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

摘要：針對第三方智能倉儲物流RFID系統(tǒng)，為了解決RFID讀卡器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換問題，經(jīng)過方案論證比較，選擇ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)建立無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。整個系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主控節(jié)點與子節(jié)點共同構(gòu)成。該方案以實際物流倉庫為實驗環(huán)境，經(jīng)過實際部署及測試，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時間均在20～40 ms，網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，滿足正常作業(yè)。且該方案從降低投資維護(hù)成本、增強實用性的角度，具備在物流行業(yè)中的較強可推廣性。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；RFID；無線數(shù)據(jù)傳輸；智能倉儲；第三方物流

0 引言
本文以天津濱海新區(qū)日益發(fā)展的第三方物流企業(yè)的平面?zhèn)}庫為應(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值的智能倉儲解決方案。在智能倉儲的RFID系統(tǒng)中每一個或幾個RFID電子標(biāo)簽都需要有其對應(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。但在倉儲作業(yè)中因舉升車輛需要路面光滑才可保障平穩(wěn)運行，且倉庫空間挑高大、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RFID讀卡器進(jìn)行無線組網(wǎng)，實現(xiàn)動態(tài)放據(jù)交換。

1 ZigBee自組網(wǎng)方案論證
針對第三方物流倉儲的作業(yè)特點及實際傳輸距離需要，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。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個ZigBee數(shù)傳模塊問可相互通信，各節(jié)點間距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m無限擴展，具有使用方便、工作可靠、價格低的特點。
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ZigBee節(jié)點可獨立工作，一旦某個節(jié)點出現(xiàn)問題，可通過其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，并可隨時隨地將新的RFID閱讀器加入網(wǎng)絡(luò)，不會影響全部網(wǎng)絡(luò)的使用；若使用Wifi技術(shù)，某AP故障會導(dǎo)致覆蓋范圍下所有RFID讀卡器無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換其次，ZigBee協(xié)議棧簡單，實現(xiàn)相對容易，運行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28 Kb，而藍(lán)牙協(xié)議棧相對復(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。
在倉儲作業(yè)中根據(jù)作業(yè)流程，需要大量數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，數(shù)量巨大的通信設(shè)備造價及在網(wǎng)運行時的通信費用，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產(chǎn)生更多的日常使用費用。雖然ZigBee的傳輸速率并不快(2．4 GHz的頻段只有250 Kb／s)，然而考慮到倉儲作業(yè)特點，貨物托盤上的電子標(biāo)簽只寫入貨物的ID號，字節(jié)長度通常在32 B以內(nèi)，因此不會對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。考慮倉庫為室內(nèi)環(huán)境，且節(jié)點與節(jié)點之間距離較近，ZigBee模塊在工作過程中可穿透一定厚度障礙，因此信號衰減量可忽略不計。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儲中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ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要且僅需要一個中心協(xié)調(diào)器，用來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點加入時，分配地址給子節(jié)點；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)點加入時，可為節(jié)點分配地址，因此一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可能需要多個路由器。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)由一個中心協(xié)調(diào)器與N個路由器共同構(gòu)成時，這個網(wǎng)絡(luò)才是真正的MESH網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)全部是自動路由到達(dá)標(biāo)節(jié)點。

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)，由一個主控節(jié)點和若干個子節(jié)點構(gòu)成(子節(jié)點數(shù)目視倉庫內(nèi)RFID讀卡器數(shù)量而定)，如圖1所示。主控節(jié)點由服務(wù)器通過串口與中心協(xié)調(diào)器構(gòu)成；子節(jié)點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)備啟動后，主控節(jié)點將開始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將所有子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)同時為各個子節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，并將信息存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫。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)點進(jìn)行存儲，主控節(jié)點要把閱讀器的參數(shù)配置命令通過與路由器間的通信發(fā)送給閱讀器，隨后庫位節(jié)點設(shè)備進(jìn)入省電模式；當(dāng)主控節(jié)點對子節(jié)點發(fā)布命令時，可以隨時喚醒庫位節(jié)點設(shè)備，通過尋找子節(jié)點的網(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)路由器傳給對應(yīng)的讀卡器，最后由路由器向主控節(jié)點發(fā)送收到命令的確認(rèn)通知。