物聯(lián)網(wǎng)倉儲實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)＊

羅　劍

(浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字信息技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0　引言

倉儲環(huán)境監(jiān)測是面向物流園區(qū)、倉庫等各類物品存放現(xiàn)場，通過收集敏感數(shù)據(jù)輔助管理人員全面把握庫存質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，消除安全隱患的作業(yè)過程，是物流供應(yīng)鏈中非常重要的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)企業(yè)倉儲現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測主要采取人工巡檢的方式開展[2]，既安排專人每隔一定時間巡檢一次并做記錄。這種操作方法勞動強(qiáng)度很大，不僅費(fèi)時費(fèi)力且容易出紕漏，工作質(zhì)量難以保證，對于大型庫區(qū)基本只能做到一日一檢。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，運(yùn)用信息技術(shù)改造和完善倉儲管理過程，成為現(xiàn)代化企業(yè)的選擇。

有線在線監(jiān)測技術(shù)主要借助光電信號等作為傳輸介質(zhì)，利用雙絞線、電纜和光纖等媒介在計算機(jī)局域網(wǎng)、電話網(wǎng)等專用網(wǎng)絡(luò)線路上傳輸信號，具有信號失真度小、無明顯噪聲污染、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[3]。但是如果現(xiàn)存庫區(qū)堆放貨物過多，則一次性線路改造投入成本高昂，再行布線的可操作性不強(qiáng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)互相通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要技術(shù)形式[4]。隨著無線通信、傳感器制造、嵌入式應(yīng)用等技術(shù)的日益成熟，WSNs可以在任何地點(diǎn)、任何時間、任何環(huán)境條件下獲取敏感數(shù)據(jù)。由于WSNs具有自組織、快速部署、容錯性高和無需布線等技術(shù)優(yōu)勢，因此非常適合環(huán)境數(shù)據(jù)收集、目標(biāo)定位和野外探測等眾多領(lǐng)域。本文采用無線在線監(jiān)測方法，綜合運(yùn)用WSNs、嵌入式開發(fā)、串口通信和面向?qū)ο缶幊痰榷喾N信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)筆者參與實(shí)施的某化工企業(yè)倉儲智能監(jiān)測改造項(xiàng)目。

1　建設(shè)規(guī)劃

目標(biāo)企業(yè)本期投入改造的3號倉庫共有兩層，每層面積2308m2，包括3個主要存放區(qū)和1個配件區(qū)，放置有大量有機(jī)化工類產(chǎn)品，要求溫度和光照度等參數(shù)保持在恒定范圍之內(nèi)。一旦溫度或者光照等超出產(chǎn)品的承受范圍，可能引發(fā)火災(zāi)爆炸等安全事故。項(xiàng)目實(shí)施前現(xiàn)場安裝有溫度計和照度計等簡單設(shè)備，采用人工巡檢方式，無法做到對倉儲各點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測。因此需要一套完整、全面的監(jiān)測系統(tǒng)，即倉儲管理人員可以通過軟件界面實(shí)時觀察倉庫環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化，當(dāng)內(nèi)部某處的溫度或光照數(shù)據(jù)超出正常范圍時，監(jiān)測人員可以馬上看到并采取相應(yīng)措施。經(jīng)過對現(xiàn)場堆放區(qū)域布局的充分了解，確定上位機(jī)和WSNs協(xié)調(diào)器安置于庫房辦公室。考慮到貨架對無線信號的遮擋，系統(tǒng)設(shè)計確保必要的冗余度。在每層對應(yīng)的主通道分別安放1個路由節(jié)點(diǎn)，多個終端感知節(jié)點(diǎn)分布于不同的貨架區(qū)域，保證節(jié)點(diǎn)信號經(jīng)過0～1次路由中轉(zhuǎn)即可匯聚到協(xié)調(diào)器。根據(jù)庫房條件，協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)提供有源接入，終端節(jié)點(diǎn)使用電池供電，系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的技術(shù)性能指標(biāo)有以下。

⑴ 使用壽命：終端節(jié)點(diǎn)電池維持工作6個月以上。

⑵ 反應(yīng)時間：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓聲r間＜2秒，采集數(shù)據(jù)響應(yīng)時間＜1秒。

⑶ 數(shù)據(jù)可靠性：監(jiān)測溫度誤差＜1℃，光敏值正負(fù)偏差＜2%。

⑷ 系統(tǒng)穩(wěn)定性：節(jié)點(diǎn)故障/月＜1次。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1　ZigBee技術(shù)[5]

ZigBee協(xié)議是行業(yè)公認(rèn)的WSNs標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，提供傳感器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)通信的短距離無線接入，是一種低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低時延的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。2.4GHz工作頻段數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s，節(jié)點(diǎn)間通信時延30ms，休眠狀態(tài)激活時延15ms。低耗電休眠模式無源節(jié)點(diǎn)兩節(jié)電池可以使用6個月以上。經(jīng)過實(shí)際測試，空曠區(qū)域節(jié)點(diǎn)之間最大通信距離可達(dá)200米，如遇障礙物最大通信距離縮減至20米以內(nèi)。鑒于ZigBee技術(shù)上述特點(diǎn)能夠滿足倉儲監(jiān)測系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，故選擇其作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。開發(fā)過程使用基于CC2530片上系統(tǒng)和ZigBee Pro協(xié)議的半開源代碼庫Z-Stack[6]實(shí)現(xiàn)。

2.2　嵌入式硬件

協(xié)調(diào)器內(nèi)置ZigBee模塊CC2530和其他WSNs節(jié)點(diǎn)無線通信，與上位機(jī)通過USB接口有線連接。節(jié)點(diǎn)板主要包括溫度傳感器、光敏傳感器、ZigBee無線模塊CC2530等，由電源或者2節(jié)5號電池供電。根據(jù)寫入Z-Stack程序的不同，既能夠作為路由節(jié)點(diǎn)，也可以作為終端感知節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)場采集的溫度和光敏數(shù)據(jù)源自節(jié)點(diǎn)板上的溫度傳感器TC77和光敏傳感器TPS851。TC77是串行通信數(shù)字溫度傳感器，分辨率0.0625℃，利用SPI和MICROWIRE兼容接口將信號傳送到CC2530處理。TPS851是一款超小型表面貼裝光照度傳感器，內(nèi)部集成光電二極管和電流放大器電路，光譜靈敏度接近發(fā)光效率，輸出信號具有波動小和線性程度高的特點(diǎn)。

2.3　串口通信技術(shù)

協(xié)調(diào)器通過USB接口和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)交互的實(shí)質(zhì)是串口通信技術(shù)，常見于外設(shè)和計算機(jī)間通信。通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等按位傳輸數(shù)據(jù)，不再贅述。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1　組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Z-Stack支持星狀、樹狀、串狀和網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)，可以完成多種形式的組網(wǎng)模式?？紤]適用性和拓展性，本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇為網(wǎng)狀網(wǎng)。在協(xié)議棧文件nwk_globals.h和nwk_globals.c中定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包含五級深度路由，設(shè)置每級最多掛載6個路由節(jié)點(diǎn)和20個終端節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測系統(tǒng)含上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)等4種設(shè)備類型。其中，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制現(xiàn)場設(shè)備和采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由，兼?zhèn)浣K端節(jié)點(diǎn)功能；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，存儲和管理在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息，兼?zhèn)渎酚晒?jié)點(diǎn)功能，并通過串口與上位機(jī)通信；上位機(jī)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送用戶操作指令，實(shí)現(xiàn)可視化和形象化的人機(jī)界面。

3.2　Z-Stack協(xié)議棧

協(xié)議棧原型程序是德州儀器公司提供的SampleApp案例，協(xié)議棧出廠時在NWK層已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了WSNs網(wǎng)絡(luò)AODV路由協(xié)議[7]。系統(tǒng)功能在此基礎(chǔ)上修改完成，包括協(xié)調(diào)器端和節(jié)點(diǎn)端應(yīng)用層開發(fā)，分別敘述如下。

3.2.1　協(xié)調(diào)器軟件

協(xié)調(diào)器軟件作為用戶監(jiān)控端和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接的紐帶，其功能流程如圖1。在網(wǎng)絡(luò)建立過程中，協(xié)調(diào)器啟動后發(fā)送NLMENETWORK-FORMATION.request原語完成網(wǎng)絡(luò)初始化工作。隨機(jī)選擇一個個域網(wǎng)標(biāo)識符(PAN_id)，將協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)地址置為0X0000啟動和建立網(wǎng)絡(luò)。PAN_id等過程參數(shù)保存在協(xié)調(diào)器的非易失性存儲器(NV)中，只有人為重啟才會恢復(fù)出廠設(shè)置。因此，如果協(xié)調(diào)器掉電重啟直接從NV中讀取上述參數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)，由此加快網(wǎng)絡(luò)建立過程，縮短設(shè)備重新聯(lián)網(wǎng)時間。在建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)之后，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以完成兩個主要任務(wù)，通過串口收發(fā)事件SPI_INCOMING_ZTOOL_PORT接收上位機(jī)指令發(fā)往目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；通過無線接收事件AF_INCOMING_MSG_CMD將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)包發(fā)回上位機(jī)。

3.2.2　節(jié)點(diǎn)軟件

路由節(jié)點(diǎn)和終端感知節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖2。待入網(wǎng)設(shè)備主動發(fā)送NLMENETWORK-DISCOVERY.request原語掃描備選頻道，在返回的信標(biāo)幀中收集附近網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)，包括頻道號、PAN_id、允許加入標(biāo)志等。如果有可以加入的網(wǎng)絡(luò)則調(diào)用NLME-JOIN.request原語請求加入該網(wǎng)絡(luò)，步驟包括在網(wǎng)絡(luò)層鄰居表中搜索合適的父節(jié)點(diǎn)和發(fā)送MLME-ASSOCIATE.request原語的MAC層關(guān)聯(lián)等。成功入網(wǎng)后刷新父子節(jié)點(diǎn)的鄰居表，更新網(wǎng)絡(luò)層信息庫(NIB)中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并將網(wǎng)絡(luò)分配的PAN_id等參數(shù)保存在設(shè)備的NV中。利用輪詢觸發(fā)的ZDO_STATE_CHANGE事件將自身網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒔?jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)回上位機(jī)。利用無線接收事件AF_INCOMING_MSG_CMD處理接收到的上位機(jī)指令執(zhí)行相應(yīng)傳感器讀寫操作后返回結(jié)果。

圖2　節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.3　上位機(jī)監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件采用VS2017.net環(huán)境開發(fā)，程序設(shè)計語言為c#。在網(wǎng)絡(luò)自動刷新狀態(tài)下將實(shí)時的WSNs拓?fù)鋱D顯示在操作界面中；用戶可以通過上位機(jī)發(fā)出命令讀取WSN網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)，同時軟件提供超限報警功能，圖3展示了軟件操作界面。

圖3　上位機(jī)監(jiān)控軟件操作界面

3.3.1　數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)存儲的在線數(shù)據(jù)主要有兩類，一類用于構(gòu)建WSNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，另一類是?shí)時傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，兩類數(shù)據(jù)使用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈４嬖贒ataTable平面表的實(shí)例中，每行存儲一個節(jié)點(diǎn)，包括節(jié)點(diǎn)地址、父節(jié)點(diǎn)地址和節(jié)點(diǎn)類型信息；每個在網(wǎng)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)均保存在PointPairList（點(diǎn)對鏈表）實(shí)例中，包括和時間相關(guān)的溫度和光敏數(shù)據(jù)，提供導(dǎo)出到磁盤文件功能。

上位機(jī)和協(xié)調(diào)器通信有固定的數(shù)據(jù)格式，該數(shù)據(jù)包含32個字節(jié)，如表1。數(shù)據(jù)頭分配1個字節(jié)；通過發(fā)送3個字節(jié)命令頭告訴對方執(zhí)行何種操作；物理地址是64位IEEE地址，即全球唯一的MAC地址，設(shè)備在生命周期中一直擁有該地址，通常由制造商或者被安裝時設(shè)置；網(wǎng)絡(luò)地址是每個節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后按照WSNs網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分配的2字節(jié)地址，類似于IP地址；數(shù)據(jù)緩沖區(qū)定義了16字節(jié)的內(nèi)存空間存放傳輸數(shù)據(jù)；校驗(yàn)位采用加和方式進(jìn)行，占據(jù)1個字節(jié)；幀尾是數(shù)據(jù)的結(jié)尾符，其與數(shù)據(jù)頭相對應(yīng)占用1個字節(jié)?？紤]到WSNs的低功耗要求和Z-Stack協(xié)議棧自帶數(shù)據(jù)傳輸識別和校驗(yàn)功能，協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)中任意兩個設(shè)備間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包去掉了數(shù)據(jù)頭、加和校驗(yàn)位和幀尾3個字段。

表1　數(shù)據(jù)包格式

3.3.2　系統(tǒng)運(yùn)行時序

監(jiān)控軟件兩個主要功能分別為：建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)采集。用戶打開串口與協(xié)調(diào)器相連后，發(fā)送廣播搜索WSNs在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，隨后在該節(jié)點(diǎn)上傳響應(yīng)信息存入DataTable平面表，完成建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ?，操作時序如圖4所示。接著可以啟用自動刷新功能完成節(jié)點(diǎn)的動態(tài)更新，根據(jù)節(jié)點(diǎn)返回的信號強(qiáng)度進(jìn)行刪除失聯(lián)節(jié)點(diǎn)和加入新增節(jié)點(diǎn)的操作。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣缑?圖3)選中某個在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感數(shù)據(jù)采集命令，相應(yīng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收指令采集感知信息返回后存入PointPairList點(diǎn)對鏈表，實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時查看現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。

圖4　建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4　結(jié)束語

利用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉儲環(huán)境實(shí)時監(jiān)測能夠使管理者更有效地對庫區(qū)進(jìn)行管理，具有投入少、見效快的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過試運(yùn)行測試，系統(tǒng)實(shí)際技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)，可以滿足用戶當(dāng)前的需求。下一步將從三個方面改進(jìn)：首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量受限，特別是功耗較大的路由節(jié)點(diǎn)如果因?yàn)榄h(huán)境限制無法滿足有源條件，故需要改進(jìn)AODV路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)全體在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能耗同步；其次，多個近鄰傳感器發(fā)送的信息具有時空相關(guān)性和數(shù)據(jù)相關(guān)性，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗是值得研究的問題；最后，使用云服務(wù)，將采集的實(shí)時數(shù)據(jù)匯總到云端，應(yīng)用多樣的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為用戶提供更為智能化的定制服務(wù)是必由之路。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]申悅,劉軍,王程安.倉儲環(huán)境監(jiān)測的研究和進(jìn)展[J].物流技術(shù),2015.34(8):265-268

[2]張煥國.Wi_Fi和WSN技術(shù)在奶制品生產(chǎn)企業(yè)倉儲管控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物流技術(shù)(裝備版),2014.12:91-93

[3]龐慶范,羅建,崔亮,羅二平.一種醫(yī)院供氧監(jiān)測數(shù)據(jù)的有線傳輸技術(shù)[J].醫(yī)療裝備衛(wèi)生,2004.25(3):22-23

[4]錢志鴻,王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報,2013.35(1):215-227

[5]ZigBee Standards Organization,"ZigBee Specification(ZigBee Document 053474r20)",http://www.zigbee.org,2012.

[6]Texas Instruments Inc,"Z-Stack Developer's Guide(Document Number:SWRA176)",http://www.ti.com/,2011.

[7]InternetEngineeringTaskForce(IETF),"Ad hoc On-Demand Distance Vector(AODV)Routing",https://datatracker.ietf.org/doc/rfc3561/,2013.