Zigbee技術(shù)在北京公共物流信息服務(wù)平臺中的應用

前言

當前由于全球經(jīng)濟一體化進(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(shí)代的物流業(yè)將呈現全球化、信息 化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化、柔性化、標準化和社會(huì )化的特征。大量的信息電子技術(shù)應用于物流業(yè)中。Zigbee 是一項無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的新技術(shù)。它是一種專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近距離無(wú)線(xiàn)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(chǎng)方興未艾。Zigbee技術(shù)應用于很多領(lǐng)域。本文主要介紹Zigbee技術(shù)在公共物流服務(wù)中的一種應用。

Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是新興的一種低速率短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，也是ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance）所主導的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)標準。是當前國際上備受關(guān)注的無(wú)線(xiàn)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(wú) 線(xiàn)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)現數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。而這些傳感器只需要很少 的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)的形式，將數據從一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)傳到另一個(gè)節點(diǎn)，它們的通信效率非常高。

ZigBee通訊協(xié)議概述

ZigBee并不是完全的獨有的全新的標準，它的物理層和MAC子層采用了IEEE 802.15.4標準。完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、MAC子層、網(wǎng)絡(luò )層、應用匯聚子層和高層應用規范層組成。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(wú)線(xiàn)傳輸的標準。如前所述，Zigbee是IEEE 802.15.4與Zigbee Alliance 兩個(gè)組織定義的標準。前者是針對低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定標準。定義了PHY層和數據鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪(fǎng)問(wèn)物理信道提供點(diǎn) 到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。Zigbee的協(xié)議體系架構參見(jiàn)圖1。

Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

① 低成本：因為Zigbee數據傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)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(zhuān)利費；

② 低功耗：Zigbee的低數據傳輸速率，發(fā)射功耗不到1mw,在休眠狀態(tài)下耗電量?jì)H僅只有1μw，在距離短通信的工作狀態(tài)下耗電為30mw，在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用6個(gè)月以上；

③ 短時(shí)延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，典型的搜索設備時(shí)延為30ms. 相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應用；

④ 網(wǎng)絡(luò )容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可支持6.5萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，一個(gè)星型結構的ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可以容納254個(gè)從設備和一個(gè)主設備，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(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過(guò)程中出現問(wèn)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)，均為免執照頻段，具有16個(gè)擴頻通信信道；

安全：ZigBee提供了數據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軍事需要的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò )拓撲能力:ZigBee具有星、樹(shù)和叢網(wǎng)絡(luò )結構的能力。ZigBee設備實(shí)際上具有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路自愈能力,能簡(jiǎn)單地覆蓋廣闊范圍；

基于這些特點(diǎn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò )的應用范圍非常廣泛?？梢匀谌敫黝?lèi)電子產(chǎn)品，應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(chǎng)。

公共物流信息服務(wù)平臺簡(jiǎn)介

現代服務(wù)業(yè)是未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢，是產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級的主要方向，加快現代服務(wù)業(yè)發(fā)展已經(jīng)成為我國國家發(fā)展的戰略重 點(diǎn)。隨著(zhù)科技水平的提高和科學(xué)理念的普及，世界各國越來(lái)越重視科技基礎條件與基礎設施的建設，未來(lái)五年將是我國現代服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。目前包括北京 市經(jīng)濟和信息化委員會(huì )、中關(guān)村管委會(huì )在內的各部門(mén)都在各自職能范圍內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

隨著(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，物流業(yè)已由過(guò)去的末端行業(yè)，上升為引導生產(chǎn)、促進(jìn)消費的先導行業(yè)?，F代物流業(yè)是以現代運輸業(yè)為重 點(diǎn)，以信息技術(shù)為支撐，以現代制造業(yè)和商業(yè)為基礎，集系統化、信息化、倉儲現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)結構、增強企業(yè)發(fā)展后 勁、提高經(jīng)濟運行質(zhì)量起到巨大的促進(jìn)作用。為此，我國及北京地區均出臺了相關(guān)政策鼓勵現代物流業(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 需求應運而生。北京物流信息服務(wù)平臺既是一個(gè)物流相關(guān)信息互通共享平臺，又是一個(gè)公共物流信息服務(wù)的業(yè)務(wù)平臺。該平臺首先實(shí)現物流相關(guān)單位的信息互聯(lián)和一 站式查詢(xún)。并提供面向市內物流企業(yè)的物流信息服務(wù)。

公共物流信息服務(wù)平臺內容

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

（1）實(shí)現管理部門(mén)信息交換系統接口。形成北京物流信息服務(wù)平臺與運輸部門(mén)、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。

（2）實(shí)現物流信息服務(wù)系統。實(shí)現運力與貨源網(wǎng)上在線(xiàn)配載，倉儲資源供求信息的發(fā)布與查詢(xún)，物流狀態(tài)查詢(xún)，最終實(shí)現物流信息服務(wù)過(guò)程的可視化。

（3）實(shí)現數據交換和信息接口。滿(mǎn)足平臺與外部公共信息平臺進(jìn)行數據交互共享，將極大提高信息交換效率。

（4）整合運輸部門(mén)、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，為一站式辦公構件技術(shù)基礎，實(shí)現物流信息無(wú)障礙互聯(lián)；向物流企業(yè)提供物流全過(guò)程的信息服務(wù)，加強貨物在途情況掌握及對異常狀況及時(shí)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(hù)需求，定價(jià)計費合理，保障信息服務(wù)平臺長(cháng)效運營(yíng)

（6）同相關(guān)企業(yè)合作，利用先進(jìn)的科技手段。實(shí)現北京物流的現代化，信息化，數字化。

通過(guò)公共物流信息服務(wù)平臺的建設，我們希望實(shí)現傳統物流業(yè)向現代物流業(yè)的轉變，不僅是物流業(yè)自身結構調整和產(chǎn)業(yè)升級的需要，也是整個(gè)國民經(jīng)濟發(fā)展的必然要求。

Zigbee技術(shù)在物流信息服務(wù)平臺中建設中的應用

應用需求

現代物流的一項重要的表現之一就是系統的數字化。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)現對貨物的信息化管理。通過(guò)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(guò) 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(xiě)，由于條碼和RFID的讀取方式，都是通過(guò)條碼和RFID標簽微弱的反射或被動(dòng)耦 合的信號來(lái)實(shí)現的，因而讀取距離都非常有限,并且RFID讀卡器須采用RS232/485有線(xiàn)連接方式通信，給系統架設和維護都帶來(lái)了極大的不便。這些局 限性，大大限制了它的作用的發(fā)揮。而遠距離的讀寫(xiě)器價(jià)格比較高。也不能方便的組網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò )架構

根據Zigbee的應用特點(diǎn)，我們在倉儲管理信息系統中引入了Zigbee技術(shù)。利用Zigbee組成的無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)基于Zigbee設備的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)。在每個(gè)庫存的貨物上安置一個(gè)Zigbee的終端設備，把設備對應貨物的信息 以及采集到的貨物的位置偏移和周?chē)沫h(huán)境溫度、濕度等參數應用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)送到終端設備的路由器。再由路由器轉發(fā)到網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，最后上傳 至數據控制管理中心。

如圖2所示， 系統采用Zigbee設備組成的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )，構成智能倉儲管理。Zigbee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、路由器、終端設備組成了適合運用在倉儲系統中的Zigbee樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)Zigbee的網(wǎng)絡(luò )系統對出庫，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終端設備記錄了貨物的型號，出廠(chǎng)日期等信息。貨物經(jīng)過(guò)倉庫入口，信息會(huì )自動(dòng)加入到入口處的路由器網(wǎng)絡(luò )中。并通過(guò)路由器將信息傳給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。最后由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器傳給上位機。

2）貨物出庫

貨物出庫時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，路由器，Zigbee終端設備指定要出庫的貨物，并確認出庫信息正確，允許貨物出庫。

3） 庫存數量清點(diǎn)

根據需要，上位機通過(guò)Zigbee網(wǎng)路系統可以定期對庫存的物品進(jìn)行清點(diǎn)。及時(shí)處理發(fā)現的問(wèn)題。

4） 貨物的區域定位、轉移

倉庫內的Zigbee網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)時(shí)讀取貨物的各種信息，控制中心據此判斷貨物的存放區域，統計倉庫使用情況，并據此安排新貨物的入庫存放位置。

5） 溫濕度檢測與報警

Zigbee設備終端的溫濕度傳感器對貨物周?chē)沫h(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測。并根據預設置的環(huán)境參數的上下線(xiàn)。通過(guò)路由器向網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器報警。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器將報警信息上傳至上位機，通知管理人員及時(shí)處理。

小結

作為一種新興的短距離、低速率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，Zigbee是一種很好的短距離無(wú)線(xiàn)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(zhù)很大的發(fā)展空間。Zigbee在物流倉儲信息系統的引入，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