基于物联网的航空物流管理系统研究

邹霞玲

(江西农业工程职业学院经济管理与资源系，江西 樟树　 331200)

基于物联网的航空物流管理系统研究

邹霞玲

(江西农业工程职业学院经济管理与资源系，江西 樟树 331200)

摘要：针对国内航空物流管理的不足，研究了一套基于物联网的航空物流远程监控和管理系统方案。搭建了以采集终端、无线传感网络及远程监控平台为基础的系统架构，设计实现了RFID采集终端硬件系统，组建了基于ZigBee技术的机场安检和仓储区的航空货物传感网络，给出了无线网络的组网流程。针对货物定位功能需求，提出了一种基于RSSI改进的三边-质心算法；通过Matlab仿真，验证了改进算法可以有效提高定位精度。所设计的基于LabVIEW的航空货物远程监控平台，实现了局域网内用户对航空货物的远程监控。试验结果表明，该系统能够有效提高机场航空物流的管理效率。

关键词：物流管理物联网RFIDZigBee定位RSSI航空远程监控无线通信

0引言

物联网(internet of things，IoT)技术主要包括感知技术、RFID技术、网络和通信技术、信息处理技术4个方面。目前，物联网的应用很多都集中在智能家居或环境监测领域。如将其应用在航空物流管理上，对航空货物进行远程监控，将有利于提高航空物流的管理效率。

我国航空物流在信息化建设方面还存在较多问题，主要表现为：

①缺少行业统一的航空物流信息平台[1]。目前几乎所有大中型航空物流企业的物流信息管理系统都相对独立，无法实现货物的全流程信息交互与资源共享。

②缺乏先进的技术和管理模式。与世界发达国家相比，国内航空物流缺乏人工智能/专家系统、通信、条码和扫描等先进信息技术的应用，并且管理手段、管理方法落后，远不能适应航空物流的快速增长[2]。

因此,将物联网这一新技术应用在航空物流管理领域，研究一套智能化、信息化的航空物流管理系统，有很大的实际应用价值，能很大程度地节省航空物流管理成本、提高工作效率，从而加快我国航空物流管理信息化进程。

1总体方案设计

航空物流管理系统总体方案如图1所示。

系统包括安检门和仓储远程控制系统、货物定位系统，2个子系统的结构基本相同，均包括采集终端、无线传感网络和远程监控平台这3个部分。

采集终端从模块化角度分为信息采集模块、MCU控制模块、无线通信模块。其分别完成安检门和仓储区信息采集，信息处理，信息发送、接收。用户通过给货箱或旅客行李贴上RFID标签，在安检门、仓储区等地方分别安装RFID读写器，利用RFID读写器获取RFID标签信息[3]。

本文中使用的无线通信技术需要满足组网方便、低功耗、连接设备数量多、具有安全加密功能、通信距离适中等要求。在典型的无线通信技术中，基于ZigBee技术组建的无线传感网络，能够连接高达65 000个设备，而且具有功耗低、有3种安全密钥可供选择的优点；虽然传输速率不高，但能够满足传输数据的要求[4]。此外，在机场内部使用无线通信设备时，要避开民航无线电专用的频率波段，且通信设备的功率要尽可能小，这样才能最大程度地减少对民航专用无线电的干扰。ZigBee工作的3个波段均没有在民航专用无线电限制的频率当中，而且ZigBee无线通信设备的功率非常小，对专用无线电的干扰可以忽略不计。综上所述，选择基于ZigBee技术组建无线传感网络是一种可行方案。系统中各个采集终端上的ZigBee终端节点与ZigBee协调器总节点组成了监控系统的无线传感网络。同时，ZigBee协调器将无线传感网络中的信息包转化为RS-232协议数据包，与远程控制计算机连接，形成通信链路[5]。

图1　航空物流管理系统总体方案

远程监控平台采用LabVIEW虚拟仪器软件搭建,接收并实时显示货物信息情况。

2硬件设计及工作流程

2.1RFID读写模块

RFID读写器采用TI公司生产的TRF7970A射频模块，并将900 MHz天线连接到读写器天线端口，以增加读写距离。微处理器采用的是超低功耗MSP430F2370，通过SPI总线接口方式连接射频模块。RFID读写器功能结构如图2所示。

图2　RFID读写器功能结构图

RFID读写器将接收到的数据存放在串口接收缓冲区。首先，对缓冲区进行自检，检查是否有数据。若有数据，则取出并执行相应的命令，循环重复执行，直到所有数据通过UART被PC接收。MCU根据UART接收缓冲区中的数据，向TRF7970A的12字节缓冲区发送命令。若无数据，则设置协议进入寻找标签模式，等待接收数据并处理。RFID读写模块工作流程如图3所示。当由于多种原因导致中断发生时，TRF7970A的IRQ状态寄存器将被启动，以确定中断原因并采取相应的行动。

图3　RFID读写模块工作流程图

2.2ZigBee无线通信网络

在基于ZigBee的无线通信网络中，不同的节点类型在无线网络中履行不同的职能：网络协调器节点主要用来创建与维护无线网络；中心路由节点负责发现路由并维护链接；终端节点主要用来连接最底层的信息采集端，在无线网络中只能加入或者离开网络[6-8]。

2.2.1协调器组建网络

在一个ZigBee无线网络中，协调器节点是最先开始工作并处于网络中的。在一个全功能设备(full function device,FFD )启动后，先通过能量扫描的方式对周围环境进行判断，看是否有ZigBee网络存在。若周围存在ZigBee网络，则FFD按由近及远的方式对网络中的一个节点提出入网请求，并等待该节点的请求响应；如果没有检测到ZigBee网络，则该FFD将会作为一个协调器节点来组建新的ZigBee网络。在FFD作为一个协调器正常工作之前，会先进行一些设定。首先，根据能量扫描的结果，普遍选择能量强度值较小的信道作为网络的传输信道；同时，选择合适的网络ID、网络短地址等功能，在函数App_StartCoordinator(void)中确定网络参数，随后启动协调器开始组建ZigBee无线网络，终端节点在网络组建完成后可以申请加入。网络协调器组网流程如图4所示。

图4　FFD组网流程图

2.2.2路由发现并维护路由

中继路由节点在终端节点和协调器之间搭建起一条最佳的通信链路，其主要作用是发现和维护路由[9]。建立路由需要3个步骤：发现路由、建立正向路由及建立反向路由。通过这3个步骤，能够建立一条完整的通信链路，实现源节点与目的节点之间的数据传输。

2.2.3终端节点入网

终端节点与需要控制和采集的设备是集成一体的模块子系统，终端节点加入无线网络需要经过发现网络、请求协调节点加入网络、与协调器/路由节点建立通信这3个步骤。终端节点在与协调器连接前，先通过扫描的方式获得个域网(personal area network，PAN)信息。终端节点通过接收协调器返回的原语MLME-SCAN.confirm得到具体的PAN描述。终端节点在获得PAN信息后，向协调器再次发送入网请求，通过App_SendAssociateRequest(void)函数完成。如果协调器同意接收该终端节点，则会分配一个16位的短地址，并返回相应的原语。终端节点把分配的16位短地址保存起来,就可以加入到ZigBee无线网络。图5为终端节点的入网流程。

图5　终端节点的入网流程图

3RFID室内定位算法

接收信号强度指示(received signal strength indication，RSSI)法的基本原理如下：首先，通过无线电传输损耗模型，将读写器接收到的射频信号功率转换为标签与读写器之间的距离，再根据临近算法或者多边定位的方式来计算定位目标的位置信息[10]。目前，基于RFID的许多室内定位系统均应用了RSSI方法，最典型的如LANDMARC系统、VIRE系统和SpotOn系统等。

在基于RSSI的定位算法模型中，最传统的算法模型包括三边测量法、三角形面积法、质心定位算法及加权质心定位算法。本文结合三边测量法与加权质心定位算法，提出了一种改进的加权质心定位算法。即先缩小未知节点所在的定位区域，再对加权值作出相应的改进，使未知节点的估计值与实际值尽量相近。当已知3个锚节点和待求未知节点的距离时，可列方程组求得未知节点的位置[11]。

(1)

由于在实际测量中，经计算得到的距离和实际距离相比通常偏大，因此式(1)通常会存在无解的情况。这时往往须使用最小二乘估计(或最大似然估计)的方法，通过引进多个锚节点的位置信息，以减少误差。对式(1)进行改进，得到最大似然估计的方程为：

(2)

由于使用最大似然估计法要计算多个非线性方程，因此对于n值的选择尚无明确结论；同时，在计算距离dn时也存在n值越多、计算的个数越多的问题，进而导致误差偏大。本文提出的三边-质心算法,在只采用3个锚节点的基础上，利用修正的加权质心算法，求得未知节点的坐标。三边-质心算法原理如图6所示。

图6　三边-质心算法原理图

如图6所示，已知3个锚节点A、B、C，在待定的未知节点测得与锚节点的距离分别为RA、RB、RC。通常情况下，RA、RB、RC比实际距离dA、dB、dC偏大些。分别以A、B、C为圆心，RA、RB、RC为半径作圆。3个圆的交集区域内，2个圆交点设为O1、O2、O3，则O1、O2、O3的坐标满足以下方程组：

(3)

(4)

(5)

由以上3个方程组解得交点O1、O2、O3的坐标位置，从而求得以O1、O2、O3为顶点的三角形。其目的是将未知节点所在的区域面积缩小，以提高定位算法的精确度。在ΔO1O2O3中使用加权质心定位算法时，需要对加权值作如下考虑。以O1点为例，该点是由⊙B和⊙C相交而得，因此权值变量中须有RB、RC这2个参量。其次，从未知节点O的角度考虑，理想情况下O点是由OA、OB、OC这3个距离得到的，3个距离与O点的求解是联系在一起的，此时在O1点的权值变量中也应该考虑到RA的影响。最后，考虑到锚节点-未知节点的距离与权重值成反比[12-15]，本文将O1的权值设定为：

(6)

在决定O1点的权值时，RB、RC起主导作用，RA起次要作用。因此，在RA函数中添加一个修正系数n(n≥3)。同理，得到O2、O3的权值分别为：

(7)

(8)

通过对ΔO1O2O3中3个顶点权值的确定，根据加权质心算法，最终得到未知节点的坐标(xi,yi)为：

(9)

根据对数距离路径损耗模型，距离d与接收强度RSSI之间的对应关系为：

10γlog10d=Ps+PA+PL(d0)-RSSI+

10γlog10d0-Xσ

(10)

式中：PL(d0)为在参考距离下信号接收端上的功率值，d0在微蜂窝系统中一般设置为100m或者1m，在宏蜂窝系统中一般为1km；γ为路径损耗系数，表示根据距离增长所产生的路径损耗；Xσ是均值为0，标准差为σ的正态随机变量；RSSI为接收到的信号强度；PS为发射信号的功率值；PA为天线的增益；PL(d)为路径损耗。

为了有效验证改进的三边-质心算法比传统的质心估计算法在目标节点的定位上更加可靠，本文在Matlab中进行了仿真。仿真环境为一个室内走廊，模拟航站楼的分布环境，取损耗路径指数γ为3.0、标准差σ为5.0、发射功率PS为0dBm、增益功率PA为0dBm、PL(d0)为距离在1m接收端接收的信号强度，取多次测量的平均值为-53.5dBm，RSSI的值按照实际现场的仿真位置来取定。式(10)简化为：

RSSI≈-53.5-30lgd

(11)

目标节点的定位区域是边长为5m的正方形区域，将4个顶点设置为定位锚节点，即读写模块装置，4个锚节点的坐标分别定义为(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)。同时，在Matlab中将式(11)定义为d=distance(RSSI)的.m函数文件，方便调用；将改进的三边-质心算法定义为[x,y]=fixed_position的.m函数文件；将传统的质心估计算法定义为[x,y]=center_point的.m函数文件。目标节点的定位示意图如图7所示。Matlab仿真结果表明，改进算法在区域定位中比传统质心估计算法更加准确。

图7　目标节点的定位示意图

4软件监控平台设计

系统的软件监控平台采用试验室虚拟仪器集成环境(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)图形化软件[16]。使用图形化虚拟仪器软件LabVIEW编写了软件监控平台，实现了对安检设备信息状态的远程监控，并将软件监控平台发布到Web上，使工作局域网内的用户可以通过网页的方式访问本地管理服务器，从而监控安检设备。

软件监控平台分为3个子系统：用户管理系统、安检门和仓储远程监控系统及货物定位监控系统。其中，用户管理系统的功能任务包括用户登录、用户密码修改、用户权限修改、新用户注册以及删除无效用户等。在整个系统启动后，首先进入的界面就是用户管理系统中的用户登录，只有符合条件的用户才能对后续系统进行操作；安检门和仓储远程监控系统监测安检门和仓储区域的货物状态，统计通过的货物信息和数量；货物定位系统用来实现物品的位置查询、定位显示等功能，当输入或选择货物对应的卡号时，能够在模拟的定位区域图中显示所处的功能区域，同时在文本显示列表中实时显示所有货物所在的位置信息。

5结束语

本文提出、设计和实现了一种基于物联网的新型航空物流管理系统，通过搭建RFID采集终端、ZigBee无线传感网络及基于LabVIEW的航空货物远程监控平台，并针对货物定位功能需求提出一种基于RSSI改进的加权质心定位算法，实现了局域网内用户对航空货物的远程监控。测试结果表明，系统满足设计要求，能够有效提高机场航空物流的管理效率，解决了传统人工航空物流管理效率低、信息化程度低的问题。

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Research on the Aviation Logistics Management System Based on the Internet of Things

Abstract：According to the shortage of domestic aviation logistics management, the strategy of remote monitoring and management system based on Internet of things for aviation logistics is studied.The system is set up on the basis of data acquisition terminal, wireless sensor network, and remote monitoring platform.The hardware system of RFID acquisition terminal is designed, the air cargo sensor network based on ZigBee technology in airport security and storage area is established, and the networking process of wireless network is given.In accordance with the demand for goods positioning function, an improved trilatend centroid algorithm based on RSSI is proposed.Through Matlab simulation, it is verified that the improved algorithm can effectively enhance the positioning accuracy; the design implements the air cargo remote monitoring platform based on LabVIEW, and the remote monitoring of the air cargo is realized for users within LAN.Experimental results show that this system can effectively improve the management efficiency of airport aviation logistics.

Keywords:Logistics managementIoTRFIDZigBeePositioningRSSIAviationRemote monitoringWireless communication

中图分类号：TH86;TP239

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606017

修改稿收到日期：2015-10-31。

作者邹霞玲(1966-)，女，1988年毕业于江西师范大学数学专业，获学士学位，副教授；主要从事计算机应用技术方向的研究。