河南省教育厅自然科学研究计划项目河南省教育厅自然科学研究计划项目 物流管理的实时跟踪监控系统物流管理的实时跟踪监控系统 项目完成单位：郑州轻工业学院计算机与通信工程学院项目起始时间：2008年2月至2011年3月项目负责人： 李娜娜 目录目录 项目简介 系统方案 项目研制 关键技术 项目成果 1、项目简介、项目简介 课题来源 选题意义 1、项目简介、项目简介 课题来源 选题意义 1.1 课题来源课题来源 河南省教育厅自然科学研究计划项目 项目编号2008A510018 1、项目简介、项目简介 课题来源 选题意义 1.2 选题意义选题意义 物流技术信息化的落后对物流系统产生了以下不利影响： 结果归因一 中国物流企业缺少对货品全过程的温度的实时监测 导致冷链物流损耗严重 对环境温度要求较高的货品包括药品、快餐原料、速冻食品、冰淇淋、奶制品、包装熟食、蔬菜、水果、肉、禽、蛋、水产品、花卉等 根据中国食品工业协会资料显示，中国由于冷链的问题造成每年约有l200万吨水果和1.3亿吨蔬菜的浪费，总值在100亿美元 1.2 选题意义选题意义 物流技术信息化的落后对物流系统产生了以下不利影响： 导致高价值和交货期紧迫货品价值降低 货品包括珠宝、电脑芯片、文物等，产品价值同时间密不可分，过了特定时间便一文不值，甚至还需要倒贴处理费用 物流时间的减少增加了货品的安全性，物流时间控制不准确会影响到供货方的商业信誉 价格敏感品投入市场时间的快慢就决定了收货方盈利的多少，甚至决定了能否盈利 导致物流各个环节协调不利 客户若是个批发商，则其需要询问订单的情况以及时安排货品给下线或者零售商 客户若是零售商，则其需要根据到货时间来指示生产商将不同货号的产品送到不同的分店或者配送仓库 1.2 选题意义选题意义 结果归因二 中国物流企业缺少对货品的实时跟踪 1.2 选题意义选题意义 物流技术信息化的落后对物流系统产生了以下不利影响： 结果归因三 中国物流企业缺少对车辆的定位跟踪，不能为其组织货源和灵活配货 导致物流运输车辆空载率较高 跟据中国仓储协会的调查报告显示，我国车辆运营的空载率为45%左右， 而美国的货车空载率约为10%，仅此一项，全国每年要损失数千亿元 1.2 选题意义选题意义 国内外研究现状 目前，我省已有一批有一定实力的物流企业，然而仅有几家物流企业拥有具有一定功能的物流信息系统和配送网络，如河南豫鑫物流可以运用GPS卫星定位系统实现车辆的高效控制和调配。 但郑州市有物流企业近6000家，物流信息化研究近乎为零，它已成为郑州市物流企业发展的“瓶颈”。 国际上已经有很多企业、研究机构正在研究开发与该领域有关的芯片、软件中间件、数据库、供应链管理、整体解决方案等。 中国加入 WTO 之后，随着市场竞争的加剧，国内企业界已广泛认识到提高物流管理的信息化水平对企业提高效益、降低成本、增强竞争能力具有的至关重要的作用。国内以海尔、汇杰物流等为代表的制造企业、商贸流通企业已纷纷启动物流信息化战略。 2、系统方案、系统方案 系统结构 系统工作流程 系统解决的物流问题 2、系统方案、系统方案 系统结构 系统工作流程 系统解决的物流问题 2.1、系统结构、系统结构物流管理的实时跟踪监控系统结构框图 2、系统方案、系统方案 系统结构 系统工作流程 系统解决的物流问题 2.2、系统工作流程、系统工作流程 一个仓库或者车厢由很多传感器节点相互组成WSN，采集到的温度、湿度、CO2浓度、O2浓度等信息发送给（仓储/车载）无线网关节点，其对数据处理后，附加GPS定位信息采用广域网技术GPRS等与跟踪监控中心通信，监控中心将数据存储在实时数据库中，同时将位置信息在电子地图上显示。 2、系统方案、系统方案 系统结构 系统工作流程 系统解决的物流问题 2.3、系统解决的物流问题、系统解决的物流问题 实现了物流全过程的温度实时监测： 网络灵活性强，节点不需要任何配置就可以自组织地开始工作，系统可以自动与网络运行过程中加入进来的新节点设备进行通信，并且当网络中节点因失去电力等原因而失效、死亡时，网络结构将会自动重新组合，不会影响网络的正常运行。 物流全过程的温度实时监测，使得物流企业能够根据温度预警提示及时采取相应措施，减少货物损耗。 本系统采用传感器网络技术，在仓库和车辆上部署具有温度感知能力的传感器节点设备，通过自组织的无线通信方式相互传递信息，协同地完成温度实时感知、监测的智能专用网络，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。 2.3、系统解决的物流问题、系统解决的物流问题 实现了对货品转运过程中的无缝跟踪： 本方案在仓库和车辆上分别安装了无线网关和车载无线网关设备，该设备具有接收GPS信号的功能。 当货品被装载到货车上，系统可以通过安装在货车上的网关设备对货品进行监测，而当货品被转载至仓库中时，系统还可以通过安装在仓库中的网关设备对货品进行定位。这样便实现了对物流全过程中货品的实时跟踪功能，实现货品在仓库存储和货车转运当中进行无缝跟踪。 2.3、系统解决的物流问题、系统解决的物流问题 实现了对车辆的定位跟踪：车载无线网关设备利用GPS接收机实现自身定位，通过GPRS短消息业务把自身的位置和状态（如空/满载、方向、报警等）信息发送到监控中心。监控中心既可以通过GPRS网络的话音业务与车载电话建立话音通信，也可以通过短消息业务与车载无线网关进行状态信息的传递及指令信息的反馈。 3、项目研制、项目研制 研究所面对的问题 研究方法及步骤 项目研究过程 3、项目研制、项目研制 研究所面对的问题 研究方法及步骤 项目研究过程 3.1、研究所面对的问题、研究所面对的问题 无线传感器网络软硬件平台的设计与搭建 开发人员必须权衡的问题非常多。无线传感器网络具有很强的应用相关性，在不同的应用环境及需求下所采用的硬件平台、操作系统、通信协议等均有差别。 3.1、研究所面对的问题、研究所面对的问题 功率控制策略的改进与设计 基于点对点通信系统而建立的经典信息理论无法应用到无线Ad Hoc网络中。人们很想知道这种无线Ad Hoc网络的网络容量到底有多大，但是现实是悲观的。在进行无线传感器网络搭建时，节点应该采用何种功率控制策略来进行通信以建立高性能的网络是网络设计者需要考虑的问题。 3.1、研究所面对的问题、研究所面对的问题 功率控制策略的改进与设计 基于点对点通信系统而建立的经典信息理论无法应用到无线Ad Hoc网络中。人们很想知道这种无线Ad Hoc网络的网络容量到底有多大，但是现实是悲观的。在进行无线传感器网络搭建时，节点应该采用何种功率控制策略来进行通信以建立高性能的网络是网络设计者需要考虑的问题。 3、项目研制、项目研制 研究所面对的问题 研究方法及步骤 项目研究过程 3.2、研究方法及步骤、研究方法及步骤 深入研究国内外研究中已经取得的成果，充分调研平台供应商所提供的芯片和开发平台，深入分析系统需求并选择合适的软硬件组件，研制监测温度、湿度、气体浓度等的无线感知节点设备。针对不同的信息传输网络（包括 GPRS、Internet），开发提供网络间通信接口的无线网关设备，并使其具有接收GPS信号的功能。 采用VB作为主控软件开发工具、MapInfo和MapX作为地图开发工具，实现图形用户界面、管理、查询等操作。 采用网络仿真工具构建仿真场景，对不同的功率控制策略进行分析和性能仿真，研究适合无线传感器网络的功控算法，并对协议栈进行分析与性能仿真。 3、项目研制、项目研制 研究所面对的问题 研究方法及步骤 项目研究过程 3.3、项目研究过程、项目研究过程 第一阶段从2008年2月至2009年3月，研究国内外研究现状，分析并调研物流管理实时监测与跟踪的需求。调研各种平台，选择合适的组件设计开发无线传感器网络节点设备。 第二阶段从2009年4月至2010年11月，设计开发信息网关、无线网关，开发后台管理软件，实现与GPRS、Internet网络的互联互通以及电子地图的实时显示和综合操作，完成功控算和和协议栈的性能仿真分析，提出适合传感器网络的功控策略； 第三阶段从2010年12月至2011年3月，设计并实现“物流管理的实时跟踪监控系统”，并进行测试和应用。编写研究报告、准备项目结项验收。 4、关键技术、关键技术 采用嵌入式的网络传感技术进行数据采集、传输 基于信干比的功率控制策略SBPC(SIR based power control) 4.1、采用嵌入式的网络传感技术进行数据采集、传、采用嵌入式的网络传感技术进行数据采集、传输输 数据采集子系统中，采用了近距离传输网络技术WSN，使得系统具有能耗小、组网灵活、自组织、自配置、成本低等特点 。 而在将采集数据传统给信息网关时，采用了广域网（如GPRS）技术，因其具有实时在线、高速传输、自如切换、流量计费等特点，使得系统能支持短消息和语音两种方式的灵活切换或者同时使用达到实时掌握监测信息的目的，使得系统实时性好、成本低、方式灵活。 WSN与GPRS技术有机结合，利用了两种网络技术的长处，使得系统不仅具有更深入的环境感知能力，而且具备了更加丰富的、更广泛的覆盖范围，实现了监测数据的采集和传输。 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 在研究现有功率控制策略的基础上，提出了在网络的物理层采用基于信干比的功率控制策略SBPC以提高数据包传输成功的概率。 在SBPC中，不仅考虑了信号本身的功率，而且考虑进了网络中干扰的影响，动态地选择能实现成功传输的最小发送功率，能在最大程度上降低网络中的干扰信号强度，极大降低传输中断概率，并最终使网络的传输容量得到极大提高。 通过研究其容量，可以帮助我们更好地认识该网络，其研究成果能够为建立高性能的无线传感器网络提供理论依据，并能指导网络的进一步研究和应用。 数据在无线信道的传输数据在无线信道的传输 网络的数据包传输成功率与两部分有关：接收机处的接收成功概率和检测器的成功检测概率。检测器的成功检测概率早已经有了成熟的研究成果，我们关注的是接收机处的接收成功概率。 数据包的SNR值是用来判断接收端能否正确接收到包的内容的一个重要的性能指标 接收功率是数据包到达接收端得有效功率，信号从发送端到接收端的全过程要经历大尺度衰落和小尺度衰落 大尺度衰落：信号场强随着传输距离的增加而不断减小 小尺度衰落：在电磁波的传播过程中，由于多径、反射、和折射等多种原因，导致信号场强在短距离（几个信号波长）或短时间（秒级）上呈现快速波动的状态 接收功率-SNR-误比特率-错误分布-错误纠正 数据在无线信道的传输数据在无线信道的传输 大尺度衰落：定义路径衰减系数为 ，单位能量的传输信号在经过了路程为d的传播路程后，其信号能量变为 。 小尺度衰落：定义小尺度功率衰落因子为 ， 则信道衰落模型可以表示为 忽略噪声的影响忽略噪声的影响 无线Ad Hoc系统是干扰受限系统，一般情况下，影响网络容量的最重要因素就是网络中的干扰信号强度。将假设系统中的噪声相对于干扰信号强度来说小到可以忽略。 SNR-SIR 网络传输容量与发送端密度关系：网络传输容量与发送端密度关系： 任意节点可以在任意时隙内以一定概率发起通信请求，并在同一个通信频段上进行通信，因此通信节点之间会相互干扰。 假设任意节点在一个时隙内会以概率p 随机发起通信请求，则TX的密度为 因为同一时隙内的TX之间会彼此互相干扰，随着TX数量的增加，这种干扰会越来越剧烈，严重的时候会导致整个网络的瘫痪。 传输容量：中断概率受限时网络单位面积上能够实现的成功通信数量，由于数据速率被假设为1比特/秒,传输容量在数值上也可以看作是单位面积上的吞吐量。 现有功控策略现有功控策略 关于各TX应该以多大的功率发送信号，往往采用两种策略：一种功率控制策略是NPC，此时所有的TX使用相同的发送功率，且不根据任何情况而变化；另一种功率控制策略是CI，此时，所有的TX将根据信道衰落情况动态的选择发送功率，以保证在其目标RX处接收到的信号功率为同一个固定值。 NPC被称作无功率控制，其实质是预置了所有TX的发送功率为一个恒定值，事实上也可以看作为一种固定发送功率的功率控制策略。而对于CI而言，其实质是设定了一个恒定的接收功率为目标值，需要各TX在每次通信前通过调整发送功率而获得，事实上是一种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时，首先预设一个目标RX处的SIR值 （所有RX处的SIR值都是一样的），TX将根据信道衰落情况和其目标RX处的干扰信号强度来动态的调整发送功率，最终保证其目标RX处的SIR为 。 TX的分布的分布 发起通信的TX服从密度为 的PPP的随机分布 网络中每一个TX都有唯一一个目标RX与之相对应，编号i 用来表示由TXi和RXi组成的通信对。 在二维坐标的原点处放置一个参考RX，这个位于原点的参考RX和其对应的TX的编号记为0。因为PPP具有平稳性，所以对于RX 0处中断概率研究结果与网络中任意RX处都是一样的。 定义TXi和RXi之间的传输距离为 定义TXi和RX 0之间的距离为 定义TXi和RXj之间的功率衰落因子为 RX0处干信比（处干信比（ISR，Interference-to-signal ratio） RXi处的目标接收功率为 ，此时TX的发射功率为 ， 则对应的RX0处的干信比可以表示为 CI功控策略： NPC功控策略： 任意TX的发送功率相同，则对应的RX0处的干信比可以表示为 网络中断概率网络中断概率 当RX0处SIR低于门限值 时，通信将会中断，则网络的中断概率可以被定义为 CI功控策略： NPC功控策略： 网络中断概率网络中断概率 任意TX动态的选择发送功率以确保在目标RX处的SIR为一个恒定值 ，这个恒定值是能保证RX正确接收信号的最小SIR，则TX的需要发送功率可以表示为 ,其中 只有当 时，才有 ； 当 时，TX将停止发送信号，产生中断。 SBPC功控策略：需要发送功率 、实际发送功率 、实际最大发送功率记为 网络中断概率网络中断概率 当需要发送功率大于最大发送功率时将会引通信的中断，所以SBPC策略时的通信中断概率可以表示为 SBPC功控策略： 中断概率仿真结果中断概率仿真结果如图2所示，随着TX密度的增大，网络的中断概率开始增大；相同的TX密度情况下，SBPC策略下的中断概率远比NPC策略下的小；图2 中断概率相对TX密度的曲线图 相同的中断概率情况下，使用SBPC的网络中的TX密度比NPC策略下的大很多，这也意味着SBPC策略下的网络可以支持更多的用户同时通信。 传输容量仿真结果传输容量仿真结果如图3所示，网络的传输容量先随着中断概率的增大而增大，然后随着 增大而减小，这是因为当 比较小时，网络中的同频干扰相对较小，中断概率的增大意味着可以同时接入更多的用户进行通信，而相对与通信数量的增加而言，此时的传输成功概率的减小相对较小，当 比较大时，而相对与通信数量的增加而言，传输成功概率减小的更多； 图3 传输容量相对于中断概率的关系曲线图 中断概率相同的情况下，SBPC策略下的传输容量比NPC策略下的要大很多，这是因为SBPC策略有效的控制了每个TX的发送功率，使其始终以所需要的最小功率发送信号，在保证正常通信的同时降低了对其它用户的干扰，使得网络可以同时支持的通信数量显著提升。 传输容量仿真结果传输容量仿真结果从图中可以看到，当中断概率很小时，传输容量随着中断概率的增大而增加；当中断概率大于某一值后，传输容量随着中断概率的增加而减小；当中断概率相同时，SBPC策略下的传输容量比CI策略下的大很多。 图4 传输容量相对于中断概率的关系曲线图 传输容量仿真结论传输容量仿真结论使用SBPC时的网络的传输容量要远比使用NPC或CI时的网络容量大 ！ 5、项目成果、项目成果 设计开发了物流管理实时跟踪监控系统软硬件平台，包括无线传感器网络节点设备、信息网关、无线网关以及后台管理软件，能提供环境温度监测、车辆实时监控、货物跟踪、电子地图查询、库存查询等物流信息服务功能，满足系统能耗小、性价比高的需求。该系统已经在巨合公司和新力源公司使用，可进一步推广应用于中小型物流配送企业。 完成了功控算法和和协议栈的性能仿真分析，提出适合传感器网络的功控策略； 发表相关论文5篇，其中EI检索一篇，核心期刊一篇，如下： 论文论文 1、Li Nana, Gan Yong, Chen Changhai, Feng Yuan, Chen Yan. PROBABILITY OF PACKET SUCCESS OF AD HOC NETWORKS WITH SIR BASED POWER CONTROLC. Proceedings os 2009 2nd IEEE International Conference on Broadband Network & Multimedia Technology(IEEE IC-BNMT2009), October 18-20, 2009 Beijing, China. EI检索2、Li Ting, Li Nana, Ji Hong. Distributed Architecture with Control Scheme and Status-aware Routing Protocol for QoS Support in MANETsC.2008 IEEE 67th Vehicular Technology Conference（VTC2008-Spring），1114 May 2008, Marina Bay, Singapore. EI检索3、陈昌海，尹长川，李娜娜等.SBPC策略下的Ad Hoc网络传输容量分析J.北京邮电大学学报，2010,33(3): 117-120.EI检索4、崔伟，冯媛，甘勇，蔡增玉，李娜娜基于WSN的农产品物流跟踪监控系统J通信技术，2008，41(9): 140-1425、李娜娜、甘勇、贺蕾、冯媛.无线网络MAC协议中RTS/CTS机制的研究J. 郑州轻工业学院学报（自然科学版）,2008, 23(3):0052.Thank you ! The End & Any question?