基于ZigBee的立體書庫標識與管理系統的實現

作者簡介：杜娟（1989—），女，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統、軟件工程、人工智能（E-mail：642061399@qq.com）；李眾立（1948—），男，四川綿陽人，教授，碩士生導師，研究方向：嵌入式系統，人工智能，軟件工程。

摘要：長久以來，中國傳統圖書管理系統只有“倉儲”的概念，沒有“現代物流”的概念。本文提出一種基于ZigBee技術的標識與管理系統，并將這一系統應用于現代書庫管理中。首先在書庫工作現場構建基于ZigBee技術的無線局域網，然后將RFID掃描得到的信號經MCU處理后通過ZigBee通信模塊發射到工作現場的網關節點，再通過RS-232的方式將網關數據傳輸到書庫管理中心服務器，實現工作現場操作人員和中心服務器之間的信息實時交互與管理。

關鍵詞：現代物流；ZigBee；無線局域網；RFID

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A

1引言

科學技術的不斷前進推動著流通領域不斷的革新與發展，基于ZigBee的書庫的標識與管理系統融合了RFID技術、ZigBee技術和無線數據傳輸技術等，是先進的倉儲物流管理方案，保證圖書業務活動端數據的實時采集和傳輸，從而保證了實物流和信息流的完全一致，大大提高了書庫物流效率， 加速了書庫管理智能化的進程[1，2]。

2Zigbee 技術

Zigbee 是一種無線標準， Zigbee 的基礎是IEEE 802.15.4，這是IEEE 無線個人區域網（Personal Area Network， PAN）工作組的一項標準。802.15.4 的MAC 層基于802.11 無線LAN 標準，但是它的物理層與流行的802.11b 物理層相似。ZigBee 有三個工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz， 共27個信道[3，4]。

3系統的設計與實現

3.1系統硬件設計

在每個書架上，都有一個顯示屏和閱讀器。運用電子標簽技術建立貨物身份，運用射頻識別及ZigBee技術定位[5]每一件貨物在倉庫及貨架位置，電子標簽依靠閱讀器發送過來的載波將存儲的信息發送到閱讀器，再由內嵌在閱讀器中的ZigBee模塊，通過ZigBee網絡，最終傳送給作為協調器的ZigBee 模塊，從而使多臺RFID閱讀器無線連接自動組網或者與其他儀器、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來實時掌握圖書的物流信息，并將圖書信息及書架信息動態的顯示在書架的顯示屏上。如圖1。

采用的方法是在RFID系統的閱讀器同ZigBee模塊相連，來達成遠距離標識與管理系統。這主要有以下幾個優點：

1）低功耗，時延小。因為ZigBee 的傳輸速率低、數據量小，因此信號的收發的時間短，在非工作模式下，ZigBee模塊又處于休眠狀態下。

2）傳輸距離較滿足實際應用。通信距離較大一般在10～100 m 內，加大發射功率后可以進一步地擴大其射頻距離，并且在實際應用中可以通過建立多跳通信后，其通信距離也會提高。

3）網絡容量很大。一個ZigBee 網絡最多可包括255 個節點，再通過網絡協調器將網絡互連，其網絡容量將達到很大，一個Zigbee 網絡可以容納最多65536 個從設備和一個主設備。

4）自組織網絡。網絡協調器可以自組織網絡，采用CSMA/CA 方式進行信道接入。

3.2系統終端結構圖

書庫標識與管理系統終端由CPU、RAM、FLASH、液晶顯示模塊、RFID閱讀器、Zigbee 無線通信模塊、A/D 轉換器、電源裝置以及一些接口組成。其結構圖如圖2。

4系統軟件設計

4.1網絡的建立及設備的加入

ZigBee網絡中，只有協調器可以建立網絡，首先協調器的應用層調用NLME_NETWORK_FORMATION.request原語，發出建立網絡請求，網絡層收到這個原語后，要求MAC層執行信道能量掃描。然后網絡層管理實體發送MLME_SCAN.request原語。MAC層收到后首先通過發送信標請求命令幀開始執行主動掃描，通過記錄每次接收到的信標幀信息，掃描可用信道網絡活動情況，并將掃描結果記錄在個域網描述符列表中，最后找到一個最優信道。接著隨機選擇一個不與已有標識號沖突的網絡標識號，并選擇16位網絡地址為0x0000，然后網絡層向MAC層發送MLME_START.request原語。請求開始發送信標幀，運行新的個域網。網絡層收到個域網啟動狀態后，通過NLME_NETWORK_FORMATION.confirm原語將告知應用層建立要求的網絡狀態。最后協調器應用層通過發送NLME_PERMIT_JOIN.request原語允許設備與網絡連接。

子設備應用層首先設定待掃描的信道以及每個信道掃描的時間，調用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語尋找合適的網絡，網絡層收到原語后，通過MLME_SCAN.request原語要求MAC層執行主動掃描獲得目前網絡描述參數。完成掃描后，網絡層將發送NLME_NETWORK_DISCOVERY.confirm原語告知應用層。應用層根據情況調用NLME_JOIN.request原語從鄰居表中選擇所發現的網絡加入。如果有多個設備滿足要求，將選擇到協調器節點深度最低的設備。網絡確定后，網絡層將請求MAC層管理實體對邏輯信道、PAN標識符等有關屬性進行配置，發送MLME_SYNC.request原語獲得它所要連接協調器的信標，實現與協調器的同步。然后調用MLME_ASSOCIATE.request原語到MAC層，協調器接收到連接請求后返回給子設備確認幀。協調器的網絡層將分配唯一的16位網絡地址給設備，并根據設備提供的信息在它的鄰居表中為子設備創建新的入口，隨后向MAC發送表明連接成功的MLME_ASSOCIATE.request原語。協調器網絡層將通過向應用層發送NLME_JOIN.indication原語表明設備已經成功同網絡連接。設備的MAC層收到來自協調器的連接響應命令幀后，通過MLME_ASSOCIATE.confirm原語發送給設備應用層表明加入成功，設備的網絡層將在鄰居表中設置邏輯地址信息。如圖3。

4.2網絡的整體結構的設計

本系統是基于IEEE802.15.4技術標準的ZigBee網絡協議[6，7]與RFID相結合的無線標識與管理系統。該系統中匯集了大量的ZigBee節點和RFID節點，需要采用混合組網的結構才能覆蓋較為廣的范圍。為了減少整個網絡的功耗，保證網絡中各節點的壽命，把節點分為四種類型，四種類型的節點收到數據包后，分別采取不同的數據包轉發方式，從而達到降低能量消耗的功效。把網絡中的節點分成四類：協調器（Coordinator）、RN+（RN：RoutingNode）、RN-和RFD。中心協調器、RN+以及RN-都是屬于FFD節點。使用AODVjr路由算法的節點是RN+和中心協調器，使用ClusterTre算法的是RN-和RFD節點。中心協調器的主要作用是建立一個新的網絡，給新網絡設定相關的參數以及多網絡中的節點進行管理，同時會存儲網絡節點中的一些相關信息等。當網絡形成后，中心協調器還能夠給其他節點充當路由節點。一般情況下由于中心協調器的重要性，采用的是持續的交流供電系統。而終端的RFD節點只是負責收集數據等信息，所以能夠降低ZigBee網絡能量消耗的策略主要還是是針對RN+和RN-節點。

5系統的測試

5.1系統數據傳輸可行性測試

先由ZigBee主節點組織一個網絡，然后將與讀寫器相連的ZigBee終端節點加入到網絡中。之后，ZigBee終端節點與ZigBee主節點之間就建立了點對點的數據傳輸關系。然后就可以把射頻卡放到讀寫器天線輻射的范圍內（經過測試為76mm），再檢測上位機是否可以對射頻卡內的信息進行控制[8]。

在實驗前，首先要連接好硬件電路，做好以下工作：

1）將讀寫器應用程序寫入STC89C52單片機中；

2）將ZigBee無線數據傳輸主節點和終端節點的應用程序分別通過CC2430、CC2431仿真器下載到各自的微處理器中；

3）開啟上位機監控程序。

首先在ZigBee主節點上通電，先讓其建立一個網絡，然后給ZigBee終端節點和讀寫器通上電源，讓其加入由主節點創建的網絡中。將射頻卡放到讀寫器輻射范圍內，分別點擊上位機程序的尋卡、防沖突、選擇按鈕，如果均出現“成功”表明選擇射頻卡成功，如出現“失敗”說明讀寫器出現異常或者射頻卡沒有在天線區域范圍內。然后，就可以對射頻卡進行讀寫操作。

5.2系統無線傳輸距離的測試

由于本文的創新點就是利用ZigBee無線技術來實現RFID讀寫器與上位機之間的數據傳輸，因此ZigBee無線傳輸距離是非常重要的[9]，表1是分別在空曠的實驗室數據傳輸距離和在有障礙物的實驗室條件下數據傳輸的距離。

通過表1我們看出開放空間條件下ZigBee無線通信技術傳輸數據的距離和在有障礙物條件下的數據傳輸的距離的差距還是很大的，而且在開放空間的條件下無線傳輸的距離十次測量的數據差別不大，而在有障礙物條件下，差別就比較大。原因可能因為具體環境比較復雜，無線信號受到的影響比較大，因此測試的結果數據差別相對比較大。所以在現實應用中，要根據現場環境的條件來放置主節點，這樣才能順利的完成傳輸數據。

6結束語

用ZigBee無線技術來實現RFID讀寫器與上位機之間數據傳輸，理想情況下傳輸距離可達50多米，如果再加大功率，數據無線通信距離可以更長，而且數據傳輸時沒有方向限制，設備安裝時也不需要布線，可支持多達上萬個節點，極大的增加了識別系統的靈活性。由于ZigBee技術的穩定性還沒有通過現實應用的嚴格考驗，所以ZigBee無線通信技術走向成熟并大量應用到現實中還需時日。但是，ZigBee技術和射頻識別系統的結合是大勢所趨，隨著信息技術的不斷發展，兩者相結合后的優勢將更為突出，基于ZigBee技術的物流標識系統將得到更好的應用。

參考文獻

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[9] 張育琪，基于ZigBee技術的無線數據采集系統設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.