基于ZigBee的倉庫數據傳輸網絡

劉 軍，謝 磊，齊 華

(①武警工程學院 軍事通信與裝備運輸重點實驗室，陜西 西安 710032；②西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032)

0 引言

現代化倉庫的管理和維護日益繁重，倉庫中的大量倉儲物流信息[1]需要及時的統計、匯總至倉庫管理中心。倉庫數據信息的采集工作已經漸漸由人工方式改為各類數據采集終端。相比傳統手工記錄方式，數據采集終端改變了傳統人工記憶和手工錄入的低效率工作流程，節省了時間和成本，降低了出錯率。但是采集終端的數據傳輸方式仍然停留在有線階段。現有的無線網絡也是專網專用，致使新設備需要新網絡的支持，造成網絡間干擾和網絡布設成本的提高。該課題提出基于ZigBee的倉庫數據傳輸網絡，利用ZigBee傳輸數據量小、面向數據突發性傳輸、可靈活的組成各種網絡[2]等特點，提高了數據采集終端的使用靈活性，同時避免了數據采集終端設備添加帶來的入網繁瑣問題。

1 倉庫數據傳輸網絡總體設計

倉庫數據傳輸系統的設計是基于 ZigBee標準的無線傳輸網絡。在ZigBee網絡拓撲結構中，定義了3種設備對象，分別是ZigBee協調設備、ZigBee路由設備和各類采集終端。ZigBee網絡根據應用需要可組織為星型網絡、樹型網絡和網狀網絡。倉庫數據傳輸要求網絡可靠、穩定，因此該設計采用能夠減少數據傳遞延時，增加數據分流，從而提高了網絡運行穩定性的網狀網絡拓撲[3]。整體架構如圖1。

圖1 倉庫數據傳輸網絡結構

其中協調器設備功能為：負責整個網絡的初始化，確定ZigBee網絡的 ID號，提供數據校正、融合等處理[4]；通過串口與倉庫管理中心上位機進行數據通信；選擇不同編號的子節點進行數據監測。

路由設備在網絡中實現路由中繼的作用，實現 ZigBee網絡的多跳[5]功能。

該課題將倉庫中采集終端分為兩類：倉庫貨物信息采集終端、倉庫環境信息采集終端。其中倉庫貨物信息采集終端功能為：完成倉庫貨物出、入庫的自動記錄和傳輸以及庫存貨物統計結果的傳輸；子節點低電壓報警。倉庫環境信息采集終端功能為：完成倉庫環境信息的自動采集和傳輸。

2 倉庫數據傳輸網絡硬件設計

2.1 倉庫數據傳輸網絡協調器硬件設計

倉庫數據傳輸網絡協調器是網絡的核心，由CC2430、RT9002、LED、電源電路、串口電路等組成。CC2430通過RS-232和倉庫管理中心通信，RS- 232的TXD/RXD端分別接CC2430的P0.3/P0.2端口。狀態指示燈接CC2430的P2.0口，當模塊初始化完成后，狀態指示燈亮。表明協調器工作正常，節點可以通過射頻模塊接入網絡，然后進行數據的傳輸與接收。網絡協調器的電源供應為市電，不需要更換電池，而且不必擔心協調器電源耗盡。市電經變壓器轉換為6～12 V直流電，然后送RT9002芯片轉換成3.3 V直流電供網絡協調器使用。天線設計要注意阻抗匹配，CC2430射頻輸入、輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 ?[6]，同時為芯片內部的PA及LNA提供直流偏置。硬件部分原理圖如圖 2。倉庫數據傳輸網絡路由器硬件結構和倉庫數據傳輸網絡協調器相同，只是不含串口通信模塊。

圖2 協調器硬件電路結構

2.2 倉庫數據網絡終端設備硬件設計

倉庫數據傳輸網絡終端由CC2430、數據采集終端、液晶屏、RT9002、LED、電源電路等組成。該課題的兩類數據采集終端不同在于前端數據采集模塊，倉庫貨物信息采集模塊輸出為數字信號，直接連接到CC2430的IO口，倉庫環境信息采集模塊輸出同時具有模擬信號和數字信號，模擬信號連接到 CC2430的 A/D接口，通過設置 ADC輸入配置寄存器ADCCFG來選擇P0.0～P0.7為A/D輸入口，數字信號接I2C或GPIO口。液晶屏選用SM160160-34ZB57，通過SPI接口連接到 CC2430。終端采用電池供電方式，5 V鋰電池經XC6221A302MR降壓至3.3 V供終端節點使用。終端設備硬件部分原理圖如圖3。

圖3 終端設備硬件電路結構

3 倉庫數據傳輸網絡工作流程

倉庫傳輸網絡工作流程分為五部分：倉庫數據傳輸網絡的建立、終端設備的入網、待傳輸數據的產生、待傳輸數據的發送、傳輸數據的接收。

協調器、路由器上電后，建立網絡；然后終端節點可以在庫區任意位置接入網絡；貨物出、入庫時，貨物信息采集終端會記錄下出、入庫貨物的相關信息和出、入庫時間，倉庫環境信息采集終端會定時采集倉庫內溫度、濕度、加速度、光敏等信息，這些信息按指定格式形成待傳輸數據；待傳輸數據產生后，終端設備會通過倉庫傳輸網絡將數據發送至協調器；協調器收到數據后通過 RS-232發送到上位機；上位機收到倉庫貨物數據后，會確認出、入庫貨物是否正確，校驗無誤后上位機儲存貨物出、入庫信息，如果出錯會請求終端重發，上位機收到倉庫環境數據后，與設置的環境參數閾值進行比較，當某項參數超出閾值時會發出報警信息。在沒有數據傳輸的情況下，各節點進入睡眠狀態，等待下一輪數據傳輸的開始。基于 ZigBee的倉庫數據傳輸網絡整體工作流程如圖4。

圖4 網絡整體工作流程

3.1 倉庫傳輸網絡的建立

網絡協調器上電后，進行初始化，ZigBee協調器設備應用層生成原語NLME-NETWORK-FORMATION.request，發送給它的網絡層管理實體，請求初始化設備，并將自身作為ZigBee協調器。NLME-NETWORK-FORMATION.request原語中含有兩個參數：ScanChannels和 ScanDuration。第一個參數用來指示準備新建網絡時要掃描的信道。第二個參數用來計算掃描每個信道時持續的時間。網絡層收到原語后，就要求MAC層在指定的信道上執行信道能量掃描，調用 MLME一SCAN.request，主要找到信道能量低于設定能量值的信道，并且標注這些信道是可用信道，下一步就在可用信道中執行主動掃描(ActiveScan)，完成主動掃描后，NLME接收到MAC子層發送的掃描證實原語 MLME-SCAN.confirm，選擇一個合適的信道。如果上層指定了PANId參數，NWK層要確認指定的PAN標識與選定信道上已經運行網絡的PAN標識不沖突。隨后 NLME向 MAC子層發出 MLME-START.request原語。MLME-START.request原語中的PANCoordinator參數設置為TRUE。收到MLME-START.confirm證實原語后，NLME向上層發送證實原語 NLME- NETWORK-FORMATION.confirm，該原語的狀態等于 MLME-START.confirm原語的返回狀態。當返回值為SUCCESS時網絡建立成功。

NLME-START-ROUTER.request原語用來初始化成ZigBee路由器，或用來重新配置一個 ZigBee路由的超幀。為了初始化一個新路由器，NLME向 MAC子層發送 MLME-START.request原語。當且僅當 MLME-START.confirm返回狀態為SUCCESS時，設備才履行ZigBee路由器的職能。

3.2 終端設備入網

網絡建立成功后，終端節點可在網絡的隨機位置[7]發送入網申請，若請求沒有被接受，判斷是否手動按下取消鍵，如果按下則退出入網，否則繼續請求入網。部分源碼如下：

3.3 待傳輸數據的產生

采集終端獲取的被傳送數據分為兩類：倉庫貨物信息、倉庫環境信息。倉庫貨物信息主要包括：貨物名稱、存儲要求、產地、類型名稱、型號、材質、生產廠家、出（入）庫時間，數據量超過70字節；倉庫環境信息為溫度、濕度、氣體濃度等，數據長度為2字節。兩類信息存儲在如下結構體中：

倉庫環境信息為2字節，因此傳輸倉庫環境信息只需要一個數據幀；倉庫貨物信息數據量超過 70字節，因此需要多個數據幀傳輸，上位機在收到全部數據幀并判斷數據正確后，才能對數據做出應答，這樣既費時又不符合 ZigBee傳輸數據量小的特點。分析倉庫貨物信息特點，一批貨物的屬性是相近的，在信息傳輸前做比較，相同屬性項合并只占用一次內存，保證一個數據幀傳輸一條貨物信息，有利于上位機及時進行處理和應答。而且CPU做數據比較的時間比數據發送時間短，耗費能量比發送能量低，因此該方法不但提高了傳輸速率也降低了系統能耗。部分源碼如下：

3.4 待傳輸數據的發送

數據產生后調用發送函數 SC_ZBSend，通過倉庫數據傳輸網將信息傳輸到協調器節點。部分源碼如下：

3.5 傳輸數據的接收

協調器收到數據后，通過串口發送給上位機。上位機通過增設3G或GPRS設備，可以提供與外部數據網之間的傳輸通路[8]，進行倉庫數據的遠距離傳輸。

4 結語

該課題所描述的基于ZigBee的倉庫數據傳輸網絡系統，布設成本低，抗干擾性強，功耗低，能夠為倉庫提供實時網絡覆蓋，實現了現代倉庫各類采集數據到倉庫監控中心的無線交互。通過 ZigBee網絡的靈活性，各類采集終端能夠迅速接入網絡，監控中心能夠有效獲取倉庫的貨物出入庫數據和倉庫環境數據，省去了倉庫管理人員統計后上報的時間。應用表明該網絡提高了倉庫管理的效率。

[1] 韓金魯.基于ZigBee技術的智能倉儲系統的研究[D].山東：山東大學，2008.

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