基于融合ZigBee與RFID技術的物聯網倉儲管理系統設計

文/陳 遙 吳曉波 周 文

軍隊倉庫作為軍隊后勤保障的重要環節，擔負著我軍物資收發、儲存、保管、維護等一系列任務，在軍隊后勤現代化、信息化建設中有著重要的地位。隨著現代科學技術的迅猛發展和世界新軍事變革的不斷推進，未來信息化條件下作戰物資需求呈現出一系列新的特點：物資消耗量劇增、物資的技術含量增大、物資的消耗與補充的時效性增強等。傳統的倉儲管理，一般依賴于一個非自動化的、以紙張文件為基礎的系統，完全由人工實施倉儲內部的管理，因此倉儲管理的效率極其低下。對此，設計基于融合ZigBee和RFID的物聯網倉儲管理系統，該系統能夠增強庫房作業的準確性和快捷性，減少整個戰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技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于IEEE批準的802.15.4無線標準[1]研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術，主要適合于承載數據流量較小的業務，可嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee技術并不是完全獨有、全新的標準，它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4協議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展，其網絡層、應用層和高層應用規范(API)由ZigBee聯盟進行制定[2]。ZigBee技術的優勢在于低功耗、低成本、網絡容量大、時延短和安全等，可廣泛應用于倉儲物流、樓宇自動化、工業控制、家居自動化等。而這恰好符合后方倉庫內應用復雜、要求設備成本低、電池供電、地形復雜、監測點多、需要較大的網絡覆蓋等特點。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術[3]，通過先進的技術手段，可以實現人們對各類物體或設備在不同狀態下的自動識別和管理。由于大規模集成電路技術的成熟使得射頻識別系統的體積縮小、成本下降，射頻識別技術進入實用化的階段，成為一種成熟的自動識別技術。RFID系統的優點：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，對使用環境要求不高。② 數據存儲容量大：RFID標簽的數據存儲容量大，標簽數據可更新，適合于需要儲存大量數據，并且經常更新數據的應用。③讀寫的速度快：RFID技術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材料或產品內，它的超薄和多種大小不一的外形，使之能封裝在產品上，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，給系統架設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技術應用于RFID。設計基于ZigBee技術的RFID有源標簽，采用ZigBee網絡技術，使得支持ZigBee的RFID閱讀器和節點設備自動形成自組織、自恢復的無線網絡。由于使用了自動組網技術，無線傳感網絡的組建免除了傳統網絡的繁瑣配置過程。任何新加入網絡中的節點設備只要處于無線網絡通訊范圍內，即可自動加入已有網絡，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絡，從而保證網絡強大的出錯自恢復的能力。將ZigBee與RFID技術結合可相互彌補對方的缺陷，ZigBee與RFID技術結合后，可進一步確保數據的完整性，彌補RFID高成本以及需依靠讀寫器方能搜集數據的缺點；融合ZigBee和RFID技術的倉儲管理系統繼承了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的功能。系統不僅能夠實時獲取倉儲流程中產品的品質、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.物聯網倉儲管理系統的設計

物聯網技術作為21世紀的一項全新技術，已成為繼計算機、互聯網與移動通信之后人們所關注的科技發展熱點之一，它涉及眾多研究和應用領域，是解決我國經濟持續發展問題的一項重要戰略措施。隨著現代科學技術的迅猛發展和世界新軍事變革的不斷推進，我軍的發展也需要不斷地注入新的技術、新的思想，物聯網技術在軍事后勤的應用已越來越廣泛，在加快后勤可視化建設、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揮極其重要的作用，將成為我軍后勤信息化發展的新趨勢[4]。

2.1 系統需求分析

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

2.2 系統原理介紹

圖1 倉儲物資管理業務流程圖

本文采用ZigBee與RFID技術相融合的物聯網系統，在RFID系統的基礎上，采用ZigBee無線數據傳輸技術來實現讀寫器與上位機之間的數據傳輸。與傳統的有線網絡相比，采用ZigBee無線數據傳輸技術可實現數據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讀寫器無線聯接自動組網或者與其它儀器、設備及不同協議讀寫器之間聯網，實現數據的多點無線采集和傳輸的目的，最終形成一個基于ZigBee技術的多點自動識別、智能無線組網的物聯網系統。系統中的RFID讀寫器可控制射頻模塊向電子標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答信號，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信息傳輸到上位機以供處理。系統主要由標簽、RFID讀寫器、ZigBee無線傳輸終端節點、ZigBee無線傳輸主節點和上位機組成。系統方案原理如圖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據交換。系統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、調制和解調；讀寫器和射頻卡之間通過外圍電路進行聯系；射頻卡是系統的應用終端，裝載著物體的數據信息。在芯片選擇上，微處理器選擇STC89C52RC，射頻芯片選擇MF RC500芯片。ZigBee無線傳輸節點模塊由微處理器模塊、ZigBee無線傳輸模塊、串口模塊、JTAG調試模塊以及電源管理模塊構成。微處理器模塊主要功能是存儲數據、處理數據以及控制流程等；ZigBee無線模塊主要功能是以射頻脈沖發送和接收數據；JTAG調試模塊主要是程序下載和仿真調試功能；串口模塊是用于進行計算機和讀寫器的通信；電源模塊給節點的各個部分提供電能。在關鍵芯片的選擇上，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、戰備物資通過倉庫設定的射頻感應區域時，系統通過ZigBee電子標簽實現自動化的存貨、取貨及倉庫中的快速盤點、物資監控等操作。通過科學的編碼，還可方便地對物品的批次、產地等進行動態的管理。利用系統的庫位管理功能，更可以及時掌握所有庫存戰備物資當前所在位置，有利于保障戰備物資的安全及提高倉儲管理的工作效率。

3.結束語

本文充分利用ZigBee技術的自動組網、無線傳輸、網絡可靠性和安全保密性高等特點以及RFID技術自身識別速度快、精度高、存儲信息容量大等方面的性能優勢，將ZigBee和RFID技術相融合的優勢和創新性應用于部隊倉儲物資管理，實現倉庫的物資信息數字化、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，為作戰指揮提供快速、準確的后勤裝備物資信息。本課題所設計的這個物聯網倉儲管理系統，雖不能替代現有的基于人員手工的倉儲管理方式，但利用物聯網技術的優勢，無疑能在一定程度上探索適合我軍后勤保障實際的發展模式，為全面實現真正意義上的“物聯網后勤”作了一些嘗試和鋪墊。

圖2 系統原理結構圖

[1]封瑜，葛萬成.基于Zigbee技術的無線傳感器網絡的構建與應用[J].電子工程師，2007，(3)：21—23.

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

[3]游戰清，李蘇劍等，無線射頻識別（RFID）技術理論與運用，機械工業出版社，2004.08

[4]陳遙，吳曉波，周文.物聯網技術及其在軍事領域的應用初探[J].倉儲管理與技術，2011(6).

[5]中國人民解放軍總后勤部司令部戰計處等，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