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倉儲管理的效率決定了企業(yè)的競爭力。傳統(tǒng)倉儲管理系統(tǒng)中RFID只負責(zé)采集數(shù)據(jù)而不能及時處理數(shù)據(jù), Zig Bee技術(shù)只負責(zé)完成倉儲的安防工作, 效率較低。為了解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和上傳的瓶頸問題, 本文提出利用RFID和Zig Bee技術(shù)融合組網(wǎng)的方式用以提高數(shù)據(jù)的精度和傳輸?shù)乃俣? 同時能夠?qū)崿F(xiàn)人員管理、物品信息管理, 安防等功能, 以達到高效的無線智能倉儲管理系統(tǒng)的設(shè)計[1,2,3]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要由Zig Bee傳感器節(jié)點、電子標簽、終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、上位機等組成。Zig Bee傳感器節(jié)點負責(zé)各種環(huán)境報警參數(shù)的采集, 如火災(zāi)、非法入侵、可燃性氣體監(jiān)測等安防信息。終端節(jié)點負責(zé)讀取電子標簽中的位置, 參數(shù), 人員等信息, 通過Zig Bee網(wǎng)絡(luò)將讀取的信息逐級傳送至Zig Bee協(xié)調(diào)器, 協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳給上位機, 上位機經(jīng)過分析處理后得到該標簽的信息 (如人員及物品信息等) , 之后根據(jù)得到的信息做相應(yīng)的處理。

Zig Bee傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)由Zig Bee無線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊等組成。傳感器選擇溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外熱釋電傳感器, 實現(xiàn)安防報警功能。鑒于篇幅, 本文給出溫濕度傳感器與Zig Bee無線通信模塊的接口電路圖, 如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖  下載原圖

Zig Bee無線通信模塊以CC2530芯片為核心。CC2530是用于2.4GHz、Zig Bee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530芯片是支持Zig Bee/Zig Bee PRP, Zig Bee RF4CE, 6Lo WPAN, Wireless HART及其他所有基于IEEE802.15.4標準的解決方案。芯片集成了RF收發(fā)器, 增強型8051CPU, 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存, 8k B SRAM和許多其他模塊的強大功能, 且CC2530芯片的外圍電路比較簡單。ZigBee無線模塊完成無線信號的收發(fā)功能、Zig Bee協(xié)議的相關(guān)操作以及控制采集、存儲和處理傳感器數(shù)據(jù)[4,5]。

圖2 Zig Bee傳感器電路設(shè)計圖  下載原圖

DHT11是一款具有體積小, 功耗低, 抗干擾能力強, 性價比高等特點的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11與CC2530之間采用單線制串行方式通信。如圖2所示, DHT11的DATA引腳與CC2530的P1_2相連, 用于CC2530與DHT11之間的通訊和同步[6]。

終端節(jié)點的硬件設(shè)計是將RFID技術(shù)與ZigBee技術(shù)融合。終端節(jié)點主要由RFID射頻通信模塊、Zig Bee無線通信模塊、電源模塊等組成, 其硬件接口電路如圖2-3所示。

圖3 終端節(jié)點硬件電路設(shè)計  下載原圖

終端節(jié)點硬件中的RFID讀寫模塊采用CLR-C632芯片實現(xiàn)對電子標簽的讀寫操作。該芯片是工作頻率為13.56MHz的高集成讀卡集成電路, 支持ISO/IEC14443 A/B和ISO/IEC15693三種協(xié)議。系統(tǒng)電子標簽選擇MI-STD S50和I.CODE SLI兩個型號。MI-STD S50內(nèi)存儲倉儲管理人員信息, 采用ISO/IEC14443 A通信協(xié)議;I.CODE SLI存儲倉儲物品信息及定位參數(shù), 采用ISO/IEC15693通信協(xié)議[7]。

Zig Bee無線通信模塊同樣以CC2530芯片為核心。CC2530的主要作用是把RFID射頻模塊讀取并處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器, 同時將協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令傳遞給RFID射頻模塊, 以完成對電子標簽的讀寫操作[8]。

結(jié)合圖2, 3可知, CC2530與CLRC632采用SPI方式通信。圖中CLRC632的NWR、NRD接高電平, A2作為SPI通信接口的時鐘 (SCK) 信號端與P0_0相連, A1始終為低電平;A0、D0分別為SPI通信數(shù)據(jù)的輸入 (MISI) 輸出 (MISO) 端與P0_6、P1_3相連。當(dāng)CLRC632的22端口用作NSS時, 則為SPI通信方式的選通控制信號與P0_4相連。

Zig Bee傳感器節(jié)點與終端節(jié)點的電源模塊均采用USB供電。如圖4所示, 經(jīng)AMS1117模塊進行穩(wěn)壓輸出3.3V電壓為CC2530提供電源, 經(jīng)過TPS60111模塊輸出5V電壓為CLRC632等提供電源。

圖4 電源模塊電路圖  下載原圖

協(xié)調(diào)器中的Zig Bee模塊硬件設(shè)計與終端節(jié)點中的基本相同, 主控芯片均采用CC2530, 但在程序操作部分有所不同。

本系統(tǒng)是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議, 通過Zig Bee的自組網(wǎng)絡(luò)功能建立的智能倉儲管理系統(tǒng)。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu), 設(shè)備類型為協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備, 所有的終端設(shè)備都直接與協(xié)調(diào)器通信, 網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護。上位機與協(xié)調(diào)器通過串口建立連接, 協(xié)調(diào)器將節(jié)點組網(wǎng)信息發(fā)送給上位機, 同時接收上位機的數(shù)據(jù)并無線轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點。圖5所示為協(xié)調(diào)器與上位機的通信流程圖。

鑒于篇幅問題, 本文僅介紹讀取電子標簽信息的軟件流程。網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點的核心控制器CC2530根據(jù)協(xié)調(diào)器的指令進行判斷, 通過控制CLRC632讀取電子標簽中信息, 將信息變成符合Zig Bee協(xié)議的數(shù)據(jù)包, 之后發(fā)送至協(xié)調(diào)器, 通信協(xié)議為IEEE.802.15.4。最后協(xié)調(diào)器通過串口將信息傳送至上位機, 并將數(shù)據(jù)顯示在上位機軟件界面上, 程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)采用不同型號的電子標簽與傳感器組成小型的倉儲管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行測試。網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點分置于不同的位置, 以實現(xiàn)不同的功能。協(xié)調(diào)器通過串口與上位機建立連接, 并將節(jié)點組網(wǎng)信息發(fā)至上位機管理平臺, 上位機管理平臺顯示傳感器節(jié)點信息, 并將接收到的各種數(shù)據(jù)信息進行分析處理。

圖5 協(xié)調(diào)器與上位機通信流程圖  下載原圖

圖6 采集電子標簽數(shù)據(jù)軟件流程  下載原圖

溫度與濕度的實時數(shù)據(jù)采集如圖7所示。不僅可以觀測到當(dāng)前的數(shù)據(jù), 也可查看歷史數(shù)據(jù)。根據(jù)溫濕度的實時數(shù)據(jù)及設(shè)限值, 上位機通過Zig Bee自組網(wǎng)絡(luò)做相應(yīng)的處理, 如火災(zāi), 水災(zāi)報警等。

圖7 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集圖  下載原圖

圖8為電子標簽數(shù)據(jù)采集圖。當(dāng)終端節(jié)點讀出電子標簽的ID號后, 上位機根據(jù)讀取的ID號對電子標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理, 如讀取物品信息、位置參數(shù)或管理人員信息等。

圖8 電子標簽數(shù)據(jù)采集圖  下載原圖

從圖9可以看出, 當(dāng)有人非法經(jīng)過紅外線傳感器時, Zig Bee傳感器節(jié)點輸出高電平, 經(jīng)協(xié)調(diào)器傳輸給上位機, 上位機根據(jù)接收到的信息發(fā)出報警控制命令, 警鈴響起, 實現(xiàn)防盜功能。

圖9 紅外線熱釋傳感器數(shù)據(jù)采集圖  下載原圖

本文設(shè)計了一種基于RFID技術(shù)和Zig Bee技術(shù)的智能倉儲管理系統(tǒng)。RFID技術(shù)和Zig Bee技術(shù)的融合, 使數(shù)據(jù)讀取與傳輸效率都得到了很大提高, 系統(tǒng)資源也得到了充分利用。整個系統(tǒng)測試表明, 數(shù)據(jù)讀取功能和無線通信功能, 終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器功能正常, Zig Bee網(wǎng)絡(luò)通信功能正常。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對倉儲的智能化管理。