ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)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，為了解決RFID讀卡器與服務(wù)器的數據交換問(wèn)題，經(jīng)過(guò)方案論證比較，選擇ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)建立無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。整個(gè)系統采用MESH網(wǎng)絡(luò )結構，由主控節點(diǎn)與子節點(diǎn)共同構成。該方案以實(shí)際物流倉庫為實(shí)驗環(huán)境，經(jīng)過(guò)實(shí)際部署及測試，服務(wù)器收到數據包時(shí)間均在20～40 ms，網(wǎng)絡(luò )運行穩定，數據傳輸正常，滿(mǎn)足正常作業(yè)。且該方案從降低投資維護成本、增強實(shí)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(wú)線(xiàn)數據傳輸；智能倉儲；第三方物流

0 引言
本文以天津濱海新區日益發(fā)展的第三方物流企業(yè)的平面倉庫為應用環(huán)境，為建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)概念且具備可推廣價(jià)值的智能倉儲解決方案。在智能倉儲的RFID系統中每一個(gè)或幾個(gè)RFID電子標簽都需要有其對應的讀寫(xiě)器進(jìn)行信息感應，而各組RFID讀卡器也需要與服務(wù)器進(jìn)行數據交換。但在倉儲作業(yè)中因舉升車(chē)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(xiàn)布設，必須使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據交互。因此采用日益成熟的ZigBee技術(shù)來(lái)對RFID讀卡器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，實(shí)現動(dòng)態(tài)放據交換。

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(diǎn)及實(shí)際傳輸距離需要，橫向比較幾種無(wú)線(xiàn)傳輸方式后，選擇基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)方案。ZigBee自組網(wǎng)是基于IEEE802．1 5．4的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，由多到65 535個(gè)無(wú)線(xiàn)數傳模塊組成的高可靠性無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )平臺。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內，每個(gè)ZigBee數傳模塊問(wèn)可相互通信，各節點(diǎn)間距離可以從標準的75 m無(wú)限擴展，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節點(diǎn)可獨立工作，一旦某個(gè)節點(diǎn)出現問(wèn)題，可通過(guò)其他節點(diǎn)傳輸數據，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 )導致覆蓋范圍下所有RFID讀卡器無(wú)法實(shí)現數據交換其次，ZigBee協(xié)議棧簡(jiǎn)單，實(shí)現相對容易，運行ZigBee需要系統資源約28 Kb，而藍牙協(xié)議棧相對復雜，需要系統資源約250 Kb；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(yè)中根據作業(yè)流程，需要大量數據傳輸節點(diǎn)，數量巨大的通信設備造價(jià)及在網(wǎng)運行時(shí)的通信費用，直接影響系統成本；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(diǎn)，貨物托盤(pán)上的電子標簽只寫(xiě)入貨物的ID號，字節長(cháng)度通常在32 B以?xún)?，因此不?huì )對傳輸速率有過(guò)多影響，滿(mǎn)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的持續工作時(shí)間要遠遠小于ZigBee。
RFID相關(guān)協(xié)議中只規定了通信接口，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，且節點(diǎn)與節點(diǎn)之間距離較近，ZigBee模塊在工作過(guò)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(guò)自組織網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )中設備之間都可以直接或間接進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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系統的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )是最合適的。

2 網(wǎng)絡(luò )原理及結構
一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )需要有中心協(xié)調器(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)調器，用來(lái)創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )，當有節點(diǎn)加入時(shí)，分配地址給子節點(diǎn)；而路由器負責收發(fā)數據和轉發(fā)數據，并尋找最適合的路由路徑，當有節點(diǎn)加入時(shí)，可為節點(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。當一個(gè)網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)中心協(xié)調器與N個(gè)路由器共同構成時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )才是真正的MESH網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的數據全部是自動(dòng)路由到達標節點(diǎn)。

基于ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的RFID系統，采用MESH網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主控節點(diǎn)和若干個(gè)子節點(diǎn)構成(子節點(diǎn)數目視倉庫內RFID讀卡器數量而定)，如圖1所示。主控節點(diǎn)由服務(wù)器通過(guò)串口與中心協(xié)調器構成；子節點(diǎn)由讀卡器通過(guò)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(dòng)后，主控節點(diǎn)將開(kāi)始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò )，將所有子節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )同時(shí)為各個(gè)子節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址，并將信息存儲進(jìn)數據庫。讀卡器采集到標簽數據后，首先把數據發(fā)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(guò)多跳ZigBee網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給主控節點(diǎn)進(jìn)行存儲，主控節點(diǎn)要把閱讀器的參數配置命令通過(guò)與路由器間的通信發(fā)送給閱讀器，隨后庫位節點(diǎn)設備進(jìn)入省電模式；當主控節點(diǎn)對子節點(diǎn)發(fā)布命令時(shí)，可以隨時(shí)喚醒庫位節點(diǎn)設備，通過(guò)尋找子節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址，然后根據網(wǎng)絡(luò )地址將命令通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò )傳達給路由器，再經(jīng)路由器傳給對應的讀卡器，最后由路由器向主控節點(diǎn)發(fā)送收到命令的確認通知。