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倉儲管理的效率決定了企業的競爭力。傳統倉儲管理系統中RFID只負責采集數據而不能及時處理數據, Zig Bee技術只負責完成倉儲的安防工作, 效率較低。為了解決傳統數據采集和上傳的瓶頸問題, 本文提出利用RFID和Zig Bee技術融合組網的方式用以提高數據的精度和傳輸的速度, 同時能夠實現人員管理、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的設計[1,2,3]。

系統總體結構如圖1所示, 主要由Zig Bee傳感器節點、電子標簽、終端節點、協調器、上位機等組成。Zig Bee傳感器節點負責各種環境報警參數的采集, 如火災、非法入侵、可燃性氣體監測等安防信息。終端節點負責讀取電子標簽中的位置, 參數, 人員等信息, 通過Zig Bee網絡將讀取的信息逐級傳送至Zig Bee協調器, 協調器通過串口將數據傳給上位機, 上位機經過分析處理后得到該標簽的信息 (如人員及物品信息等) , 之后根據得到的信息做相應的處理。

Zig Bee傳感器節點硬件結構由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 系統總體結構圖  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應用的一個真正的片上系統。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。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收發器, 增強型8051CPU, 系統內可編程閃存, 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功能、Zig Bee協議的相關操作以及控制采集、存儲和處理傳感器數據[4,5]。

圖2 Zig Bee傳感器電路設計圖  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字溫濕度復合傳感器。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]。

終端節點的硬件設計是將RFID技術與ZigBee技術融合。終端節點主要由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 終端節點硬件電路設計  下載原圖

終端節點硬件中的RFID讀寫模塊采用CLR-C632芯片實現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/IEC15693三種協議。系統電子標簽選擇MI-STD S50和I.CODE SLI兩個型號。MI-STD S50內存儲倉儲管理人員信息, 采用ISO/IEC14443 A通信協議;I.CODE SLI存儲倉儲物品信息及定位參數, 采用ISO/IEC15693通信協議[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據發送至協調器, 同時將協調器發送的命令傳遞給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通信數據的輸入 (MISI) 輸出 (MISO) 端與P0_6、P1_3相連。當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傳感器節點與終端節點的電源模塊均采用USB供電。如圖4所示, 經AMS1117模塊進行穩壓輸出3.3V電壓為CC2530提供電源, 經過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

協調器中的Zig Bee模塊硬件設計與終端節點中的基本相同, 主控芯片均采用CC2530, 但在程序操作部分有所不同。

本系統是基于無線傳感網絡通信協議, 通過Zig Bee的自組網絡功能建立的智能倉儲管理系統。Zig Bee網絡采用星型結構, 設備類型為協調器和終端設備, 所有的終端設備都直接與協調器通信, 網絡中協調器負責網絡的建立和維護。上位機與協調器通過串口建立連接, 協調器將節點組網信息發送給上位機, 同時接收上位機的數據并無線轉發給網絡中各個節點。圖5所示為協調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。網絡中終端節點的核心控制器CC2530根據協調器的指令進行判斷, 通過控制CLRC632讀取電子標簽中信息, 將信息變成符合Zig Bee協議的數據包, 之后發送至協調器, 通信協議為IEEE.802.15.4。最后協調器通過串口將信息傳送至上位機, 并將數據顯示在上位機軟件界面上, 程序流程如圖6所示。

系統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網絡進行測試。網絡中各個節點分置于不同的位置, 以實現不同的功能。協調器通過串口與上位機建立連接, 并將節點組網信息發至上位機管理平臺, 上位機管理平臺顯示傳感器節點信息, 并將接收到的各種數據信息進行分析處理。

圖5 協調器與上位機通信流程圖  下載原圖

圖6 采集電子標簽數據軟件流程  下載原圖

溫度與濕度的實時數據采集如圖7所示。不僅可以觀測到當前的數據, 也可查看歷史數據。根據溫濕度的實時數據及設限值, 上位機通過Zig Bee自組網絡做相應的處理, 如火災, 水災報警等。

圖7 溫濕度傳感器數據采集圖  下載原圖

圖8為電子標簽數據采集圖。當終端節點讀出電子標簽的ID號后, 上位機根據讀取的ID號對電子標簽內的數據做相應的處理, 如讀取物品信息、位置參數或管理人員信息等。

圖8 電子標簽數據采集圖  下載原圖

從圖9可以看出, 當有人非法經過紅外線傳感器時, Zig Bee傳感器節點輸出高電平, 經協調器傳輸給上位機, 上位機根據接收到的信息發出報警控制命令, 警鈴響起, 實現防盜功能。

圖9 紅外線熱釋傳感器數據采集圖  下載原圖

本文設計了一種基于RFID技術和Zig Bee技術的智能倉儲管理系統。RFID技術和Zig Bee技術的融合, 使數據讀取與傳輸效率都得到了很大提高, 系統資源也得到了充分利用。整個系統測試表明, 數據讀取功能和無線通信功能, 終端節點與協調器功能正常, Zig Bee網絡通信功能正常。系統能夠實現對倉儲的智能化管理。