理物理层管理相关的原语。
PHYPIB：
物理层PAN信息数据库，存储物理层PAN相关属性。
PD-SAP：
物理层数据服务接入点，为MAC层提供数据服务，用于上传下达帧信息。
PLME-SAP：
物理层管理实体（PLME）服务接入点，为MAC层提供物理层管理服务，具有各项相关功能，但数据传输功能除外。
RF-SAP：
射频服务接入点，射频数据收发的接口。
物理层任务描述
、RF收发器的开启和关闭；
、检测信道的能量；
、LQI（LinkQualityIndieation），对接收到的数据包报进行链路质量指示；
、CCA（ClearChannelAssessment），为CSMA/CA算法提供空闲信道评估；
、选择通信信道频率；
、传输接收OTA数据包。
MAC层
Zigbee协议的MAC层协议需涵盖以下几项功能：
、首先对设备与设备之间的连接起到桥梁的作用，对于各项开关的闭合可以用来进行管理；
、能够确认模式的帧传送与接收；
、能够有效地进行信道接入控制；
、能实现帧校验；
、能具备对于时延的长短有管理的功能；
、能实现广播信息管理。
MAC层4种帧结构指的是数据帧、标志帧、确认帧和MAC命令帧，如图2所示。
图2Zigbee的帧结构图
（4）Zigbee性能分析
低速率：
Zigbee的数据传输速率有三种，能确保只能在低速率传输的数据能够得到准确传送。
因此在家庭使用数据量相对较小的情况下，可以满足控制平台与节点之间的自有联通。
低功耗：
运转正常是，因为其传输的数据量小所以收发时间的处理都比较短，在除去收发时间外的其它时间基本上都休眠，在此模式下不需要传送数据。
Zigbee节点非常省电，因为Zigbee基本处于休眠模式，接收数据处理的时间非常短，所以每个节点的电池工作时间最短也可以达到半年时长，最长可以撑24个月。
低成本：
简单的协议栈设计注定了Zigbee的研发成本不会太高，更何况一般的节点硬件只有8位微处理器；在这，Zigbee协议是免费开放的，软件实现上不会产生额外的费用，研发人员可以随意免费地下周所需的开发资源。
所以，有理由相信，随着技术的成熟，Zigbee某块的价格肯定会越来越低。
网络的自组织，自愈能力强：
在没有任何人为操作的情况下，各网络节点之间可以自发、主动地互相感知，并自觉确定联系关系和方向，从而形成网络；尽管如此，它也并非完全盲目，在有节点发生变化（如增删，位置调整或故障）时，网络便会自觉地在第一时间进行自我检修，有效地确保了整个网络可以正常运转。
短时延：
不管在何种状态下，时延都十分给力，没有后顾之忧。
一些典型的搜索设备时延已经被计算出来，最长的状态时延仅仅为短短的30ms，其它状态的时间更短，仅为最长时间的二分之一倍。
网络容量大，每一个协议网络都具有可以容纳1个主设备的超大容量以及二百多个从设备；更甚者，每个网络又可以作为一个节点接入到其它设备相连，网网相连，容量则以数量级的单位扩容。
当使用网络协调器时，整个网络最多的Zigbee节点数可以达到65000个。
如此巨大的传感器网络自然也给控制提出了巨大挑战。
有效范围小：
一般情况下有效覆盖范围在10到75米之间，基本上能够覆盖家庭环境。
但在一定情况下可以扩展达到数百米，像这种情况一般都是依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，用来满足较大的场合例如公司办公室。
数据传输可靠：
MAC层选用的是talk-when-ready的碰撞避免机制。
只要有数据传送需求就会立刻被传送，而且每个数据包都必须在等到对方的反馈信息之后再次确认回复信息。
否则的话就默认前路径发生了碰撞，将选择二次传送。
这不仅确保了信息传输的可靠性，同时还给需要固定带宽的业务预留了足够的专门的空间时隙，简单有效地避免了多个数据传送时带来的压力。
安全：
Zigbee技术在安全方面很有保障，而且能够灵活的运用。
它可以使数据得到全面性的检验，而且有专用的加密算法，使网络安全方面的应用能够得到有效的保障。
工作频段灵活：
工作阶段所用的频段有全球通用的，在理论上可以扩展为16个通信频道。
但也有某些地区自定的适用频段，例如868MHz（欧洲适用）及915MHz（美国适用），均为免执照频段。
2.2智能家居系统的组成与方案的选择
从功能结构上来说，智能家居系统完全以居民体验为中心来打造，利用智能系统及家庭设备向居民提供各项服务。
简而论之，包括室内灯光的调控、室内外环境数据的监测、室内音乐的控制、影院系统、家电智能操控、智能化购物、看护报警安防系统、远程抄表及其他学习娱乐需求等都属于这一范畴。
智能家居的可贵之处就是能让人们随时随地检测家中所发生的一切，操控家中的一切。
2.2.1智能家居系统的结构
基于Zigbee技术的智能家居控制系统可以有效利用Zigbee技术的以下特点：
传输数据量小，这就决定了它无需太大的传输速度；
网络的容量大，这就为它能够满足家庭中的各种家电设备提供了有效保障；
信息的实时性特别好，时延非常短。
Zigbee的技术特点决定了其能很好地满足智能家居系统设计的各项需求，特别是塔具备自组织、自愈能力，这样的无线通信技术是智能家居系统理想的通信方式。
一般来说，一个完整的智能家居系统由内部网络、外部网络和家庭网关三个主要部分构成。
如图3所示。
图3智能家居系统框架图
内部网络
即是家庭网络，它的主要存在价值是将家中的各项设备，例如门禁安防、家电设施、照明设备、窗帘、报警器等，连接到家庭网络当中来。
一般的实现方式是通过Zigbee无线组网技术。
每个内部网络连接的设备都具备自主收集数据并自发发送数据给家庭网关的功能；同时，还具备执行家庭网关发送来的各项指令命令的功能。
外部网络
外部网络通过Internet实现与家庭网关的连接。
外部网络包含了医院、超市、水电煤机构等社会机构，家庭网关从内部网络感知到的数据信息可以自发或者定时发送至社会机构，必要时还可以向用户反馈各机构单位的信息，如健康报告、消费清单、抄表结算等；同时，外部网络还可以连接各远程终端，当用户不在家时，可以实现对网络内部各设备的操作；此外，智能家居系统还能够实现与小区网络平台的互通，一方面用来及时接收小区的电子公告、通知，另一方面，如果家中一旦发生紧急情况，在主人不在家的情况下可以第一时间通过小区网络平台发送求救信号。
家庭网关
家庭网关是系统的核心控制部分，它的关键任务是负责内部网络和外部网络之间的数据格式的转换，是内外部网络相互对话的重要转换单元。
家庭网关依赖于家庭控制计算机，二者互相支撑，并且配备双网卡。
对外部网络，主要实现与internert的连接，从而将内部发送的数据直接传送给Internet及其机构、终端和网络平台；对内部网络，执行读取数据的操作，同时，实现外部网络对内部各器件的指令命令操作。
智能家居系统融合了GSM/GPRS/CDMA网络、互联网以及目前已经得到有效发展的智能小区信息网络，来有效地实现各项信息的互联互通。
用户即使不在家中，也可以通过电脑终端或者手机终端等设备有效地对家里的电器或者照明装置进行检测和控制；
同时，经过程序设定，可以使系统自发定时或非定时地向主人报告家中防盗、防火、防煤气等警报情况。
当然，主人可以通过命令的发送，随时随地地查看这些容易发生隐患的各种情况。
用户通过该系统可以直接与网络以及小区信息网络相连接，查阅小区最新发布的各类信息，并配合相关信息发送指令，如抄表或者照明控制等；必要时，如果一旦出现某些紧急情况，还可以直接与小区警卫处等发送求救信号，保障家庭各项安全。
系统主要由一个家庭网关通过双向控制，即能控制外部网络相连的用户或者各类机构，也能准确控制内部相连的各类设施和设设备。
智能家居系统具体模型如图3-2所示：
图4智能
升级会员 