ZigBee自組網(wǎng)技術在第三方物流智能倉儲中的應用

摘要：針對第三方智能倉儲物流RFID系統(tǒng)，為了解決RFID讀卡器與服務器的數(shù)據(jù)交換問題，經過方案論證比較，選擇ZigBee自組網(wǎng)技術建立無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。整個系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)絡結構，由主控節(jié)點與子節(jié)點共同構成。該方案以實際物流倉庫為實驗環(huán)境，經過實際部署及測試，服務器收到數(shù)據(jù)包時間均在20～40 ms，網(wǎng)絡運行穩(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。
關鍵詞：ZigBee技術；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(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，必須使用無線網(wǎng)絡實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)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(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，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)絡平臺。在整個網(wǎng)絡范圍內，每個ZigBee數(shù)傳模塊問可相互通信，各節(jié)點間距離可以從標準的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，不會影響全部網(wǎng)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(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，而藍牙協(xié)議棧相對復雜，需要系統(tǒng)資源約250 Kb；此外ZigBee比藍牙更為靈活，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(2．4 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簽只寫入貨物的ID號，字節(jié)長度通常在32 B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(huán)境下，藍牙和WIFI的持續(xù)工作時間要遠遠小于ZigBee。
RFID相關協(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?？紤]倉庫為室內環(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)絡協(xié)議，網(wǎng)絡中設備之間都可以直接或間接進行無線通信，網(wǎng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是最合適的。

2 網(wǎng)絡原理及結構
一個ZigBee網(wǎng)絡需要有中心協(xié)調器(Coordinator)和路由器(Router)兩部分組成。每個ZigBee網(wǎng)絡需要且僅需要一個中心協(xié)調器，用來創(chuàng)建網(wǎng)絡，當有節(jié)點加入時，分配地址給子節(jié)點；而路由器負責收發(fā)數(shù)據(jù)和轉發(fā)數(shù)據(jù)，并尋找最適合的路由路徑，當有節(jié)點加入時，可為節(jié)點分配地址，因此一個ZigBee網(wǎng)絡可能需要多個路由器。當一個網(wǎng)絡由一個中心協(xié)調器與N個路由器共同構成時，這個網(wǎng)絡才是真正的MESH網(wǎng)絡，每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)全部是自動路由到達標節(jié)點。

基于ZigBee自組網(wǎng)技術的RFID系統(tǒng)，采用MESH網(wǎng)絡結構，由一個主控節(jié)點和若干個子節(jié)點構成(子節(jié)點數(shù)目視倉庫內RFID讀卡器數(shù)量而定)，如圖1所示。主控節(jié)點由服務器通過串口與中心協(xié)調器構成；子節(jié)點由讀卡器通過串口與路由器構成。串口選擇RS 232雙向通信方式。
所有ZigBee設備啟動后，主控節(jié)點將開始組建ZigBee網(wǎng)絡，將所有子節(jié)點加入網(wǎng)絡同時為各個子節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，并將信息存儲進數(shù)據(jù)庫。讀卡器采集到標簽數(shù)據(jù)后，首先把數(shù)據(jù)發(fā)送給與之連接的路由器，路由器再把標簽數(shù)據(jù)連同讀卡器信息通過多跳ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送給主控節(jié)點進行存儲，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)點設備進入省電模式；當主控節(jié)點對子節(jié)點發(fā)布命令時，可以隨時喚醒庫位節(jié)點設備，通過尋找子節(jié)點的網(wǎng)絡地址，然后根據(jù)網(wǎng)絡地址將命令通過多跳網(wǎng)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(jié)點發(fā)送收到命令的確認通知。