發布日期：2022-05-25 點擊率：32
引言
本文以天津濱海新區日益發展的第三方物流企業的平面倉庫為應用環境，為建立一套基于物聯網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系統中每一個或幾個RFID電子標簽都需要有其對應的讀寫器進行信息感應，而各組RFID讀卡器也需要與服務器進行數據交換。但在倉儲作業中因舉升車輛需要路面光滑才可保障平穩運行，且倉庫空間挑高大、平面空間跨度廣所以不便于有線布設，必須使用無線網絡實現無線數據交互。因此采用日益成熟的ZigBee技術來對RFID讀卡器進行無線組網，實現動態放據交換
1、ZigBee自組網方案論證
針對第三方物流倉儲的作業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技術的無線自組網方案。ZigBee自組網是基于IEEE802．15．4的無線通信技術，由多到65535個無線數傳模塊組成的高可靠性無線數傳網絡平臺。在整個網絡范圍內，每個ZigBee數傳模塊問可相互通信，各節點間距離可以從標準的75m無限擴展，具有使用方便、工作可靠、價格低的特點。
與其他組網方式相比，首先ZigBee技術采用的是自組網通信方式，每個ZigBee節點可獨立工作，一旦某個節點出現問題，可通過其他節點傳輸數據，并可隨時隨地將新的RFID閱讀器加入網絡，不會影響全部網絡的使用；若使用Wifi技術，某AP故障會導致覆蓋范圍下所有RFID讀卡器無法實現數據交換其次，ZigBee協議棧簡單，實現相對容易，運行ZigBee需要系統資源約28Kb，而藍牙協議棧相對復雜，需要系統資源約250Kb；此外ZigBee比藍牙更為靈活，更有利于控制系統成本。
在倉儲作業中根據作業流程，需要大量數據傳輸節點，數量巨大的通信設備造價及在網運行時的通信費用，直接影響系統成本；而ZigBee技術除了首批投資成本外不會產生更多的日常使用費用。雖然ZigBee的傳輸速率并不快（2．4GHz的頻段只有250Kb／s），然而考慮到倉儲作業特點，貨物托盤上的電子標簽只寫入貨物的ID號，字節長度通常在3B以內，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，同樣電源環境下，藍牙和WIFI的持續工作時間要遠遠小于ZigBee。
RFID相關協議中只規定了通信接口，而ZigBee具有相對完善的通信組網協議，工作頻段上ZigBee可以選擇2．4GHzISM頻段（全球通用頻段），而RFID可工作在91MHz或其它頻段，二者在通信頻率上互不干擾。考慮倉庫為室內環境，且節點與節點之間距離較近，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。通過自組織網絡協議，網絡中設備之間都可以直接或間接進行無線通信，網絡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證模式。
綜上所述，選擇ZigBee技術作為第三方物流智能倉儲中RFID系統的數據傳輸網絡是最合適的。
2、網絡原理及結構
一個ZigBee網絡需要有中心協調器（Coordinator）和路由器（Router）兩部分組成。每個ZigBee網絡需要且僅需要一個中心協調器，用來創建網絡，當有節點加入時，分配地址給子節點；而路由器負責收發數據和轉發數據，并尋找最適合的路由路徑，當有節點加入時，可為節點分配地址，因此一個ZigBee網絡可能需要多個路由器。當一個網絡由一個中心協調器與N個路由器共同構成時，這個網絡才是真正的MESH網絡，每個節點發送的數據全部是自動路由到達標節點。
圖1ZigBee MESH網絡結構圖
基于ZigBee自組網技術的RFID系統，采用MESH網絡結構，由一個主控節點和若干個子節點構成（子節點數目視倉庫內RFID讀卡器數量而定），如圖1所示。主控節點由服務器通過串口與中心協調器構成；子節點由讀卡器通過串口與路由器構成。串口選擇RS232雙向通信方式。
所有ZigBee設備啟動后，主控節點將開始組建ZigBee網絡，將所有子節點加入網絡同時為各個子節點分配網絡地址，并將信息存儲進數據庫。讀卡器采集到標簽數據后，首先把數據發送給與之連接的路由器，路由器再把標簽數據連同讀卡器信息通過多跳ZigBee網絡發送給主控節點進行存儲，主控節點要把閱讀器的參數配置命令通過與路由器間的通信發送給閱讀器，隨后庫位節點設備進入省電模式；當主控節點對子節點發布命令時，可以隨時喚醒庫位節點設備，通過尋找子節點的網絡地址，然后根據網絡地址將命令通過多跳網絡傳達給路由器，再經路由器傳給對應的讀卡器，最后由路由器向主控節點發送收到命令的確認通知。
3、組網硬件布置
以一個第三方物流平面倉庫為例，讀卡器安裝于各個貨位以及倉庫進出門口，而貨物隨托盤進出庫，電子標簽貼于托盤，標簽存儲貨物的ID號。用于組網的ZigBee設備選擇基于TI公司CC2530F256芯片、且運行ZigBee2007／PRO協議、電路已經整合好的ZigBee模塊，它具有ZigBee協議的全部特點。使用模塊的好處在于用戶不需要了解復雜的ZigBee協議，所有ZigBee協議處理，均在ZigBee模塊內部自動完成，且節點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據即可。
其中ZigBee模塊與讀卡器及服務器之間遵循RS232異步串行雙向通信格式；所有的RFID讀卡器及其指示燈信號均通過集線裝置接在單片機上，由單片機統一控制，讀卡器與單片機也通過RS232串口連接。ZigBee模塊與RFID讀卡器以及單片機電源均在5～12V之間，采用標準的TTL電平。
服務器及主控ZigBee模塊安裝在倉庫總調度室，用于倉儲作業的收發指令及正常調度；所有的讀卡器及ZigBee設備均安裝在倉庫實際庫位及倉庫出入口成為單個網絡節點，所有節點組成基于ZigBee無線傳輸的RFID系統。由單片機控制的貨位狀態指示燈安裝在貨位上方用來提示工作人員正常倉儲作業；經數據庫進行處理后轉化的可視化界面一方面顯示在調度室的主機上，另一方面顯示在倉庫中的大屏幕上供工作人員瀏覽，如圖2所示。
圖2基于ZigBee網絡的RFID系統硬件邏輯圖
具體的進出庫（位）數據傳輸作業流程如圖3所示。
圖3出入庫（位）數據傳輸流程圖
當倉儲作業中出現其他工作流程及突發狀況時，比如庫存盤點、貨物庫區轉移、貨物異位或標簽損壞等，RFID閱讀器通過實時感應到的信號及時喚醒ZigBee路由器，再將信息及時傳遞到中心協調器交由后臺數據庫進行儲存管理。幾乎所有流程都將工作人員從傳統的作業方式中解放出來，準確的信息采集模式，提高了系統的數據管理可靠性，有效的防止了人為失誤。
4、結語
經實際運行測試，室內環境下ZigBee模塊相互間隔3m左右，信號良好，正常倉儲作業條件下，服務器收到數據包時間均在20～40ms左右，滿足正常工作條件。
一個普通的第三方倉庫，擁有貨位500個左右，則需要ZigBee模塊數量也在500個左右。市場上ZigBee模塊單價基本上在40～60元人民幣。因此倉庫內安裝一套ZigBee自組網系統，需要造價在2～3萬元之間。對于大中型的倉儲企業來講，性價比較高。但對于一些看重利潤的小型倉儲企業，馬上進行業務改進還是有一些難度，因此如果不能有效控制成本，方案便不具備可推廣性。針對不同企業規模及不同倉庫特點，實際方案實施中，可以適當減少ZigBee模塊數量。比如相鄰幾個RFID讀卡器可以通過集線裝置共用一個ZigBee模塊，這樣便有效地降低了成本。但隨之而來的問題時，每個ZigBee模塊單次傳輸的數據量非常有限，如果不能很好地解決數據順次傳輸方式及傳輸間隔問題，便會大大影響系統的響應速度及工作效率。不過，相信這些問題會隨著ZigBee技術的不斷發展，在不久的將來都會得到解決。
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