Supply Chain Management Automation using Wireless Sensor Networks

L. Evers and P. Havinga, “Supply Chain Management Automation using Wireless Sensor Networks,” in 2007 IEEE Internatonal Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems, Pisa, Italy, Oct. 2007, pp. 1–3, doi: 10.1109/MOBHOC.2007.4428689.

注：插图来自原论文和网络。

1. 引言

这篇论文谈到的问题是无线传感器网络（WSN）如何用于供应链管理领域。

以RFID¹形式出现的无源射频技术已经被引入到供应链管理中用以简化流程，主动无线电通信技术active radio communication也可以提高处理效率和降低成本。比如，通过对安装到板条箱（crate）、笼车（roll container）、托盘（pallet）和航运集装箱（shipping containers）上的 WSN 节点进行编程，可以监控整个货物运输过程，包括验证新鲜食品当前温度等环境情况和检测由于突然冲击、打开集装箱和其他形式的违约而造成的损失。这种全流程的监控可以大幅减少交货延误和货物丢失或被盗的可能性，避免造成重大损失。

2. 场景描述

如下图，示例场景是一批香蕉从巴西里约热内卢附近的农场运往鹿特丹的超市配送中心。香蕉被打包放到托盘上，每个托盘都装有一个传感器节点。一大早，这些托盘就被卡车从农场运到港口的一个货运码头，在那里，托盘被装进集装箱，然后集装箱一路运到连锁超市的配送中心。在整个旅程中，香蕉的温度需要保持在10到15摄氏度之间，同时应该远离新鲜的咖啡豆等物品，因为这些东西产生的乙烯加速香蕉的成熟过程。

从农场到配送中心的运输过程中（称之为旅程journey），监控如下事件：

1. 托盘上的温度传感器测量环境温度，并将测量的温度存储在设备的日志文件中。如果温度超过限制，设备就会发出警报。
2. 每个托盘的设备与周围其他的设备通信，检查周围是否正在运输咖啡豆等货物。当托盘被装进集装箱时，设备还要求集装箱检查一定距离（比如10米）内是否有运送咖啡店等物品的其它集装箱。如果在附近发现了咖啡店等物品，设备会将其写入日志文件并发出警报。
3. 在整个旅程中，每个托盘上的设备都检查是否符合运输计划。如图2所示，在旅程的每个阶段，设备都会验证自己是否装到正确的卡车上，是否卸到了正确的仓库，所有的行程都会被记录下来，当设备没有在限定的时间位于正确的地点，就会发出警报。

在农场中，装上卡车之前，托盘上的设备验证当前位置是否正确。接下来，设备随着托盘被装到卡车上，然后和周围同一卡车上的托盘设备通信，比较记录的目的地和内容，从而进行验证。而在卡车中，托盘节点必须检测从卡车中取出的操作，主要通过检测卡车和港口装卸码头无线基础设施（访问点，access point）的存在来推断。如果没有检测到正确的码头，则需要发出警报。托盘在码头卸货后，装在集装箱内，一直运到配送中心。设备在码头验证它们是否被放到正确的集装箱，最后通过检测配送中心的访问点，验证是否到达配送中心。

当在旅途中检测到错误时，设备会发出警报。根据运输阶段的不同，使用不同类型的警报方法。例如，当托盘在卡车外面等待装运时，发出警报声和闪烁 LED 引起工人的注意，从而纠正问题。但当进入卡车内部时，应将警报信息发送给卡车驾驶员。

3. 实验

作者使用 SensorScheme² 进行简单的实现，这是一个基于 Scheme 语言的解释器，能够动态加载 WSN 代码到设备。该平台提供了一个安全的执行环境，在该环境中，程序故障不会使节点崩溃。此外，由于传输的代码比较小，节点能够被快速而高效的编程，在实验中，节点在传输开始前重新编程，只花费了几秒钟。本文使用该平台实现了第二部分提到的场景，对货物运输的全过程进行监控，完成了供应链管理的自动化。SensorScheme实现

实验在两个位置的桌子间进行，距离10米以上，使彼此的无线电无法直接到达，两边都需要连接到笔记本电脑和其他演示设备。使用一组 Tmote Sky³motes作为托盘上安装的设备，两个位置的桌子充当农场、港口、配送中心等不同地点，笔记本电脑连接的 mote 充当这些地点的访问点。

实验开始时，在农场位置（一个桌子上）对托盘上的 mote 进行编程，然后将它们放到安装了 mote 的一个盒子中，充当场景中的卡车。然后，参与者将这个盒子移动到另一个代表港口船坞位置的桌子，到达该位置后，可以看到图3所示的屏幕上的信息， mote 上的 LED 状态指示灯也会给出指示。在这里，安装了 motes 的托盘被重新放到另一个代表集装箱的盒子里，并移回到第一个位置的桌子，现在这个位置代表配送中心。只有整个运输过程无差错，才不会出现任何警报，否则，笔记本电脑的屏幕会出现警告信息，根据情况， mote 的 LED 也会闪烁提示。运输过程的最后，货物到达配送中心，将读取每个设备的日志文件，其中包括整个旅程中传感器记录的温度信息和所有不当操作触发的警报记录。

图3是完成整个运输过程后仓库访问点的屏幕输出，五个托盘节点首先被运送到码头，并在那里与码头的接入点联系，向仓库转发一条信息说明其中一个节点（pallet05）正在移动到错误的位置。触发的警报信息也显示在其中，除了这里的警报信息外，在码头节点还会闪烁红色 LED 来发出警报，其它节点则短暂闪烁绿色 LED 说明其放到了正确的位置。

4. 收获

我们将该论文描述的场景作为我们实验的场景，由于我们关注的是访问控制，环境温度的测量与超限警报不进行实现，几个涉及访问控制的关键步骤如下

1. 托盘上的节点对卡车上的节点发起访问，验证是否被装到了正确的卡车
2. 托盘上的节点对其它托盘节点发起访问，比较目的地
3. 托盘上的节点对周围其它托盘节点或集装箱节点发起访问，查看是否存在咖啡豆等货物
4. 托盘上的节点对农场、码头、配送中心的访问点发起访问，验证是否在正确的时间到达了正确的地点

我们通过实施这几个访问控制操作验证我们方案的有效性，所有的记录都收集到区块链中，从而保证不可篡改，农场主、货运商、分销商等不同角色对日志的访问权限也受到限制。恶意的请求行为（如短时间高频率的请求）会被记录并判定设备是否被入侵。