Zigbee技術在北京公共物流信息服務平臺中的應用

前言

當前由于全球經濟一體化進程日益加快，世界各國更加重視物流發(fā)展，我國也不例外。這一時代的物流業(yè)將呈現(xiàn)全球化、信息 化、網絡化、智能化、柔性化、標準化和社會化的特征。大量的信息電子技術應用于物流業(yè)中。Zigbee 是一項無線網絡的新技術。它是一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近距離無線網絡通信技術。Zigbee技術的優(yōu)點，使得全球的Zigbee市 場方興未艾。Zigbee技術應用于很多領域。本文主要介紹Zigbee技術在公共物流服務中的一種應用。

Zigbee技術簡介

ZigBee無線網絡技術是新興的一種低速率短距離無線通信技術，也是ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance）所主導的無線傳感器網絡技術標準。是當前國際上備受關注的無線網絡之一，是學科高度交叉的新興前沿研究熱點，其中包含了傳感器技術、無 線通信技術和嵌入式技術等，具有信息采集、傳輸和處理的能力。ZigBee技術可以實現(xiàn)數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。而這些傳感器只需要很少 的能量，以接力的方式通過無線的形式，將數(shù)據(jù)從一個網絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，它們的通信效率非常高。

ZigBee通訊協(xié)議概述

ZigBee并不是完全的獨有的全新的標準，它的物理層和MAC子層采用了IEEE 802.15.4標準。完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、MAC子層、網絡層、應用匯聚子層和高層應用規(guī)范層組成。ZigBee采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術與ZigBee協(xié)議棧的組合。ZigBee和IEEE 802.15.4正在快速發(fā)展，成為低功耗無線傳輸?shù)臉藴?。如前所述，Zigbee是IEEE 802.15.4與Zigbee Alliance 兩個組織定義的標準。前者是針對低速無線個人區(qū)域網絡（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定標準。定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點 到點通信的服務接口。Zigbee的協(xié)議體系架構參見圖1。

Zigbee技術特點

① 低成本：因為Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。目前符合ZigBee的SoC/SIP單價已經降到3美元以下。并且Zigbee協(xié)議免收專利費；

② 低功耗：Zigbee的低數(shù)據(jù)傳輸速率，發(fā)射功耗不到1mw,在休眠狀態(tài)下耗電量僅僅只有1μw，在距離短通信的工作狀態(tài)下耗電為30mw，在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上；

③ 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，典型的搜索設備時延為30ms. 相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用；

④ 網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持6.5萬個節(jié)點，一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網絡組成靈活；

⑤ 體積?。篫igBee的SIP/SoC芯片尺寸已經可以縮小到7mm×7mm以下，和傳感器組成的模塊已經可以控制在2cm×2cm以下；

⑥ 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段，具有16個擴頻通信信道；

安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒別功能，硬件本身支持CRC和AES-128。這一安全特性能很好地適應軍事需要的無線傳感器網絡。

優(yōu)良的網絡拓撲能力:ZigBee具有星、樹和叢網絡結構的能力。ZigBee設備實際上具有無線網路自愈能力,能簡單地覆蓋廣闊范圍；

基于這些特點，ZigBee網絡的應用范圍非常廣泛。可以融入各類電子產品，應用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場。

公共物流信息服務平臺簡介

現(xiàn)代服務業(yè)是未來產業(yè)發(fā)展的重要趨勢，是產業(yè)結構優(yōu)化升級的主要方向，加快現(xiàn)代服務業(yè)發(fā)展已經成為我國國家發(fā)展的戰(zhàn)略重 點。隨著科技水平的提高和科學理念的普及，世界各國越來越重視科技基礎條件與基礎設施的建設，未來五年將是我國現(xiàn)代服務產業(yè)發(fā)展的關鍵時期。目前包括北京 市經濟和信息化委員會、中關村管委會在內的各部門都在各自職能范圍內搭建或正在搭建適合行業(yè)發(fā)展的各種政策和平臺。

圖1 Zigbee的協(xié)議體系架構

隨著市場經濟的發(fā)展，物流業(yè)已由過去的末端行業(yè)，上升為引導生產、促進消費的先導行業(yè)。現(xiàn)代物流業(yè)是以現(xiàn)代運輸業(yè)為重 點，以信息技術為支撐，以現(xiàn)代制造業(yè)和商業(yè)為基礎，集系統(tǒng)化、信息化、倉儲現(xiàn)代化為一體的綜合性產業(yè)。因而它的發(fā)展，必將對優(yōu)化產業(yè)結構、增強企業(yè)發(fā)展后 勁、提高經濟運行質量起到巨大的促進作用。為此，我國及北京地區(qū)均出臺了相關政策鼓勵現(xiàn)代物流業(yè)及其信息化發(fā)展。在這樣的背景下，北京物流信息服務平臺的 需求應運而生。北京物流信息服務平臺既是一個物流相關信息互通共享平臺，又是一個公共物流信息服務的業(yè)務平臺。該平臺首先實現(xiàn)物流相關單位的信息互聯(lián)和一 站式查詢。并提供面向市內物流企業(yè)的物流信息服務。

公共物流信息服務平臺內容

公共物流信息平臺是服務于現(xiàn)代物流的。既是一個物流相關信息互通共享平臺，又是一個公共物流信息服務的業(yè)務平臺。該平臺 首先實現(xiàn)物流相關單位的信息互聯(lián)和一站式查詢。并提供面向市內物流企業(yè)的物流信息服務。同時此平臺能夠同業(yè)內的資深企業(yè)進行合作，在物流領域的現(xiàn)代化，信 息化服務上做一些有意的嘗試。平臺建設的內容包括：

（1）實現(xiàn)管理部門信息交換系統(tǒng)接口。形成北京物流信息服務平臺與運輸部門、生產企業(yè)、流通企業(yè)、第三方物流的信息采集和信息交換接口系統(tǒng)。

（2）實現(xiàn)物流信息服務系統(tǒng)。實現(xiàn)運力與貨源網上在線配載，倉儲資源供求信息的發(fā)布與查詢，物流狀態(tài)查詢，最終實現(xiàn)物流信息服務過程的可視化。

（3）實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息接口。滿足平臺與外部公共信息平臺進行數(shù)據(jù)交互共享，將極大提高信息交換效率。

（4）整合運輸部門、生產企業(yè)、流通企業(yè)、第三方物流之間相關信息資源，利用平臺整合各物流環(huán)節(jié)，為一站式辦公構件技術基礎，實現(xiàn)物流信息無障礙互聯(lián)；向物流企業(yè)提供物流全過程的信息服務，加強貨物在途情況掌握及對異常狀況及時處理。

（5）形成北京物流信息服務平臺服務體系，使平臺貼合客戶需求，定價計費合理，保障信息服務平臺長效運營

（6）同相關企業(yè)合作，利用先進的科技手段。實現(xiàn)北京物流的現(xiàn)代化，信息化，數(shù)字化。

通過公共物流信息服務平臺的建設，我們希望實現(xiàn)傳統(tǒng)物流業(yè)向現(xiàn)代物流業(yè)的轉變，不僅是物流業(yè)自身結構調整和產業(yè)升級的需要，也是整個國民經濟發(fā)展的必然要求。

Zigbee技術在物流信息服務平臺中建設中的應用

應用需求

現(xiàn)代物流的一項重要的表現(xiàn)之一就是系統(tǒng)的數(shù)字化。在物流管理鏈中倉儲物流管理是非常重要的一環(huán)。目前最為流行的做法是引 入條碼技術或者RFID技術。利用電子掃描條碼或者RFID識別的技術實現(xiàn)對貨物的信息化管理。通過科學編碼，方便對物品的批次、保質期等進行管理。不過 只用條碼或者RFID技術也存在技術局限。首先適用于短距離對商品的讀寫，由于條碼和RFID的讀取方式，都是通過條碼和RFID標簽微弱的反射或被動耦 合的信號來實現(xiàn)的，因而讀取距離都非常有限,并且RFID讀卡器須采用RS232/485有線連接方式通信，給系統(tǒng)架設和維護都帶來了極大的不便。這些局 限性，大大限制了它的作用的發(fā)揮。而遠距離的讀寫器價格比較高。也不能方便的組網。

網絡架構

根據(jù)Zigbee的應用特點，我們在倉儲管理信息系統(tǒng)中引入了Zigbee技術。利用Zigbee組成的無線傳感器網絡 低能耗、網絡容量大、成本低的特點，開發(fā)基于Zigbee設備的無線傳感器網。在每個庫存的貨物上安置一個Zigbee的終端設備，把設備對應貨物的信息 以及采集到的貨物的位置偏移和周圍的環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)應用Zigbee無線通信的方式發(fā)送到終端設備的路由器。再由路由器轉發(fā)到網絡協(xié)調器，最后上傳 至數(shù)據(jù)控制管理中心。

如圖2所示， 系統(tǒng)采用Zigbee設備組成的樹狀網絡，構成智能倉儲管理。Zigbee網絡協(xié)調器、路由器、終端設備組成了適合運用在倉儲系統(tǒng)中的Zigbee樹狀網絡。通過Zigbee的網絡系統(tǒng)對出庫，入庫的產品進行管理。

功能描述

1） 貨物入庫

貨物入庫前置于貨物上的Zigbee終端設備記錄了貨物的型號，出廠日期等信息。貨物經過倉庫入口，信息會自動加入到入口處的路由器網絡中。并通過路由器將信息傳給網絡協(xié)調器。最后由網絡協(xié)調器傳給上位機。

2）貨物出庫

貨物出庫時，通過網絡協(xié)調器，路由器，Zigbee終端設備指定要出庫的貨物，并確認出庫信息正確，允許貨物出庫。

3） 庫存數(shù)量清點

根據(jù)需要，上位機通過Zigbee網路系統(tǒng)可以定期對庫存的物品進行清點。及時處理發(fā)現(xiàn)的問題。

4） 貨物的區(qū)域定位、轉移

倉庫內的Zigbee網絡可以實時讀取貨物的各種信息，控制中心據(jù)此判斷貨物的存放區(qū)域，統(tǒng)計倉庫使用情況，并據(jù)此安排新貨物的入庫存放位置。

5） 溫濕度檢測與報警

Zigbee設備終端的溫濕度傳感器對貨物周圍的環(huán)境溫濕度進行實時的監(jiān)測。并根據(jù)預設置的環(huán)境參數(shù)的上下線。通過路由器向網絡協(xié)調器報警。網絡協(xié)調器將報警信息上傳至上位機，通知管理人員及時處理。

小結

作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術，Zigbee是一種很好的短距離無線通信方式。Zigbee通信的技術特點，使它在短距離通信方面有著很大的發(fā)展空間。Zigbee在物流倉儲信息系統(tǒng)的引入，提高了倉儲物流的管理效率，消除了安全隱患，提高了企業(yè)競爭力。

圖2 基于Zigbee的管理架構