基于融合ZigBee與RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)倉儲管理系統(tǒng)設(shè)計

文/陳 遙 吳曉波 周 文

軍隊倉庫作為軍隊后勤保障的重要環(huán)節(jié)，擔負著我軍物資收發(fā)、儲存、保管、維護等一系列任務(wù)，在軍隊后勤現(xiàn)代化、信息化建設(shè)中有著重要的地位。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和世界新軍事變革的不斷推進，未來信息化條件下作戰(zhàn)物資需求呈現(xiàn)出一系列新的特點：物資消耗量劇增、物資的技術(shù)含量增大、物資的消耗與補充的時效性增強等。傳統(tǒng)的倉儲管理，一般依賴于一個非自動化的、以紙張文件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，完全由人工實施倉儲內(nèi)部的管理，因此倉儲管理的效率極其低下。對此，設(shè)計基于融合ZigBee和RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠增強庫房作業(yè)的準確性和快捷性，減少整個戰(zhàn)備物資出入庫中由于管理不到位造成的非法出入庫、誤置、偷竊和庫存、出貨錯誤等損失，并最大限度地減少儲存成本、保障戰(zhàn)備物資的安全，提高物資保障效率，滿足信息化條件下各級部隊對物資的保障需求，從而改善和提高我軍后勤保障能力。

1.ZigBee和RFID的融合

1.1 ZigBee和RFID簡介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE批準的802.15.4無線標準[1]研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。ZigBee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標準，它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4協(xié)議標準，但在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展，其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由ZigBee聯(lián)盟進行制定[2]。ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢在于低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短和安全等，可廣泛應(yīng)用于倉儲物流、樓宇自動化、工業(yè)控制、家居自動化等。而這恰好符合后方倉庫內(nèi)應(yīng)用復雜、要求設(shè)備成本低、電池供電、地形復雜、監(jiān)測點多、需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋等特點。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)[3]，通過先進的技術(shù)手段，可以實現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備在不同狀態(tài)下的自動識別和管理。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟使得射頻識別系統(tǒng)的體積縮小、成本下降，射頻識別技術(shù)進入實用化的階段，成為一種成熟的自動識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)的優(yōu)點：①非接觸閱讀：RFID標簽可以透過非金屬材料閱讀，而且不需要與標簽直接接觸，對使用環(huán)境要求不高。② 數(shù)據(jù)存儲容量大：RFID標簽的數(shù)據(jù)存儲容量大，標簽數(shù)據(jù)可更新，適合于需要儲存大量數(shù)據(jù)，并且經(jīng)常更新數(shù)據(jù)的應(yīng)用。③讀寫的速度快：RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。④體積小，易封裝：射頻電子標簽能隱藏在大多數(shù)材料或產(chǎn)品內(nèi)，它的超薄和多種大小不一的外形，使之能封裝在產(chǎn)品上，使用非常方便。⑤無磨損，使用壽命長。然而RFID讀卡器須采用RS232/485有線連接方式通信，給系統(tǒng)架設(shè)和維護都帶來了極大的不便。

1.2 ZigBee和RFID融合

ZigBee和RFID的融合就是將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于RFID。設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的RFID有源標簽，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得支持ZigBee的RFID閱讀器和節(jié)點設(shè)備自動形成自組織、自恢復的無線網(wǎng)絡(luò)。由于使用了自動組網(wǎng)技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建免除了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的繁瑣配置過程。任何新加入網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點設(shè)備只要處于無線網(wǎng)絡(luò)通訊范圍內(nèi)，即可自動加入已有網(wǎng)絡(luò)，并自動形成信息路由路徑，將信息傳到有效接收者。并且，可組建成一個高冗余的網(wǎng)絡(luò)，從而保證網(wǎng)絡(luò)強大的出錯自恢復的能力。將ZigBee與RFID技術(shù)結(jié)合可相互彌補對方的缺陷，ZigBee與RFID技術(shù)結(jié)合后，可進一步確保數(shù)據(jù)的完整性，彌補RFID高成本以及需依靠讀寫器方能搜集數(shù)據(jù)的缺點；融合ZigBee和RFID技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)繼承了RFID簡單、快捷、自動識別目標的特性，又融入了ZigBee主動感知與無線組網(wǎng)的功能。系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r獲取倉儲流程中產(chǎn)品的品質(zhì)、標識和位置等信息，而且還能夠顯著提高倉儲管理過程的智能性和準確性。

2.物聯(lián)網(wǎng)倉儲管理系統(tǒng)的設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為21世紀的一項全新技術(shù)，已成為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信之后人們所關(guān)注的科技發(fā)展熱點之一，它涉及眾多研究和應(yīng)用領(lǐng)域，是解決我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展問題的一項重要戰(zhàn)略措施。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和世界新軍事變革的不斷推進，我軍的發(fā)展也需要不斷地注入新的技術(shù)、新的思想，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軍事后勤的應(yīng)用已越來越廣泛，在加快后勤可視化建設(shè)、提高軍隊后勤保障效率和保障能力、提高指揮決策水平等方面都能發(fā)揮極其重要的作用，將成為我軍后勤信息化發(fā)展的新趨勢[4]。

2.1 系統(tǒng)需求分析

倉儲管理是指圍繞倉儲物資的接收、保管、發(fā)出等流轉(zhuǎn)程序所進行的計劃、組織、監(jiān)督、控制的一系列活動過程[5]。就它的內(nèi)容來看，主要包括[6]：物資入庫業(yè)務(wù)（包括接運業(yè)務(wù)、驗收業(yè)務(wù)、物資入庫），物資保管業(yè)務(wù)（包括物資堆垛作業(yè)、保養(yǎng)維修、檢查盤點），出庫業(yè)務(wù)（包括物資出庫、發(fā)運）等。倉儲物資管理的業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)原理介紹

圖1 倉儲物資管理業(yè)務(wù)流程圖

本文采用ZigBee與RFID技術(shù)相融合的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在RFID系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來實現(xiàn)讀寫器與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，采用ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線雙向傳輸，且安裝時不需布線，增加了射頻識別系統(tǒng)的靈活性。在RFID讀寫器中嵌入ZigBee模塊，從而使多臺RFID讀寫器無線聯(lián)接自動組網(wǎng)或者與其它儀器、設(shè)備及不同協(xié)議讀寫器之間聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點無線采集和傳輸?shù)哪康?，最終形成一個基于ZigBee技術(shù)的多點自動識別、智能無線組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的RFID讀寫器可控制射頻模塊向電子標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應(yīng)答信號，同時可對電子標簽的對象標識信息進行解碼，從而將對象標識信息連帶電子標簽上的其它相關(guān)信息傳輸?shù)缴衔粰C以供處理。系統(tǒng)主要由標簽、RFID讀寫器、ZigBee無線傳輸終端節(jié)點、ZigBee無線傳輸主節(jié)點和上位機組成。系統(tǒng)方案原理如圖2所示。

射頻部分由微處理器和射頻芯片實現(xiàn)讀寫器的基本功能。讀寫器與射頻卡通過射頻脈沖來建立無線連接并完成數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的工作方式具體說來，微處理器通過串行口接收控制指令，控制射頻芯片與射頻卡進行通信，完成對射頻卡的讀寫和整個讀寫器的控制管理；射頻芯片負責無線信號的編碼和解碼、調(diào)制和解調(diào)；讀寫器和射頻卡之間通過外圍電路進行聯(lián)系；射頻卡是系統(tǒng)的應(yīng)用終端，裝載著物體的數(shù)據(jù)信息。在芯片選擇上，微處理器選擇STC89C52RC，射頻芯片選擇MF RC500芯片。ZigBee無線傳輸節(jié)點模塊由微處理器模塊、ZigBee無線傳輸模塊、串口模塊、JTAG調(diào)試模塊以及電源管理模塊構(gòu)成。微處理器模塊主要功能是存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及控制流程等；ZigBee無線模塊主要功能是以射頻脈沖發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；JTAG調(diào)試模塊主要是程序下載和仿真調(diào)試功能；串口模塊是用于進行計算機和讀寫器的通信；電源模塊給節(jié)點的各個部分提供電能。在關(guān)鍵芯片的選擇上，微處理器選擇MSP430FG4618，無線傳輸芯片選擇CC2420芯片。

當攜帶嵌入ZigBee模塊電子標簽的車輛、戰(zhàn)備物資通過倉庫設(shè)定的射頻感應(yīng)區(qū)域時，系統(tǒng)通過ZigBee電子標簽實現(xiàn)自動化的存貨、取貨及倉庫中的快速盤點、物資監(jiān)控等操作。通過科學的編碼，還可方便地對物品的批次、產(chǎn)地等進行動態(tài)的管理。利用系統(tǒng)的庫位管理功能，更可以及時掌握所有庫存戰(zhàn)備物資當前所在位置，有利于保障戰(zhàn)備物資的安全及提高倉儲管理的工作效率。

3.結(jié)束語

本文充分利用ZigBee技術(shù)的自動組網(wǎng)、無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全保密性高等特點以及RFID技術(shù)自身識別速度快、精度高、存儲信息容量大等方面的性能優(yōu)勢，將ZigBee和RFID技術(shù)相融合的優(yōu)勢和創(chuàng)新性應(yīng)用于部隊倉儲物資管理，實現(xiàn)倉庫的物資信息數(shù)字化、物資識別自動化、物資管理智能化，滿足部隊對軍事后勤物資精確化管理的要求，為作戰(zhàn)指揮提供快速、準確的后勤裝備物資信息。本課題所設(shè)計的這個物聯(lián)網(wǎng)倉儲管理系統(tǒng)，雖不能替代現(xiàn)有的基于人員手工的倉儲管理方式，但利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，無疑能在一定程度上探索適合我軍后勤保障實際的發(fā)展模式，為全面實現(xiàn)真正意義上的“物聯(lián)網(wǎng)后勤”作了一些嘗試和鋪墊。

圖2 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

[1]封瑜，葛萬成.基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與應(yīng)用[J].電子工程師，2007，(3)：21—23.

[2]皮桂英，張維波，王春霞.淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].儀表技術(shù)，2010(7).

[3]游戰(zhàn)清，李蘇劍等，無線射頻識別（RFID）技術(shù)理論與運用，機械工業(yè)出版社，2004.08

[4]陳遙，吳曉波，周文.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用初探[J].倉儲管理與技術(shù)，2011(6).

[5]中國人民解放軍總后勤部司令部戰(zhàn)計處等，倉庫管理手冊，天津科技翻譯出版公司，1990.05

[6]王豐，張劍芳.軍事倉儲管理，中國物資出版社，2005.11