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布設(shè)，必須使用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交互。因此采用日益成熟的ZigBee技術(shù)來對(duì)RFID讀卡器進(jìn)行無線組網(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，橫向比較幾種無線傳輸方式后，選擇基于ZigBee技術(shù)的無線自組網(wǎng)方案。ZigBee自組網(wǎng)是基于IEEE802.1 5.4的無線通信技術(shù)，由多到65 535個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的高可靠性無線數(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)傳模塊問可相互通信，各節(jié)點(diǎn)間距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m無限擴(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)問題，可通過其他節(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)，貨物托盤上的電子標(biāo)簽只寫入貨物的ID號(hào)，字節(jié)長(zhǎng)度通常在32 B以內(nèi)，因此不會(huì)對(duì)傳輸速率有過多影響，滿足正常工作條件。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。考慮倉(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)行無線通信，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)。
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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)器通過串口與中心協(xié)調(diào)器構(gòu)成;子節(jié)點(diǎn)由讀卡器通過串口與路由器構(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。
3 組網(wǎng)硬件布置
以一個(gè)第三方物流平面?zhèn)}庫(kù)為例，讀卡器安裝于各個(gè)貨位以及倉(cāng)庫(kù)進(jìn)出門口，而貨物隨托盤進(jìn)出庫(kù)，電子標(biāo)簽貼于托盤，標(biāo)簽存儲(chǔ)貨物的ID號(hào)。用于組網(wǎng)的ZigBee設(shè)備選擇基于TI公司CC2530F256芯片、且運(yùn)行ZigBee2007/PRO協(xié)議、電路已經(jīng)整合好的ZigBee模塊，它具有ZigBee協(xié)議的全部特點(diǎn)。使用模塊的好處在于用戶不需要了解復(fù)雜的ZigBee協(xié)議，所有ZigBee協(xié)議處理，均在ZigBee模塊內(nèi)部自動(dòng)完成，且節(jié)點(diǎn)程序均以嵌入式方式寫入模塊，用戶只需要通過串口傳輸數(shù)據(jù)即可。
其中ZigBee模塊與讀卡器及服務(wù)器之間遵循RS 232異步串行雙向通信格式;所有的RFID讀卡器及其指示燈信號(hào)均通過集線裝置接在單片機(jī)上，由單片機(jī)統(tǒng)一控制，讀卡器與單片機(jī)也通過RS 232串口連接。ZigBee模塊與RFID讀卡器以及單片機(jī)電源均在5～12 V之間，采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。
服務(wù)器及主控ZigBee模塊安裝在倉(cāng)庫(kù)總調(diào)度室，用于倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的收發(fā)指令及正常調(diào)度;所有的讀卡器及ZigBee設(shè)備均安裝在倉(cāng)庫(kù)實(shí)際庫(kù)位及倉(cāng)庫(kù)出入口成為單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)組成基于ZigBee無線傳輸?shù)?a title="中國(guó)RFID系統(tǒng)網(wǎng)" href="http://www.96woool.com/product/list.php?catid=1603" target="_blank">RFID系統(tǒng)。由單片機(jī)控制的貨位狀態(tài)指示燈安裝在貨位上方用來提示工作人員正常倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè);經(jīng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)化的可視化界面一方面顯示在調(diào)度室的主機(jī)上，另一方面顯示在倉(cāng)庫(kù)中的大屏幕上供工作人員瀏覽，如圖2所示。
具體的進(jìn)出庫(kù)(位)數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)流程如圖3所示。
當(dāng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)中出現(xiàn)其他工作流程及突發(fā)狀況時(shí)，比如庫(kù)存盤點(diǎn)、貨物庫(kù)區(qū)轉(zhuǎn)移、貨物異位或標(biāo)簽損壞等，RFID閱讀器通過實(shí)時(shí)感應(yīng)到的信號(hào)及時(shí)喚醒ZigBee路由器，再將信息及時(shí)傳遞到中心協(xié)調(diào)器交由后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理。幾乎所有流程都將工作人員從傳統(tǒng)的作業(yè)方式中解放出來，準(zhǔn)確的信息采集模式，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理可靠性，有效的防止了人為失誤。
4 結(jié)語
經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，室內(nèi)環(huán)境下ZigBee模塊相互間隔3 m左右，信號(hào)良好，正常倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)條件下，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時(shí)間均在20～40 ms左右，滿足正常工作條件。
一個(gè)普通的第三方倉(cāng)庫(kù)，擁有貨位500個(gè)左右，則需要ZigBee模塊數(shù)量也在500個(gè)左右。市場(chǎng)上ZigBee模塊單價(jià)基本上在40～60元人民幣。因此倉(cāng)庫(kù)內(nèi)安裝一套ZigBee自組網(wǎng)系統(tǒng)，需要造價(jià)在2～3萬元之間。對(duì)于大中型的倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)來講，性價(jià)比較高。但對(duì)于一些看重利潤(rùn)的小型倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)，馬上進(jìn)行業(yè)務(wù)改進(jìn)還是有一些難度，因此如果不能有效控制成本，方案便不具備可推廣性。針對(duì)不同企業(yè)規(guī)模及不同倉(cāng)庫(kù)特點(diǎn)，實(shí)際方案實(shí)施中，可以適當(dāng)減少ZigBee模塊數(shù)量。比如相鄰幾個(gè)RFID讀卡器可以通過集線裝置共用一個(gè)ZigBee模塊，這樣便有效地降低了成本。但隨之而來的問題時(shí)，每個(gè)ZigBee模塊單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常有限，如果不能很好地解決數(shù)據(jù)順次傳輸方式及傳輸間隔問題，便會(huì)大大影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度及工作效率。不過，相信這些問題會(huì)隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來都會(huì)得到解決。
