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基于ZigBee的RFID系統(tǒng)在第三方物流智能倉儲中的應用

來源: 現(xiàn)代電子技術(shù) | 2013-11-19 15:14

  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(shù)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(shù)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(shù),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(nèi),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(shù)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(shù),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(shù)除了首批投資成本外不會產(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,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(nèi),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(guān)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。考慮倉庫為室內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)

  一個ZigBee網(wǎng)絡需要有中心協(xié)調(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(diào)器與N個路由器共同構(gòu)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(shù)的RFID系統(tǒng),采用MESH網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),由一個主控節(jié)點和若干個子節(jié)點構(gòu)成(子節(jié)點數(shù)目視倉庫內(nèi)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(diào)器構(gòu)成;子節(jié)點由讀卡器通過串口與路由器構(gòu)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(jīng)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。

 


  3 組網(wǎng)硬件布置

  以一個第三方物流平面?zhèn)}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(wǎng)的ZigBee設備選擇基于TI公司CC2530F256芯片、且運行ZigBee2007/PRO協(xié)議、電路已經(jīng)整合好的ZigBee模塊,它具有ZigBee協(xié)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(xié)議,所有ZigBee協(xié)議處理,均在ZigBee模塊內(nèi)部自動完成,且節(jié)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(shù)據(jù)即可。

  其中ZigBee模塊與讀卡器及服務器之間遵循RS 232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(tǒng)一控制,讀卡器與單片機也通過RS 232串口連接。ZigBee模塊與RFID讀卡器以及單片機電源均在5~12 V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(diào)度室,用于倉儲作業(yè)的收發(fā)指令及正常調(diào)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(wǎng)絡節(jié)點,所有節(jié)點組成基于ZigBee無線傳輸?shù)腞FID系統(tǒng)。由單片機控制的貨位狀態(tài)指示燈安裝在貨位上方用來提示工作人員正常倉儲作業(yè);經(jīng)數(shù)據(jù)庫進行處理后轉(zhuǎn)化的可視化界面一方面顯示在調(diào)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。

 

具體的進出庫(位)數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)流程如圖3所示。

 

  當倉儲作業(yè)中出現(xiàn)其他工作流程及突發(fā)狀況時,比如庫存盤點、貨物庫區(qū)轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)器交由后臺數(shù)據(jù)庫進行儲存管理。幾乎所有流程都將工作人員從傳統(tǒng)的作業(yè)方式中解放出來,準確的信息采集模式,提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理可靠性,有效的防止了人為失誤。

  4 結(jié)語

  經(jīng)實際運行測試,室內(nèi)環(huán)境下ZigBee模塊相互間隔3 m左右,信號良好,正常倉儲作業(yè)條件下,服務器收到數(shù)據(jù)包時間均在20~40 ms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(shù)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(nèi)安裝一套ZigBee自組網(wǎng)系統(tǒng),需要造價在2~3萬元之間。對于大中型的倉儲企業(yè)來講,性價比較高。但對于一些看重利潤的小型倉儲企業(yè),馬上進行業(yè)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(yè)規(guī)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(shù)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?shù)臄?shù)據(jù)量非常有限,如果不能很好地解決數(shù)據(jù)順次傳輸方式及傳輸間隔問題,便會大大影響系統(tǒng)的響應速度及工作效率。不過,相信這些問題會隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展,在不久的將來都會得到解決。

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