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，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，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?？紤]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)絡原理及結構
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。
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RFID系統(tǒng)在第三方物流智能倉儲中的應用" src="http://data.51spec.com:88/51spec/202011/04/023140391.jpg"/>
基于ZigBee自組網(wǎng)技術的RFID系統(tǒng)，采用MESH網(wǎng)絡結構，由一個主控節(jié)點和若干個子節(jié)點構成(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)器構成;子節(jié)點由讀卡器通過串口與路由器構成。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)?a title="中國RFID系統(tǒng)網(wǎng)" href="http://www.lqeedmx.cn/product/list.php?catid=1603" target="_blank">RFID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技術的不斷發(fā)展，在不久的將來都會得到解決。
