基于ZigBee和RFID技術(shù)的倉(cāng)庫(kù)貨物定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李苗苗+楊偉東+楊澤青+郭志剛+張極

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)在倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中貨物存放混亂、查找困難等問(wèn)題，基于RFID技術(shù)和ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了由RFID無(wú)源標(biāo)簽、RFID讀寫器、智能節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成的倉(cāng)庫(kù)貨物定位系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述基于空間三點(diǎn)定位算法的RFID網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)；搭建基于ZigBee低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的低功耗、自組織數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；研究RFID數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)。經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)可精確實(shí)現(xiàn)貨物自動(dòng)定位，有利于促進(jìn)現(xiàn)代物流業(yè)向系統(tǒng)化、成本最小化、信息化、電子化方向發(fā)展，具有一定的理論研究意義和實(shí)際生產(chǎn)價(jià)值。

關(guān)鍵詞： RFID； ZigBee； 自動(dòng)定位； 自組織網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TN95?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0103?04

Design of warehouse cargo positioning system based on ZigBee and RFID technologies

LI Miaomiao， YANG Weidong， YANG Zeqing， GUO Zhigang， ZHANG Ji

（Hebei University of Technology， Tianjin 300000， China）

Abstract： Since the available warehouse management systems has the problems of the disordered cargo storage and difficult finding， a warehouse cargo positioning system based on RFID technology and ZigBee wireless communication network technology was designed， which is composed of the RFID passive tag， RFID reader?writer， intelligent node and gateway. The RFID network positioning system based on spatial three?point location algorithm is described emphatically. The low?power consumption and self?organizing data transmission network based on wireless network protocol ZigBee with low speed and short?distance transmission was constructed. The RFID data transmission and control technologies are studied. The verification results indicate that the system can locate the cargo accurately and automatically， and promote the logistics industry development towards systematization， cost minimization， informatization and electronization.

Keywords： RFID； ZigBee； automatic positioning； self?organizing network

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)物流業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展現(xiàn)代物流業(yè)，對(duì)于促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[1]。倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)作為現(xiàn)代物流運(yùn)作中一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響著物流業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)貨物存放、管理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在大批量、快速流動(dòng)和智能化盤點(diǎn)的市場(chǎng)需求。

本文將ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)結(jié)合起來(lái)，充分利用了ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)自組織、靈活和低成本的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]和RFID標(biāo)簽與讀寫器質(zhì)量輕、體積小、成本低和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)內(nèi)貨物的自動(dòng)精確定位。有助于倉(cāng)庫(kù)貨物的快速盤點(diǎn)和智能監(jiān)管，大大縮短了貨物查找、整理和出庫(kù)時(shí)間，節(jié)省了人力資源，提升了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該倉(cāng)庫(kù)貨物定位系統(tǒng)是將ZigBee技術(shù)與RFID技術(shù)相融合，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)搭建整個(gè)控制系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的定位，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由二部分組成：RFID讀寫器和RFID標(biāo)簽組成的射頻識(shí)別模塊和基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線信號(hào)通信模塊。RFID定位技術(shù)和ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。

系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：

（1） 對(duì)每個(gè)庫(kù)房進(jìn)行分區(qū)管理，把RFID讀寫器布置在每個(gè)區(qū)域的指定地點(diǎn)。

（2） 分別給貨物配置RFID無(wú)源標(biāo)簽，標(biāo)簽還可攜帶貨物的基本信息如：生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、產(chǎn)商和入庫(kù)時(shí)間等。

（3） 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電后進(jìn)行初始化，首先由協(xié)調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，分布在不同庫(kù)房的路由器形成覆蓋倉(cāng)庫(kù)全部范圍的無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

（4） RFID讀寫器讀取RFID無(wú)源標(biāo)簽的基本信息和位置信息，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)管中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的監(jiān)管和定位。

2 RFID射頻識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

2.1 RFID射頻識(shí)別模塊的硬件設(shè)計(jì)

RFID（Radio Frequency Identification）是一種智能非接觸自動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有非接觸、安全性高、傳輸速度快、支持多目標(biāo)識(shí)別的特點(diǎn)[3]。

RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：電子標(biāo)簽和讀寫器，如圖2所示。

在整個(gè) RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)中，電子標(biāo)簽和RFID 讀寫器模塊中的主讀寫模塊和從讀寫模塊的電路中都由主控射頻芯片、時(shí)鐘模塊、無(wú)線收發(fā)射頻天線、電源模塊和外圍阻抗匹配電路等組成，主讀寫模塊和從讀寫模塊電路結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于，主讀寫器模塊要通過(guò)其串口模塊與ZigBee線通信網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee路由器進(jìn)行信息通信，而從讀寫模塊主要負(fù)責(zé)通過(guò)射頻天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]。主讀寫模塊和從讀寫模塊是通過(guò)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。射頻天線是電子標(biāo)簽與 RFID 讀寫器之間數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌l(fā)送和接收裝置。

綜合考慮系統(tǒng)的通信速率、射頻芯片的通信方式、數(shù)據(jù)處理能力，兼容性和擴(kuò)展性等要求，同時(shí)結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有射頻芯片的功能、成本造價(jià)和應(yīng)用范圍，選取了nRF24LE1作為主控射頻芯片。同時(shí)采用了Nordic最新的無(wú)線和超低功耗技術(shù)，在一個(gè)極小封裝中集成了包括2.4 GHz無(wú)線傳輸，增強(qiáng)型51 FLASH高速單片機(jī)，豐富的外設(shè)及接口等；外接電源接口通過(guò)USB?TTL模塊來(lái)給RFID讀寫器底板供電；串口接口用型號(hào)為HL?340的USB轉(zhuǎn)串口連接線；RFID射頻模塊中的電源轉(zhuǎn)換芯片選擇MAX3232；射頻天線選擇的是收發(fā)頻率為2.4 GHz的無(wú)線收發(fā)天線。

2.2 RFID定位技術(shù)

本文中所采用的RFID定位技術(shù)是基于測(cè)距的定位，通過(guò)測(cè)量待定位RFID標(biāo)簽到已知位置坐標(biāo)的RFID讀寫器之間的距離來(lái)計(jì)算目標(biāo)位置。

測(cè)量RFID標(biāo)簽到RFID讀寫器的距離，一般可以依據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）、信號(hào)到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）和接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strengh Indication，RSSI）等信息來(lái)進(jìn)行判斷[5?6]。利用信號(hào)強(qiáng)度法來(lái)測(cè)距不需要添加額外的硬件，并且信號(hào)強(qiáng)度的采集和計(jì)算都相對(duì)簡(jiǎn)單，故考慮成本和數(shù)據(jù)處理等因素，本貨物定位系統(tǒng)選用基于RSSI的定位算法。

為節(jié)約空間，倉(cāng)庫(kù)貨物存儲(chǔ)時(shí)一般把貨物置于貨架上，故對(duì)于貨物的定位為三維立體空間定位。如圖3所示每個(gè)庫(kù)房都以房間的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，計(jì)算出庫(kù)房?jī)?nèi)分布的RFID讀寫器的坐標(biāo)，以及每個(gè)貨位的坐標(biāo)；當(dāng)帶有RFID標(biāo)簽的貨物進(jìn)入系統(tǒng)后，RFID讀寫器利用接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)估計(jì)貨物與自己距離，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比選取離貨物最近的3個(gè)RFID讀寫器作為參考節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算貨物位置，如圖4所示。

假設(shè)三個(gè)RFID讀寫器的位置坐標(biāo)分為：

A（），B（），C（）；待測(cè)貨物的坐標(biāo)為D（）；參考節(jié)點(diǎn) A，B，C到定位節(jié)點(diǎn)D的距離分別為，，；則有：

（1）

通過(guò)對(duì)式（1）進(jìn)行求解就可以得到貨物D的坐標(biāo)，然后查找坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的貨位編號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在三維立體空間對(duì)貨物的定位[7]。

3 ZigBee無(wú)線通信模塊

3.1 ZigBee無(wú)線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能，具有低功耗、低成本、安全、工作頻段靈活等優(yōu)點(diǎn)[8]。

本文中ZigBee的協(xié)調(diào)器或路由器采用相同的硬件設(shè)計(jì)，其硬件模塊由CC2530通信模塊、天線和外圍阻抗匹配電路、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、USB通信接口、DEBUG 測(cè)試接口和時(shí)鐘復(fù)位模塊等組成。ZigBee 模塊電路板實(shí)物圖，如圖5所示。采用美國(guó)TI/Chipon公司的ZigBee產(chǎn)品CC2530無(wú)線射頻芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，它的的工作頻率為 2.400～2.485 GHz，傳輸?shù)目梢暰嚯x在外接 9 dBi天線時(shí)為1 600 m，在板載內(nèi)置PCB天線的情況下為600 m，具有高抗干擾能力和低誤碼率，能很好地匹配濾波抑制諧波且能將雜散降到最低。系統(tǒng)可采用外接電源或USB 接口兩種方式供電。由于PC使用的是RS 232接口標(biāo)準(zhǔn)，故串口模塊設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是RS 232標(biāo)準(zhǔn)通信方法，傳輸速率為9 600 b/s，選用MAX3232實(shí)現(xiàn)CC2530與RS 232之間的LVTTL電平和RS 232電平的轉(zhuǎn)換。電路板的編程接口設(shè)計(jì)為DEBUG接口，DEBUG接口可通過(guò)JTAG線連接CC Debugger仿真器便于對(duì)CC2530芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)在線仿真和調(diào)試。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）和全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD），在同一物理信道的個(gè)人工作范圍的通信范圍內(nèi)，兩個(gè)或者兩個(gè)以上的設(shè)備可構(gòu)成一個(gè)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)通信技術(shù)（Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN）。ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了星形拓?fù)?、?shù)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)淙N網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问絒9]，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)成本、運(yùn)行速度和功能實(shí)現(xiàn)等。

綜合倉(cāng)庫(kù)定位系統(tǒng)的需要采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)調(diào)器為整個(gè)定位系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)，ZigBee路由器作為全功能設(shè)備，RFID讀寫器為精簡(jiǎn)設(shè)備僅具有網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸功能。ZigBee協(xié)調(diào)器是通信系統(tǒng)中最核心和最重要的設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備，一個(gè) ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中只能設(shè)置惟一的一個(gè) ZigBee協(xié)調(diào)器，它是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立者和管理者、信息存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)指令的發(fā)送設(shè)備以及路由選擇模塊[10]。ZigBee協(xié)調(diào)器必須隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，所以要一直保持正常的工作狀態(tài)，否則可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的崩潰。協(xié)調(diào)器通過(guò)RS 232串口線與上位機(jī)（PC）通信。

ZigBee路由器是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^設(shè)備，功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并協(xié)助其子設(shè)備的通信，其數(shù)量隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的加大而增多，ZigBee路由器具有終端設(shè)備的所有功能，同時(shí)具有終端設(shè)備所沒(méi)有的路由功能和數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)功能，是終端節(jié)點(diǎn)的父設(shè)備。所以系統(tǒng)中可以省去終端設(shè)備，轉(zhuǎn)而用路由器來(lái)代替。路由器通過(guò) RFID?ZigBee串口互聯(lián)線與 RFID 射頻模塊相連接。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 上位機(jī)查詢系統(tǒng)

ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采集來(lái)的信息經(jīng)處理后會(huì)自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)查詢系統(tǒng)可以對(duì)貨物位置進(jìn)行查詢，同時(shí)可查詢貨物基本信息。上位機(jī)軟件管理平臺(tái)采用LabVIEW編程，通過(guò)LabVIEW 軟件中的 SQL Toolkit工具包來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

LabVIEW SQL Toolkit 支持所有ADO所支持的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，與SQL兼容，與ODBC或OLE DB數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序兼容。在任何情況下，用戶通過(guò)改變DB Tools Open Connection VI 的輸入?yún)?shù)Connection String就可以更換數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中Column Values的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的LabVIEW Database Connectivity Toolset的數(shù)據(jù)類型。上位機(jī)查詢系統(tǒng)如圖7所示，可通過(guò)入庫(kù)時(shí)間、貨物編號(hào)、貨物名稱對(duì)貨物進(jìn)行查詢，也可以通過(guò)入庫(kù)時(shí)間范圍對(duì)貨物進(jìn)行模糊查詢。貨物的位置編號(hào)如下：1?P?418，最前面的數(shù)字為庫(kù)房編號(hào)，中間為庫(kù)房?jī)?nèi)區(qū)域編號(hào)，最后的數(shù)字為貨架貨位編號(hào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了基于ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)的貨物定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)統(tǒng)統(tǒng)中RFID射頻識(shí)別模塊和ZigBee無(wú)線通信模塊兩大重要組成部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織和貨物的自動(dòng)定位。有效地解決了倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中不適合有線部署、故障率高的問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了對(duì)于貨物的自動(dòng)定位，并可精確到相應(yīng)的貨位號(hào)。同時(shí)可移植性強(qiáng)，投資成本低、組網(wǎng)快，能夠根據(jù)倉(cāng)庫(kù)的具體規(guī)模進(jìn)行靈活部署，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)現(xiàn)代新型倉(cāng)庫(kù)管理體系的開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義。

注：本文通訊作者為楊偉東。

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