基于ZigBee航材管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程麗霞

【摘 要】本文采用低成本、低功耗、低復(fù)雜度和低速率的ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，設(shè)計(jì)包含信息采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析及管理系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的航材管理系統(tǒng)。利用無(wú)源RFID標(biāo)簽和有源ZigBee標(biāo)簽對(duì)航材進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過(guò)三邊定位算法對(duì)重要航材和固定航材進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)航材的管理和查詢。另外，針對(duì)傳輸距離短、短地址沖突、其它2.4GHz信號(hào)干擾等問(wèn)題，提出解決方案。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;航材管理系統(tǒng);三邊定位;短地址沖突

中圖分類號(hào)： TP311.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）08-0193-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.084

【Abstract】This paper adopts ZigBee wireless communication protocol with low cost， low power consumption， low complexity and low rate to design a three-tier air materiel management system including information acquisition system， network communication system and data analysis and management system. The passive RFID tag and active ZigBee tag are used to identify the aircraft materials， and the trilateral location algorithm is used to locate the important and fixed aircraft materials， so as to realize the management and query of the aircraft materials.

【Key words】ZigBee; Aircraft Material Management System; Trilateral Location; Short Address Conflict

0 引言

目前一些單位航材管理仍采用傳統(tǒng)的以紙張文件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來(lái)記錄和追蹤管理，航材數(shù)量龐大、品種繁多、地點(diǎn)分散，造成管理單據(jù)眾多、統(tǒng)計(jì)工作繁重，不但浪費(fèi)了人力物力，還可能造成航材流失。另外，此管理方法效率較低，缺乏對(duì)航材定位、數(shù)量統(tǒng)計(jì)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的有效控制和精細(xì)管理。因此有必要在單位范圍內(nèi)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能管理系統(tǒng)，為航材統(tǒng)計(jì)和資源調(diào)配提供可靠的依據(jù)。

智能管理系統(tǒng)的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于單位的航材和庫(kù)房分布范圍較廣，網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜和施工困難，因此適合采用組網(wǎng)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)的無(wú)線傳輸技術(shù)。ZigBee是一種低成本、低功耗、低復(fù)雜度和低速率的無(wú)線通信技術(shù)[1]，設(shè)備輻射功率小于5mW，對(duì)其他設(shè)備的電磁干擾影響較小，且采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）直接序列擴(kuò)頻傳輸方式，無(wú)線抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)有效傳輸距離最大可達(dá)100米，可用來(lái)設(shè)計(jì)智能航材管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取航材位置、數(shù)量等狀態(tài)信息。

1 航材管理系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)的航材管理系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：信息采集系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析及航材管理應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)對(duì)終端進(jìn)行信息采集和標(biāo)識(shí)，是航材管理系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)。航材的靜態(tài)屬性存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，動(dòng)態(tài)屬性由傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)[2]。根據(jù)航材在管理系統(tǒng)中不同的屬性，終端將使用無(wú)源和有源兩種標(biāo)簽。

（1）無(wú)源標(biāo)簽采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，包括RID標(biāo)簽和讀寫器，用來(lái)標(biāo)識(shí)靜態(tài)屬性。其中，RFID標(biāo)簽固定在航材上，本身無(wú)電源，每個(gè)標(biāo)簽都含有唯一的識(shí)別碼，以便關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的航材。讀寫器由RFID識(shí)別模塊和ZigBee模塊組成，RFID識(shí)別模塊對(duì)在其識(shí)別范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽進(jìn)行掃描，當(dāng)標(biāo)簽收到讀寫器發(fā)來(lái)的信號(hào)時(shí)，標(biāo)簽被喚醒，通過(guò)射頻耦合的方式獲取足夠的能量，同時(shí)，將收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從載波中還原出數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)其中包含的指令完成相應(yīng)的操作，并將應(yīng)答信息通過(guò)反向散射回送給讀寫器。當(dāng)同時(shí)有多個(gè)標(biāo)簽出現(xiàn)時(shí)，讀寫器通過(guò)啟動(dòng)防沖突算法，逐個(gè)識(shí)別標(biāo)簽[2]。讀寫器的RFID識(shí)別模塊可以在被標(biāo)識(shí)的物體高速運(yùn)動(dòng)的情況下工作，讀寫距離在10米以上。讀寫器的ZigBee模塊為FFD（Full-function Device）全功能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多個(gè)讀寫器之間聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)無(wú)線采集和遠(yuǎn)距離傳輸。

（2）有源標(biāo)簽采用ZigBee的RFD（Reduced-function Device）精簡(jiǎn)功能設(shè)備，標(biāo)識(shí)航材的動(dòng)態(tài)屬性。每個(gè)ZigBee標(biāo)簽在網(wǎng)絡(luò)中有唯一的ID號(hào)，并關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的航材。標(biāo)簽定時(shí)向系統(tǒng)上報(bào)信息，在空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式以降低功耗。資產(chǎn)管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)管理性工作。為提高管理效率，根據(jù)航材自身的重要性、消耗情況，將航材分為三類進(jìn)行分級(jí)管理。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee支持星形、樹狀、網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)類型。對(duì)于倉(cāng)庫(kù)等室內(nèi)空間，可以被Zigbee無(wú)線信號(hào)的通訊半徑覆蓋，不需要節(jié)點(diǎn)的中繼，采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于遠(yuǎn)程管理和節(jié)點(diǎn)的增加和刪減;對(duì)于室外空間，超過(guò)Zigbee無(wú)線信號(hào)的通訊半徑覆蓋，需要節(jié)點(diǎn)的中繼，在倉(cāng)庫(kù)和建筑物的邊界、門崗等區(qū)域部署ZigBee的FFD全功能設(shè)備（包括RFID讀寫器）作為路由器，在系統(tǒng)控制中心和數(shù)據(jù)匯聚中心配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，構(gòu)建具有冗余鏈路和自愈能力的網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器掃描所有的信道，選擇一個(gè)合適的空閑信道，廣播帶有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符的信標(biāo)幀，以初始化網(wǎng)絡(luò);（2）接收到這個(gè)信標(biāo)幀的節(jié)點(diǎn)，如果是FFD，則作為網(wǎng)絡(luò)的路由器，建立網(wǎng)絡(luò)連接，并接受其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。如果是RFD，即信息采集終端，則通過(guò)ZigBee路由器或協(xié)調(diào)器連接到網(wǎng)絡(luò);

（3）如果需要加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到多個(gè)信標(biāo)幀時(shí)，它將選擇一個(gè)距離協(xié)調(diào)器的最少跳數(shù)，作為自己的潛在父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送連接請(qǐng)求，等待回應(yīng);（4）作為發(fā)送信標(biāo)幀的節(jié)點(diǎn)在收到設(shè)備的連接請(qǐng)求后，將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置和自身的連接能力決定是否接收這個(gè)父節(jié)點(diǎn)作為自己的子節(jié)點(diǎn);（5）如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求被接收后，其父節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)送帶有一個(gè)16位短地址的連接響應(yīng)給其子節(jié)點(diǎn)。此時(shí)父節(jié)點(diǎn)的類型中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目減1，并將已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)記錄在自己的鄰居表中;相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)將收到的短地址設(shè)置為自己的網(wǎng)絡(luò)地址，并將自己的網(wǎng)絡(luò)深度大小設(shè)置為其父節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度增加1的值。這樣節(jié)點(diǎn)間父子關(guān)系確立，節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)可靠傳輸距離

ZigBee工作在2.4GHz 頻段，其傳輸范圍會(huì)受到輸出功率和信道環(huán)境的影響，信號(hào)穿越障礙物能力較弱，會(huì)導(dǎo)致ZigBee信號(hào)傳輸距離變小，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定性較好的范圍在30米左右。選用高性能的全向天線的ZigBee路由器，按照間隔30米的距離進(jìn)行部署，并盡量避開障礙物阻擋。同時(shí)在ZigBee發(fā)射功率管制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，盡量增大發(fā)射功率，使無(wú)線信號(hào)可靠傳輸距離增大，同時(shí)發(fā)射功率不能調(diào)節(jié)過(guò)大防止帶來(lái)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)相互干擾。

2.2 解決短地址沖突

ZigBee終端加入網(wǎng)絡(luò)后，從協(xié)調(diào)器或者路由器得到一個(gè)16位短網(wǎng)絡(luò)地址[3]。如航材離開單位后很快又返回，網(wǎng)絡(luò)中可能會(huì)出現(xiàn)短地址沖突現(xiàn)象。原因是該設(shè)備有沿用其原有短地址的優(yōu)先權(quán)，但此短地址很可能已經(jīng)被分配給了其他ZigBee設(shè)備，從而導(dǎo)致其中一個(gè)設(shè)備無(wú)法正常通信[2]。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，增加ZigBee終端節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)功能和終端節(jié)點(diǎn)在脫離網(wǎng)絡(luò)后的復(fù)位重連網(wǎng)絡(luò)功能，來(lái)有效避免短地址沖突。

2.3 減少其他2.4GHz信號(hào)的干擾

ZigBee技術(shù)與藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線技術(shù)共用免費(fèi)的2.4GHz頻段，可能會(huì)存在相互干擾。

（1）藍(lán)牙采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）方式將2.4GHz頻段分成79個(gè)1MHz的信道，并在這79個(gè)信道間每秒鐘跳1600次;而ZigBee采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）方式，所以藍(lán)牙在79次通信中只有1次和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，而且又迅速跳到另一個(gè)頻率。所以藍(lán)牙對(duì)ZigBee影響很小[4]。

（2）ZigBee與無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)WiFi在很多場(chǎng)合處于共存狀態(tài)，且二者都使用直接序列擴(kuò)頻方式，信號(hào)干擾嚴(yán)重。所以部署ZigBee節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離WiFi設(shè)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用低成本、低功耗、低復(fù)雜度和低速率的ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，設(shè)計(jì)包含信息采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及管理系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的航材管理系統(tǒng)。利用無(wú)源RFID標(biāo)簽和有源ZigBee標(biāo)簽對(duì)航材進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過(guò)三邊定位算法對(duì)重要航材和固定航材進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)航材的管理和查詢。另外，在可靠通信距離部署ZigBee路由器，增加ZigBee終端節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)功能和終端節(jié)點(diǎn)在脫離網(wǎng)絡(luò)后的復(fù)位重連網(wǎng)絡(luò)功能，以及選用ZigBee通信頻率重疊較少的通信信道組網(wǎng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

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