ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)在第三方物流智能倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)第三方智能倉(cāng)儲(chǔ)物流RFID系統(tǒng)，為了解決RFID讀卡器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，經(jīng)過(guò)方案論證比較，選擇ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)建立無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主控節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成。該方案以實(shí)際物流倉(cāng)庫(kù)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，經(jīng)過(guò)實(shí)際部署及測(cè)試，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時(shí)間均在20～40 ms，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，滿(mǎn)足正常作業(yè)。且該方案從降低投資維護(hù)成本、增強(qiáng)實(shí)用性的角度，具備在物流行業(yè)中的較強(qiáng)可推廣性。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；RFID；無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；智能倉(cāng)儲(chǔ)；第三方物流

0 引言
本文以天津?yàn)I海新區(qū)日益發(fā)展的第三方物流企業(yè)的平面?zhèn)}庫(kù)為應(yīng)用環(huán)境，為建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)概念且具備可推廣價(jià)值的智能倉(cāng)儲(chǔ)解決方案。在智能倉(cāng)儲(chǔ)的RFID系統(tǒng)中每一個(gè)或幾個(gè)RFID電子標(biāo)簽都需要有其對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)器進(jìn)行信息感應(yīng)，而各組RFID讀卡器也需要與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。但在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)中因舉升車(chē)輛需要路面光滑才可保障平穩(wěn)運(yùn)行，且倉(cāng)庫(kù)空間挑高大、平面空間跨度廣所以不便于有線(xiàn)布設(shè)，必須使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)交互。因此采用日益成熟的ZigBee技術(shù)來(lái)對(duì)RFID讀卡器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)放據(jù)交換。

1 ZigBee自組網(wǎng)方案論證
針對(duì)第三方物流倉(cāng)儲(chǔ)的作業(yè)特點(diǎn)及實(shí)際傳輸距離需要，橫向比較幾種無(wú)線(xiàn)傳輸方式后，選擇基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)方案。ZigBee自組網(wǎng)是基于IEEE802．1 5．4的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，由多到65 535個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊組成的高可靠性無(wú)線(xiàn)數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個(gè)ZigBee數(shù)傳模塊問(wèn)可相互通信，各節(jié)點(diǎn)間距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m無(wú)限擴(kuò)展，具有使用方便、工作可靠、價(jià)格低的特點(diǎn)。
與其他組網(wǎng)方式相比，首先ZigBee技術(shù)采用的是自組網(wǎng)通信方式，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立工作，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，可通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，并可隨時(shí)隨地將新的RFID閱讀器加入網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)影響全部網(wǎng)絡(luò)的使用；若使用Wifi技術(shù)，某AP故障會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍下所有RFID讀卡器無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換其次，ZigBee協(xié)議棧簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，運(yùn)行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28 Kb，而藍(lán)牙協(xié)議棧相對(duì)復(fù)雜，需要系統(tǒng)資源約250 Kb；此外ZigBee比藍(lán)牙更為靈活，更有利于控制系統(tǒng)成本。
在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)中根據(jù)作業(yè)流程，需要大量數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)，數(shù)量巨大的通信設(shè)備造價(jià)及在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的通信費(fèi)用，直接影響系統(tǒng)成本；而ZigB ee技術(shù)除了首批投資成本外不會(huì)產(chǎn)生更多的日常使用費(fèi)用。雖然ZigBee的傳輸速率并不快(2．4 GHz的頻段只有250 Kb／s)，然而考慮到倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)特點(diǎn)，貨物托盤(pán)上的電子標(biāo)簽只寫(xiě)入貨物的ID號(hào)，字節(jié)長(zhǎng)度通常在32 B以?xún)?nèi)，因此不會(huì)對(duì)傳輸速率有過(guò)多影響，滿(mǎn)足正常工作條件。且ZigBee的功耗較低，同樣電源環(huán)境下，藍(lán)牙和WIFI的持續(xù)工作時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ZigBee。
RFID相關(guān)協(xié)議中只規(guī)定了通信接口，而ZigBee具有相對(duì)完善的通信組網(wǎng)協(xié)議，工作頻段上ZigBee可以選擇2．4 GHz ISM頻段(全球通用頻段)，而RFID可工作在915 MHz或其它頻段，二者在通信頻率上互不干擾?？紤]倉(cāng)庫(kù)為室內(nèi)環(huán)境，且節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間距離較近，ZigBee模塊在工作過(guò)程中可穿透一定厚度障礙，因此信號(hào)衰減量可忽略不計(jì)。通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間都可以直接或間接進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)的可靠性和頻率利用率都非常高，且ZigBee有比較完整的安全認(rèn)證模式。
綜上所述，選擇ZigBee技術(shù)作為第三方物流智能倉(cāng)儲(chǔ)中RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是最合適的。

2 網(wǎng)絡(luò)原理及結(jié)構(gòu)
一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要有中心協(xié)調(diào)器(Coordinator)和路由器(Router)兩部分組成。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要且僅需要一個(gè)中心協(xié)調(diào)器，用來(lái)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，分配地址給子節(jié)點(diǎn)；而路由器負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并尋找最適合的路由路徑，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，可為節(jié)點(diǎn)分配地址，因此一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可能需要多個(gè)路由器。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)中心協(xié)調(diào)器與N個(gè)路由器共同構(gòu)成時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)才是真正的MESH網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)全部是自動(dòng)路由到達(dá)標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

基于ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的RFID系統(tǒng)，采用MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成(子節(jié)點(diǎn)數(shù)目視倉(cāng)庫(kù)內(nèi)RFID讀卡器數(shù)量而定)，如圖1所示。主控節(jié)點(diǎn)由服務(wù)器通過(guò)串口與中心協(xié)調(diào)器構(gòu)成；子節(jié)點(diǎn)由讀卡器通過(guò)串口與路由器構(gòu)成。串口選擇RS 232雙向通信方式。
所有ZigBee設(shè)備啟動(dòng)后，主控節(jié)點(diǎn)將開(kāi)始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將所有子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為各個(gè)子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，并將信息存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。讀卡器采集到標(biāo)簽數(shù)據(jù)后，首先把數(shù)據(jù)發(fā)送給與之連接的路由器，路由器再把標(biāo)簽數(shù)據(jù)連同讀卡器信息通過(guò)多跳ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，主控節(jié)點(diǎn)要把閱讀器的參數(shù)配置命令通過(guò)與路由器間的通信發(fā)送給閱讀器，隨后庫(kù)位節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)入省電模式；當(dāng)主控節(jié)點(diǎn)對(duì)子節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令時(shí)，可以隨時(shí)喚醒庫(kù)位節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通過(guò)尋找子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將命令通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)給路由器，再經(jīng)路由器傳給對(duì)應(yīng)的讀卡器，最后由路由器向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送收到命令的確認(rèn)通知。