Zigbee技術(shù)在北京公共物流信息服務(wù)平臺中的應(yīng)用

前言

當(dāng)前由于全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)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(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化和社會化的特征。大量的信息電子技術(shù)應(yīng)用于物流業(yè)中。Zigbee 是一項(xiàng)無線網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。它是一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。Zigbee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使得全球的Zigbee市 場方興未艾。Zigbee技術(shù)應(yīng)用于很多領(lǐng)域。本文主要介紹Zigbee技術(shù)在公共物流服務(wù)中的一種應(yīng)用。

Zigbee技術(shù)簡介

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是新興的一種低速率短距離無線通信技術(shù)，也是ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance）所主導(dǎo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的無線網(wǎng)絡(luò)之一，是學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)，其中包含了傳感器技術(shù)、無 線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)等，具有信息采集、傳輸和處理的能力。ZigBee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，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(dú)有的全新的標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層和MAC子層采用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、MAC子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚子層和高層應(yīng)用規(guī)范層組成。ZigBee采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術(shù)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?biāo)準(zhǔn)。如前所述，Zigbee是IEEE 802.15.4與Zigbee Alliance 兩個組織定義的標(biāo)準(zhǔn)。前者是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定標(biāo)準(zhǔn)。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(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn) 到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。Zigbee的協(xié)議體系架構(gòu)參見圖1。

Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

① 低成本：因?yàn)閆igbee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(jià)已經(jīng)降到3美元以下。并且Zigbee協(xié)議免收專利費(fèi)；

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(jī)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(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，典型的搜索設(shè)備時延為30ms. 相比較，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。因此ZigBee技術(shù)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(yīng)用；

④ 網(wǎng)絡(luò)容量大：每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持6.5萬個節(jié)點(diǎn)，一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活；

⑤ 體積?。篫igBee的SIP/SoC芯片尺寸已經(jīng)可以縮小到7mm×7mm以下，和傳感器組成的模塊已經(jīng)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(wù)預(yù)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(rèn)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(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)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(kuò)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(yīng)軍事需要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。ZigBee設(shè)備實(shí)際上具有無線網(wǎng)路自愈能力,能簡單地覆蓋廣闊范圍；

基于這些特點(diǎn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛?？梢匀谌敫黝愲娮赢a(chǎn)品，應(yīng)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(wù)平臺簡介

現(xiàn)代服務(wù)業(yè)是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢，是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的主要方向，加快現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展已經(jīng)成為我國國家發(fā)展的戰(zhàn)略重 點(diǎn)。隨著科技水平的提高和科學(xué)理念的普及，世界各國越來越重視科技基礎(chǔ)條件與基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，未來五年將是我國現(xiàn)代服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期。目前包括北京 市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會、中關(guān)村管委會在內(nèi)的各部門都在各自職能范圍內(nèi)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(gòu)

隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流業(yè)已由過去的末端行業(yè)，上升為引導(dǎo)生產(chǎn)、促進(jìn)消費(fèi)的先導(dǎo)行業(yè)?，F(xiàn)代物流業(yè)是以現(xiàn)代運(yùn)輸業(yè)為重 點(diǎn)，以信息技術(shù)為支撐，以現(xiàn)代制造業(yè)和商業(yè)為基礎(chǔ)，集系統(tǒng)化、信息化、倉儲現(xiàn)代化為一體的綜合性產(chǎn)業(yè)。因而它的發(fā)展，必將對優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)企業(yè)發(fā)展后 勁、提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量起到巨大的促進(jìn)作用。為此，我國及北京地區(qū)均出臺了相關(guān)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(wù)平臺的 需求應(yīng)運(yùn)而生。北京物流信息服務(wù)平臺既是一個物流相關(guān)信息互通共享平臺，又是一個公共物流信息服務(wù)的業(yè)務(wù)平臺。該平臺首先實(shí)現(xiàn)物流相關(guān)單位的信息互聯(lián)和一 站式查詢。并提供面向市內(nèi)物流企業(yè)的物流信息服務(wù)。

公共物流信息服務(wù)平臺內(nèi)容

公共物流信息平臺是服務(wù)于現(xiàn)代物流的。既是一個物流相關(guān)信息互通共享平臺，又是一個公共物流信息服務(wù)的業(yè)務(wù)平臺。該平臺 首先實(shí)現(xiàn)物流相關(guān)單位的信息互聯(lián)和一站式查詢。并提供面向市內(nèi)物流企業(yè)的物流信息服務(wù)。同時此平臺能夠同業(yè)內(nèi)的資深企業(yè)進(jìn)行合作，在物流領(lǐng)域的現(xiàn)代化，信 息化服務(wù)上做一些有意的嘗試。平臺建設(shè)的內(nèi)容包括：

（1）實(shí)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(wù)平臺與運(yùn)輸部門、生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)物流信息服務(wù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)力與貨源網(wǎng)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(shí)現(xiàn)物流信息服務(wù)過程的可視化。

（3）實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互共享，將極大提高信息交換效率。

（4）整合運(yùn)輸部門、生產(chǎn)企業(yè)、流通企業(yè)、第三方物流之間相關(guān)信息資源，利用平臺整合各物流環(huán)節(jié)，為一站式辦公構(gòu)件技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)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(wù)，加強(qiáng)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(wù)平臺服務(wù)體系，使平臺貼合客戶需求，定價(jià)計(jì)費(fèi)合理，保障信息服務(wù)平臺長效運(yùn)營

（6）同相關(guān)企業(yè)合作，利用先進(jìn)的科技手段。實(shí)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(wù)平臺的建設(shè)，我們希望實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)物流業(yè)向現(xiàn)代物流業(yè)的轉(zhuǎn)變，不僅是物流業(yè)自身結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的需要，也是整個國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然要求。

Zigbee技術(shù)在物流信息服務(wù)平臺中建設(shè)中的應(yīng)用

應(yīng)用需求

現(xiàn)代物流的一項(xiàng)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(shù)或者RFID技術(shù)。利用電子掃描條碼或者RFID識別的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對貨物的信息化管理。通過科學(xué)編碼，方便對物品的批次、保質(zhì)期等進(jìn)行管理。不過 只用條碼或者RFID技術(shù)也存在技術(shù)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(biāo)簽微弱的反射或被動耦 合的信號來實(shí)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(shè)和維護(hù)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(yuǎn)距離的讀寫器價(jià)格比較高。也不能方便的組網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)Zigbee的應(yīng)用特點(diǎn)，我們在倉儲管理信息系統(tǒng)中引入了Zigbee技術(shù)。利用Zigbee組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 低能耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低的特點(diǎn)，開發(fā)基于Zigbee設(shè)備的無線傳感器網(wǎng)。在每個庫存的貨物上安置一個Zigbee的終端設(shè)備，把設(shè)備對應(yīng)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(yīng)用Zigbee無線通信的方式發(fā)送到終端設(shè)備的路由器。再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(shè)備組成的樹狀網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成智能倉儲管理。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備組成了適合運(yùn)用在倉儲系統(tǒng)中的Zigbee樹狀網(wǎng)絡(luò)。通過Zigbee的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對出庫，入庫的產(chǎn)品進(jìn)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(shè)備記錄了貨物的型號，出廠日期等信息。貨物經(jīng)過倉庫入口，信息會自動加入到入口處的路由器網(wǎng)絡(luò)中。并通過路由器將信息傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。最后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳給上位機(jī)。

2）貨物出庫

貨物出庫時，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，路由器，Zigbee終端設(shè)備指定要出庫的貨物，并確認(rèn)出庫信息正確，允許貨物出庫。

3） 庫存數(shù)量清點(diǎn)

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

4） 貨物的區(qū)域定位、轉(zhuǎn)移

倉庫內(nèi)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)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(jì)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(bào)警

Zigbee設(shè)備終端的溫濕度傳感器對貨物周圍的環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測。并根據(jù)預(yù)設(shè)置的環(huán)境參數(shù)的上下線。通過路由器向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器報(bào)警。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將報(bào)警信息上傳至上位機(jī)，通知管理人員及時處理。

小結(jié)

作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術(shù)，Zigbee是一種很好的短距離無線通信方式。Zigbee通信的技術(shù)特點(diǎn)，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(gòu)