基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化倉庫設(shè)計

汪鴻鵬， 陸 陽， 程運安， 倪 璞

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工大高科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

目前，在倉儲管理中，貨品的信息采集主要采用的是條碼技術(shù)，但條碼技術(shù)具有與生俱來的缺點，即記錄的信息無法更改，存儲容量相對比較小。條碼掃描儀必須看到條碼才能對其進(jìn)行讀取，而且條碼容易破損、污濁或丟失，這些極易導(dǎo)致條碼掃描儀無法讀取條碼的現(xiàn)象。隨著企業(yè)信息化程度的不斷提高，傳統(tǒng)的條碼技術(shù)越來越不能滿足其需要［1－4］。射頻識別技術(shù) RFID（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。本文以貨架為基本監(jiān)控單元，對每件貨品嵌入唯一的RFID標(biāo)簽，在對每個貨架進(jìn)行自動化的數(shù)據(jù)采集后再通過Zigbee無線自組織網(wǎng)絡(luò)［5－7］反映給倉庫信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。本文重點介紹了數(shù)字化倉庫的詳細(xì)設(shè)計并對其中無線路由算法進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)由硬件設(shè)備及倉庫信息管理系統(tǒng)2個方面組成，主要思想即在倉庫管理信息系統(tǒng)中實現(xiàn)貨品、RFID標(biāo)簽和貨位相結(jié)合，以及基于Zigbee組網(wǎng)技術(shù)對貨架信息實現(xiàn)無線實時監(jiān)控。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

基于RFID技術(shù)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化倉庫按功能不同可劃分為4個層次，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化倉庫的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）第1層為數(shù)據(jù)采集層，在入庫時對每件貨物都貼上唯一的RFID電子標(biāo)簽，再通過遍歷每個貨位的移動識讀節(jié)點對該貨架上的每個貨位進(jìn)行掃描來獲取整個貨架上的貨物信息，并進(jìn)行信息的初步整理，如信息編碼和整合。

（2）第2層為網(wǎng)絡(luò)通信層，位于每個貨架的移動識讀節(jié)點上的Zigbee節(jié)點，它們通過自組織的形式形成自組織網(wǎng)路，并將經(jīng)過初步處理的貨架貨物信息發(fā)送至位于服務(wù)器端的匯聚節(jié)點。

（3）第3層為系統(tǒng)應(yīng)用層，主要由貨物信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和倉庫管理信息系統(tǒng)組成。貨物信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器對通過Zigbee無線網(wǎng)路傳送過來的貨位及貨物信息進(jìn)行儲存和更新，并提供接口給倉庫管理信息系統(tǒng)，讓其能完成監(jiān)控管理的功能。

（4）第4層為功能擴(kuò)展層，可通過Internet讓上游供貨商或下游零售商了解倉庫貨物信息，也可以讓企業(yè)管理層了解倉庫的運行狀況和庫存信息等，為企業(yè)決策提供參考。

1.2 硬件組成

（1）基礎(chǔ)倉庫設(shè)施，包含庫房、貨架等。

（2）在貨架上每個貨位間往復(fù)運動的移動節(jié)點，可通過不斷地讀取貨位上貨品的RFID標(biāo)簽來實現(xiàn)對貨架信息的實時監(jiān)控，并通過其中的Zigbee無線通信接口將相關(guān)信息發(fā)送給服務(wù)器。

（3）RFID識讀器及數(shù)字標(biāo)簽，其中RFID識讀器包括用于收貨取貨的便攜式電子標(biāo)簽識讀器和貨架上移動節(jié)點中的識讀器。貨架上沒有安裝移動節(jié)點時，可以采用便攜式電子標(biāo)簽識讀器，通過人工或定時讀出貨架上的貨品信息［8］。

（4）倉庫信息服務(wù)器。倉庫信息服務(wù)器通過Zigbee無線自組織網(wǎng)絡(luò)更新庫區(qū)所有貨架上的貨品信息，或者通過便攜式電子標(biāo)簽識讀器人工采集貨品信息后無線導(dǎo)入倉庫信息服務(wù)器，以刷新其數(shù)據(jù)庫。倉庫信息數(shù)據(jù)中的貨品信息提供給倉庫信息管理系統(tǒng)進(jìn)行處理，同時通過企業(yè)局域網(wǎng)或者物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)向企業(yè)管理人員或者授權(quán)的外部機(jī)構(gòu)提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)。

（5）主控計算機(jī)。用于運行倉庫信息管理系統(tǒng)，通過訪問倉庫信息服務(wù)器數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對倉庫貨品信息的數(shù)字化管理［9］。

1.3 倉庫信息管理系統(tǒng)設(shè)計

本文采用一種基于Eclipse平臺開發(fā)的倉庫信息管理系統(tǒng)［10－12］。該系統(tǒng)中所有功能模塊都需要與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，主界面采用Java語言編程，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000，結(jié)構(gòu)采用C／S模式，倉庫信息管理系統(tǒng)在功能上完成了入庫管理、出庫管理、貨位管理、數(shù)據(jù)庫及報表等基本功能。

1.4 移動識讀節(jié)點設(shè)計

無線移動識讀節(jié)點由1個讀取數(shù)字標(biāo)簽信息的RFID識讀器、1個用于發(fā)送和接收信息的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信接口、1個能在貨架上做往返運動的機(jī)械移動載體組成，這3個部分通過一個微處理器相互連接并協(xié)調(diào)工作，如圖2所示。

微處理器定期控制移動載體在貨架的貨位間做一次往復(fù)運動，與此同時RFID識讀器也能讀取到貨架上所有貨品的數(shù)字標(biāo)簽，這些數(shù)字標(biāo)簽信息被存儲在微處理器內(nèi)，一次往復(fù)運動結(jié)束后，這些整合過的標(biāo)簽信息由無線移動識讀節(jié)點中的Zigbee接口通過自組織網(wǎng)絡(luò)傳送到位于倉庫信息服務(wù)器端的Sink節(jié)點［13］。當(dāng)下一次往復(fù)運動開始時，微處理器內(nèi)的標(biāo)簽信息被清空，并在結(jié)束時得到更新，這樣服務(wù)器內(nèi)貨品的數(shù)據(jù)庫也能得到及時更新，從而實現(xiàn)對倉庫貨品信息的實時監(jiān)控。

圖2 移動識讀節(jié)點

1.5 Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

上述無線移動識讀節(jié)點與服務(wù)器端的Sink節(jié)點依靠動態(tài)形成的自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，如圖3所示。

圖3 自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在圖3所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，無線移動識讀節(jié)點間通過自組織實現(xiàn)相互的通信，在應(yīng)用過程中每個節(jié)點可通過這種自組織網(wǎng)絡(luò)把貨架和貨品的信息傳送給與服務(wù)器相連接的Sink節(jié)點，從而刷新服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫，而倉庫信息管理系統(tǒng)通過訪問數(shù)據(jù)庫來監(jiān)視貨架及其存放的貨品，同時服務(wù)器也可以通過企業(yè)局域網(wǎng)或者Internet提供查詢服務(wù)，把倉庫里的貨品情況和貨位信息反映給企業(yè)業(yè)務(wù)相關(guān)人員或者授權(quán)的外部機(jī)構(gòu)。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點如下：

（1）Zigbee無線設(shè)備的成本低廉，大批量推廣使用沒有太多成本上的制約［14］。

（2）這樣的數(shù)字貨架之間通過無線傳輸數(shù)據(jù)，避免了貨架之間的電纜連線，對于貨架的安放位置具有極大的靈活性，便于倉庫的規(guī)劃。

（3）數(shù)字貨架可以在出廠前加工安裝好，出廠后基本不需要后期安裝，直接擺放在庫房里即可正常工作，不受倉庫布局的影響，在庫房進(jìn)行布局調(diào)整或搬遷時也同樣方便，即使是對已有貨架進(jìn)行改造也不存在技術(shù)和工程上的難度。

2 路由算法設(shè)計

基于以上數(shù)字化倉庫的設(shè)計，其在網(wǎng)絡(luò)上有著很鮮明的特點：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定不變；依附于貨架的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點排列整齊有規(guī)律；在工作方式方面有周期性的特點?；谶@些特點本文選擇了多簇結(jié)構(gòu)的層次型路由LEACH算法為本文算法的基礎(chǔ)［15］。

2.1 LEACH路由算法

LEACH是第1個基于多簇結(jié)構(gòu)的層次型路由算法，其簇結(jié)構(gòu)的思想在其他很多算法中都被借鑒，如TEEN算法等。在LEACH算法中，各節(jié)點根據(jù)簇頭概率p自主決定是否在此輪充當(dāng)簇頭節(jié)點，一旦決定成為簇頭節(jié)點便會廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)，由于成為簇頭節(jié)點完全是自主的和隨機(jī)的，所以在此之前不需要和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點進(jìn)行通訊協(xié)調(diào)，基于這些因素，LEACH算法有節(jié)約能量、實現(xiàn)簡單、可擴(kuò)展性好等特點。

LEACH算法有周期性的特性，每個周期叫做一“輪”（round），其中每一輪又分為簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段2個階段，在簇的建立階段，某些節(jié)點通過選舉成為簇頭節(jié)點，成為簇頭的節(jié)點向周圍擴(kuò)散廣播信息，其他節(jié)點收到這些簇頭的廣播信號后，根據(jù)其廣播信息的強(qiáng)度選擇自己所要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇頭節(jié)點。

在數(shù)據(jù)傳輸階段，每個簇內(nèi)的所有節(jié)點將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點在收到這些數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并發(fā)送給Sink節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸完成后，節(jié)點進(jìn)入新的一輪融合，不斷循環(huán)，所以簇頭的工作任務(wù)比較繁重，需要完成包括廣播信息、數(shù)據(jù)融合及與Sink節(jié)點通信等任務(wù)，能量消耗很大。

LEACH算法具有很多優(yōu)點，如分層的簇型結(jié)構(gòu)、簇頭節(jié)點的動態(tài)分配和數(shù)據(jù)聯(lián)合處理等，其中數(shù)據(jù)聯(lián)合處理功能在數(shù)字化倉庫中顯得尤為突出，貨架上的貨物信息往往都有高度的相關(guān)性，由于數(shù)據(jù)融合力度很大，冗余數(shù)據(jù)被大量消除，減小了網(wǎng)絡(luò)的壓力，也減少了不必要的能量消耗。

但是，LEACH算法也有自身的局限性，首先由于簇頭的隨機(jī)產(chǎn)生性，網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點很可能由于能量耗盡而過早“死亡”，其次在簇頭與Sink節(jié)點間的通信中LEACH算法采用的是單跳模式，在數(shù)字化倉庫這樣節(jié)點眾多、地理分布范圍大的環(huán)境下通信成本大大上升，而且可靠性也得不到保證。

2.2 改進(jìn)的LEACH路由算法

基于LEACH算法的優(yōu)缺點，結(jié)合數(shù)字化倉庫的實際工作模式，本文從平衡量消耗和延長網(wǎng)絡(luò)存活時間2個方面對LEACH路由算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于LEACH區(qū)域簇頭選擇和簇頭間多跳傳輸?shù)穆酚伤惴?，稱為ILEACH算法。

ILEACH算法下的簇頭產(chǎn)生的流程，如圖4所示。

圖4 簇頭形成過程

和LEACH算法一樣，ILEACH算法也按輪發(fā)送數(shù)據(jù)，在每輪中也分為簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸2個階段。不同的是，在ILEACH的簇建立階段，每個節(jié)點都能根據(jù)自己的能量情況生成一個定時器，其中定時時間和剩余能量以及該節(jié)點做簇頭的次數(shù)成反比，定時時間的節(jié)點會產(chǎn)生一個0～1的隨機(jī)數(shù)，能量剩余越多的節(jié)點產(chǎn)生較小隨機(jī)數(shù)的概率越大，當(dāng)該值小于閥值I的節(jié)點將會自動成為簇頭節(jié)點并向外廣播簇頭信息，隨機(jī)數(shù)大于I的節(jié)點將會重新生成隨機(jī)數(shù)，根據(jù)新產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)直接將自己確定為簇頭節(jié)點或者普通節(jié)點。

當(dāng)所有簇頭節(jié)點確定后，和LEACH算法一樣根據(jù)收到的簇頭信息確定入哪個簇，如果節(jié)點在定時時間結(jié)束之前收到簇頭信息就選擇簇頭發(fā)送入簇并取消計時。簇頭節(jié)點收到入簇請求后，為每個簇內(nèi)節(jié)點分配TDMA時間表，簇內(nèi)所有節(jié)點均按照TDMA時間表的節(jié)點順序分時向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)傳輸階段，雖然ILEACH算法和LEACH算法在簇頭節(jié)點和普通節(jié)點間的通信均采用的是單跳模式，但在簇頭與Sink節(jié)點間的通信ILEACH算法不同于LEACH算法的單跳路由方式，而采用簇頭間的多跳路由方式，其目的是在數(shù)字化倉庫這種節(jié)點眾多的應(yīng)用環(huán)境中更節(jié)能。

2.3 ILEACH算法的仿真

為了客觀地評論ILEACH路由算法，在NS－2的環(huán)境下對ILEACH算法和LEACH算法分別進(jìn)行仿真。本文以一個典型的數(shù)字化倉庫系統(tǒng)為背景，該倉庫由10×10的矩陣形貨架組成，倉庫進(jìn)出口位于其一側(cè)中點，其Zigbee網(wǎng)絡(luò)由100個節(jié)點和1個位于一側(cè)的Sink節(jié)點組成，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)Sink節(jié)點能感知所有區(qū)域，節(jié)點初始能量為2J，數(shù)據(jù)包的大小為500byte，元數(shù)據(jù)大小為25byte。

下面比較LEACH路由算法和ILEACH路由算法的性能。

（1）能耗分析。通過把節(jié)點數(shù)量從20增加到100（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上距離Sink節(jié)點從近到遠(yuǎn)增加）后，2種路由算法下能耗隨節(jié)點數(shù)目變化而變化的仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 2種算法能耗的對比

從圖6可以看出，隨著節(jié)點數(shù)目的增多，LEACH和ILEACH 2種路由算法在能耗上均有一定的增加，但I(xiàn)LEACH路由算法的增加速度一直低于LEACH，尤其是節(jié)點數(shù)目高于60個時。但在節(jié)點數(shù)目較少的情況下，2種路由算法平均能量消耗差距不大，所以ILEACH算法更適合數(shù)字化倉庫這種節(jié)點個數(shù)多的應(yīng)用情況。

（2）存活節(jié)點個數(shù)。LEACH算法和ILEACH算法網(wǎng)絡(luò)生存周期的仿真結(jié)果，如圖7所示。從中可以看出，一開始由于每個節(jié)點都處于滿能量的狀態(tài)，所有節(jié)點數(shù)目保持100不變，若干輪后，開始有節(jié)點因能量耗盡而“死亡”，導(dǎo)致節(jié)點個數(shù)變少，ILEACH中于第393輪才開始出現(xiàn)“死亡”節(jié)點，要晚于LEACH算法，而且在開始有“死亡”節(jié)點產(chǎn)生后，ILEACH節(jié)點死亡的速度也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LEACH算法。

圖7 2種算法網(wǎng)絡(luò)存活時間的對比

綜上所述，ILEACH路由算法更節(jié)約能量，同時也在一定程度上避免了能量消耗不均，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。首先，對簇頭的選擇機(jī)制的改進(jìn)更加有利于平衡節(jié)點的剩余能量，從而有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。其次，采用簇內(nèi)節(jié)點間單跳模式、簇頭節(jié)點間多跳模式的混合模式，更有利于平衡和Sink節(jié)點間不同距離的簇頭節(jié)點的能量消耗?？傊琁LEACH算法對LEACH算法的2個改進(jìn)之處，明顯延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

3 系統(tǒng)工作流程

3.1 入庫及出庫工作流程

（1）入庫工作流程，如圖8所示。入庫作業(yè)主要工作步驟如下：① 檢查貨品是否具有唯一標(biāo)識的RFID數(shù)字標(biāo)簽，核對貨品清單；② 查看倉庫中貨品是否足夠存放所有貨品；③ 為貨品分配貨位；④ 送貨員通過管理員所給出的貨位將貨品送到指定貨位；⑤ 管理員可以通過訪問刷新過的數(shù)據(jù)庫核對入庫信息；⑥ 完成入庫過程。

（2）出庫工作流程，如圖9所示。出庫主要工作步驟如下：① 核對出貨清單；② 自動／手動選擇出庫貨品；③ 為出庫員提供出貨貨品位置；④ 出貨員取出相關(guān)貨品，通過RFID識讀器讀出貨品信息，并與出貨單核對；⑤ 完成出庫。

圖8 入庫工作流程

圖9 出庫工作流程

3.2 庫存管理流程

庫存管理包括庫存盤點和庫存貨位調(diào)整，工作流程分別如下：

（1）庫存盤點。倉庫管理員通過對數(shù)據(jù)庫內(nèi)最新數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問得到所有貨品信息數(shù)量種類，再進(jìn)行全面盤點。

（2）庫內(nèi)貨位調(diào)整。倉庫管理員選擇貨品地址調(diào)整單據(jù)進(jìn)行庫內(nèi)貨位調(diào)整作業(yè)，此作業(yè)不對庫存貨品進(jìn)行增減。首先倉庫管理員在倉庫信息管理系統(tǒng)中輸入貨位調(diào)整指令，貨位調(diào)整人員對實際貨品的貨位調(diào)整后再通過訪問數(shù)據(jù)庫來核對貨位調(diào)整作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文將RFID技術(shù)應(yīng)用于倉庫數(shù)據(jù)采集中，并在其后的數(shù)據(jù)傳輸中使用Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)；針對數(shù)字化倉庫的應(yīng)用環(huán)境對LEACH路由算法進(jìn)行改進(jìn)，借助于先進(jìn)的信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了倉庫的數(shù)字化管理，將企業(yè)從繁瑣的傳統(tǒng)倉庫管理中解放出來，在一定程度上克服了傳統(tǒng)倉庫管理的不足，有效降低了成本，為客戶創(chuàng)造了價值。

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