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曾志宏:基于物联网技术的托盘与货物定位追踪系统

2018-08-02 17:53  来源:追溯服务产业平台
概要:编者按:本文为技术性较强的文章,文章分析了现有商品追溯平台存在的问题,基于物联网技术提出了托盘与货物定位与追踪的平台架构,介绍了平台的工作原理。关注托盘定位与追踪技术的朋友可以收藏参考。

  我们的世界里,天上飞的,海里游的,地上跑的,除了那些能够被国人能吃的,其实大都跟我们的物流相关了,那么货物,不管是飞的,游的和跑的,他们什么时候在什么位置,他们到底的什么状态,他们的主人又是谁?他们什么时候到达我们要求的地方?以前我们只能回答“大约到冬季”,直到我们最近新的技术,新的工具RFID,GPS,GPRS, IOT等出现,他们可以帮助我们“看见”这些货物在哪里,甚至在干什么,今天小编老曾微信1638881963借用法国亚眠大学David R. Gnimpieba 的一篇文章,就和大家一起来讨论一个新技术--物联网,如何帮助我们“看见”和“控制“这些天上地下海里的”野货“的“归期”?

  通常管理货物流动的工具大多依靠信息系统,如ERP,WMS,APS,TMS等。 云计算(CC)和物联网(IoT)的出现提供了更多的可能,如传输,存储,处理和共享。另外,为了在供应链中提高协作性和互操作性,需要将涉及物流的每个事件自动通知给相关参与者。为了解决这些问题,我们在本文中提出了基于与物联网,云计算,GPS / GPRS和RFID有关的技术的定位,识别,通信,跟踪和数据共享的协作平台架构。

  关键词:物联网; RFID托盘; GPRS; 可追溯性;互操作性; 信息共享; 协同供应链; 货物跟踪

  1.介绍

  供应链中商品的识别、可追溯性和实时跟踪一直很困难,因为供应链各方使用的平台和技术存在差异。物联网和云计算的出现带来了一种新的方法,可以收集,传输,存储和共享物流信息,从而实现供应链合作伙伴之间更好的合作和互操作性。这里解决的问题是加强供应链参与者之间的合作,以使包括第四方物流运营商在内的整个供应链中的货物管理更加便利。包括良好的跟踪和溯源、数据共享和处理、访问和授权控制以及所有相关参与者之间相互作用的管理。

  现有平台在某些关键点上未能解决问题:直接从包含在商品中的传感器收集数据,以便进行实时处理和通知;为所有利益相关者制定共同的政策和沟通协议;管理协作者的异构互联网技术(IT)基础设施与异构传统应用的多租户之间的互操作性;通过移动设备提供信息,以便远程处理数据并进行更新;管理供应链合作伙伴之间的多重互动。

  为弥补上述缺陷,我们建议设计一个协作式云平台,以支持物流货物跟踪和追踪的数据共享、集成和处理要求。

  该体系结构的附加价值主要体现在物联网的不同层次,传感器层,数据传输层,云中的存储层,最终设置收集到的数据给用户。因此,促进物流信息共享,以实现供应链不同参与者之间的可追溯性,协作和互操作性。这些要求是企业在物流领域协作供应链和未来的商业智能面临的主要挑战,另外,对于每个系统部分,我们提出一个基于Guard Stage Milestone (GSM)框架的数据和业务模型。

  2、使用的技术和建模方法:概述

  现有平台

  我们已经在日常生活的许多领域(农业/畜牧业,货物运输/贸易,环境,健康)提出了各种协作平台。从架构的角度来看,我们可以说这些平台主要基于协作门户网站的模型,在集成方面,这些系统可以分为三类:点对点模型,通过Web服务进行集成(使用SOAP,UDDI,HTTP,WSDL等标准),以及基于中间件(RPC,CORBA,DCOM ,MOM),这些体系结构的一个重要限制是它们不包括用于从传感器获取信息的传感器网络(WSN),这些传感器很少有云计算数据存储策略(基于NoSQL,云存储,AWS) 。此外,就我们所知,在这些体系结构中很少提及通知和实时事件的概念处理。增加未来协作系统所需的集成问题,例如需要共享资源管理的共同策略,各种系统特有的协议和格式的多样性,以及从任何设备(PC,PDA等)与任何平台(Windows,IOS,Android等)可访问性

  物联网

  物联网是计算机技术和通信的一种发展,旨在通过互联网连接物体。对象指的是我们周围的一切,可以沟通或不沟通。 这些对象互连所产生的信息和事件流被捕获,用于促进他们的追踪,管理,控制和协调。 物流对象和流程是一个具体的应用例子。

  RFID

  RFID由一对读卡器/标签组成。阅读器发送无线电波,标签依次发送识别帧。芯片启动后,标签和标签将按照TTF协议(Tag Talk First)或ITF(Interrogator Talk First,询问器优先级)进行通信。以TTF方式,标签将芯片中包含的第一个信息传送给询问器。在ITF模式下,询问器向标签发送一个请求,并在稍后满足。有三种类型的标签,无源标签,主动和半主动。前者的能量由识别时由读者引起的磁场提供。有源标签由电池供电,并且能够在没有来自阅读器的请求的情况下发送数据。半主动标签使用混合机制:自供电,根据标签阅读器的要求激活,允许比有源标签更低的功耗。 RFID芯片的阅读距离从几厘米到几米(10米)不等,可以使用远程通信技术超过200米。

  协作供应链的数据和信息共享

  传统的供应链和业务管理系统有很多缺陷,因为供应商在客户订单和市场需求方面没有全球可见度。需求驱动的供应网络(Demand Driven Supply Networks ,DDSN)是一种支持企业对企业协作和互操作性的IT方法。 DDSN建议在公司间供应链上分享数据。 通过采用这种方法,而不是单独回应孤立的客户订单,供应商能够通过共享更多数据进行重组和共同工作,以便更好地应对所有市场需求。 DDSN使用拉动技术,即供应链由客户需求通过反应,预测,协作和编排来驱动,例如,根据具体情景,库存水平大约为8%,可能高达30%,而可靠的信息 共享可以降低OOS率(out of stock situations)并改善需求链管理。

  GSM框架

  两种方法共存于业务流程模型中,以流程为中心的方法和以事件为中心,在以流程为中心的方法中,业务流程由在流程生命周期中执行的各种处理或任务来表示。最有前途的方法是以工件为中心,将业务实体生命周期与被捕获的实体相关数据信息模型相结合。

  3、系统描述:组件和技术

  图1显示了解决方案的全局架构。本节介绍该平台及相关技术的主要组件。 事实上,我们将专注于主要任务,如RFID识别,地理定位,跟踪和追踪,通信,传输和数据共享,收集物流对象并通过地理定位集装箱卡车。

  3.1:使用RFID进行识别和跟踪

  EPCIS ( Electronic Product Code InformationSystem)代表电子产品代码信息系统。一个标准的贸易合作伙伴可以共享有关产品在整个供应链中的物理移动和状态信息(什么,何处,何时,为什么)。如下图2所示,我们假设托盘配备有包含产品信息(如电子产品代码(EPC代码)),重量,托盘内容,产品危险性,不兼容产品等的RFID芯片。当托盘准备加载,RFID读取器使用诸如GPRS / GSM或Sigfox网络的传输系统读取信息并发送到云平台

  如上面图3的GSM模型描述了这种识别过程。 名为“RFID标签读取和传输”的模型主要阶段由两个组合事件或Guard(“托盘准备好装载”和“运输车辆到达”)激活。 当这个阶段被激活时,内部系统“标签信息读取”会自动激活,执行“读取托盘RFID标签信息”和“通过GPRS发送托盘信息”的任务,内部阶段“平台验证和确认”负责两个任务,验证读取信息并将结果通知相关用户。收集完毕后,信息必须存储在某个地方以供不同目的使用。 以下部分显示我们如何存储和处理收集的数据。

  3.2、数据存储和云平台的实时事件处理

  我们为云平台提出的架构是事件驱动(EDA,Event Driven Architecture):事件驱动架构),通过事件管理和处理扩展了面向服务架构SOA 12。 该平台由五块组成,如图4所示,数据/事件处理程序负责处理来自异构终端设备(RFID阅读器,用户平板电脑或PC)的事件和消息,用于存储由RFID标签发送或与用户相关的信息的云存储数据库。事件处理和通知代理允许处理所有收到的消息,并通过生成新消息向相关用户发送通知,一个指南服务用于存储要通知的平台外部消费者。 最后,安全组件有助于加密消息并管理共享信息的访问权限。

  3.2.1、数据/事件处理

  数据/事件处理程序由两部分组成(图5),请求处理程序和数据处理。 请求处理程序处理事件(RFID阅读器或用户请求)并将消息传送给负责处理的数据处理单元。本单元的主要任务是:1)确定请求类型; 2)提取数据; 3)验证数据格式和一致性,4)在共享数据库中记录数据。 之后,通知服务被自动呼叫以通知目标用户。

  3.2.2、云存储数据库

  此处使用云存储来存储和利用IoT数据可扩展性和可用性,并且无论如何都可以在任何地方访问。如前所述,传统平台的数据分布在分布式数据库中,可以从多个合作者获得。收集到的数据量,安全性(访问控制,认证和授权)以及协议异构性是这种新方法面临的最重要挑战。要执行任务,平台必须存储有关业务实体,相关业务事件和用户的信息。我们提出一个关系数据库模式来存储关于上述所有项目的信息。 Google云SQL平台使我们能够使用关系数据库模式。 Google将处理复制,路径管理并确保性能和可用性。我们知道,这不是解决高容量问题的正确方法;因此我们计划用NoSQL数据库扩展这项工作。我们的数据模型由一个业务实体表格组成,该表格托管了业务实体的EPC代码作为唯一标识符(图6)。此表还存储实体(托盘,包装箱等)的GPS坐标以及温度,压力和湿度等环境信息。该实体可以是许多其他业务实体的组合(如集装箱由货盘组成,货盘由物品组成)。业务实体是由默认情况下在平台中创建实体的业务用户拥有的。对于用户,我们存储识别密钥(BUId),登录名和密码以使他们能够访问平台。

  3.2.3、Web服务注册和挖掘指南(UDDI注册中心)

  UDDI注册表代表通用描述发现和集成,这是一个基于XML的服务目录,专门用于Web服务挖掘。 UDDI可以在网络上找到所需的Web服务。我们使用了UDDI注册中心,因为我们的架构是面向服务的(SOA),因此我们希望一起通信的Web服务注册在目录中以便于发现。该平台的这个组件提供了为Web服务记录的功能。目录指定Web业务和其他遗留应用程序或业务流程应该如何注册,以便在业务实体上下文更改(位置,温度...)时自动通知。为此,我们使用发布/订阅模式,允许玩家订阅通知Web服务,并在业务实体的上下文发生更改时自动收到警报。发布/订阅模式与其他消息交换模式不同,因为只有一个订阅允许订阅者接收一个或多个事件通知,而无需向服务提供者发送请求。发布/订阅模式是处理多事件生产者和消费者以及具有不同和不同来源的事件处理时的合适服务。这种模式可以用于业务流程管理系统,其中客户可以通过订阅供应商服务并发布订单或输入来请求服务,供应商服务会将通知事件并发送给客户。

  3.2.4、事件处理和通知

  处理事件时(读取RFID标签,对托盘进行评论,更新GPS坐标,更改温度......),该模块会通知相关用户和利益相关方。 从云端访问的这些报告可以通过任何设备(平板电脑,手机,笔记本电脑)访问货物信息。因此,供应链中协同合作监控商品的参与者可以实时做出重要决策,特别是有问题(容器被堵塞,托盘不符合行业法规等)的情况下。

  图8的GSM图描述了在通知情况下的操作。 数据在到达云平台之前通过网络。 以下部分解释了这种传输如何工作。

  3.3、通信和数据传输

  通信网络在此用于数据传输需求。在下文中,我们将重点放在使用两种通信技术GPRS和Sigfox网络的信息传输上。介绍了这些技术的比较。

  3.3.1、使用GPRS网络传输

  如图9所示,我们通过GPRS网络观察了具有GPRS通信模块的Arduino板(GPRS屏蔽层)和云平台之间的双向通信。从RFID卡读取的信息被传送到arduino板。该消息通过GSM / GPRS网络发送到平台。由于采集和处理模块使用的电池电量和存储空间较小(Arduino mega:256 Ko闪存),因此有必要对要传输的信息进行合理编码。图10的图表显示了我们提出的帧格式。该框架由三部分组成:第一部分提供有关EPC数据的信息。系列货运集装箱代码EPC方案(SSCC)用于在物流(如:urn:epc:id:sscc:0625893.6589425689)中唯一标识托盘或集装箱等集合物流单位。对于这一部分,我们必须尊重2014年11月以来的标准EPC标签数据标准版本1.9。该框架的第二部分用于发送有关托盘环境的信息,例如温度,压力,湿度等

  3.3.2、使用Sigfox蜂窝网络进行传输

  数据传输的另一种方式是使用Sigfox蜂窝网络。 在图11中,我们介绍一个基于Sigfox的架构。 电信设计开发板(TD)是唯一能够直接与SigFox网络和TD云平台(传感器网络服务)进行通信的设备。因此,无目前法提供另一张卡(Arduino,Galileo,RaspberryPy等)直接与SigFox网络连接。 此外,可以将ATTENTION命令AT命令发送给电信设计卡(TD1208,TD1202,TD1204和TD1207).但请注意,Snootlab Akeru已开发出在Arduino上包含SigFox模块的卡。 数据由RFID阅读器读取并传输到Arduino板,然后通过TD12XXXX SigFox网络进行转发。 平台SigFox有一个回叫服务来自动恢复录制在平台上的数据(图11)。

  3.3.3、Sigfox和GPRS之间的比较

  表1显示了使用GPRS的最大优点是它提供了发送尽可能多的消息的可能性,并且消息大小几乎比SigFox的大。但与SigFox提供的相比,GPRS订购的年度成本非常高。 根据这项比较研究,我们评论说SigFox是最好的解决方案,以防连接多个超过数百个物体的物体。 Sigfox提供给客户的云平台增强了这一优势。

  3.3.4、使用GPS进行容器跟踪和定位

  跟踪商品的位置(GPS坐标),货物,货盘,集装箱非常重要,特别是在丢失或被盗时。全球导航卫星系统(GNSS)允许实时跟踪货物,并且可以保证运输物流运营商的服务质量(QoS)。 因此,结合GPS传感器可以通知车主及其合作者从装货开始直到交付给最终客户的良好位置。为此,我们使用经纬度坐标的签名度格式(DDD.dddd)。 根据这种格式,纬度范围从-90到90,经度范围从-180到180。

  4. 总结

  本文的目的是讨论使用与GNSS(GPRS / GPS)相关的物联网和云计算技术来进行实时地理定位和货物追踪。 起初,我们介绍了采用的架构并解释了该平台的工作原理。通过引入物联网和云计算技术,重点放在信息共享方面,以实现物流互动和协作。 另外,采用基于工件中心的方法来表示每个系统组件的行为并模拟其与其他组件的交互。 下一步是在优化,协调和服务质量(QoS)方面实施和衡量此架构在流量管理方面的实际影响。

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标签母婴追溯
编辑:婴宝

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