無線傳感器網絡技術在物流倉儲系統中的應用

The technology of wireless sensor network apply in logistics warehousing system

張　濤，王成林

ZHANG Tao, WANG Cheng-lin

（北京物資學院 物流學院，北京 101149）

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無線傳感器網絡技術在物流倉儲系統中的應用

The technology of wireless sensor network apply in logistics warehousing system

張濤，王成林

ZHANG Tao, WANG Cheng-lin

（北京物資學院 物流學院，北京 101149）

摘 要：將基于ZigBee協議的無線傳感器節點應用到倉儲環節，實現倉儲系統數據的實時監測。文章完成節點軟硬件設計與測試，充分利用ZigBee節點能耗小、成本低、安裝維護便捷等特點，構建倉儲系統的監測網絡，實現倉儲系統中各項環境參數的實時采集與無線傳輸，并以“邵武市食用菌農村合作社專業化生產項目”完成測試需求，實現溫濕度的有效監測。

關鍵詞：倉儲系統；溫濕度監測；無線傳感器網絡；ZigBee協議

0 引言

倉儲環節是現代物流的關鍵環節，如何高效、準確掌握倉儲過程中的環境信息，保障物品的安全存儲，在現代倉儲中起著至關重要的作用。無線傳感器網絡能夠實時監測、感知網絡范圍內對象的各種信息，為物流倉儲系統的各項指標監測提供了有效的解決方案。本文將無線傳感器網絡技術應用到倉儲系統，并與福建省“菜籃子”工程“邵武市食用菌農村合作社專業化生產項目”共建，為食用菌倉儲車間的建設提供無線的溫濕度監測系統設計方案。

設計基于ZigBee協議的無線傳感器節點，實現倉儲系統數據的實時監測，將為實現倉儲系統的智能化管理提供技術與信息支持，具有很好的應用前景。研究內容不僅僅針對農產品物流倉儲系統監測展開，同時也為物流領域中其他復雜倉儲系統的環境監測提供一種參考方案。

1 ZigBee倉儲環境監測系統設計方案

基于ZigBee無線傳感網絡技術的倉儲環境監測系統結構如圖1所示，主要由下位機監測系統和上位機監測顯示系統兩部分構成。本文主要從以上兩方面的設計與實現來進行分析。

1.1 下位機監測系統設計

1）下位機系統硬件設計

下位機系統硬件設計主要包括硬件結構的確定、各模塊的選型以及無線節點硬件的電路設計。

（1）硬件結構與選型

無線傳感器網絡的節點的匯聚節點和終端接點結構圖分別如圖2、圖3所示。終端節點與傳感器相連，采集信息并送到匯聚節點。匯聚節點接收來自終端節點的數據，通過USB接口與上位機直接相連。

圖1　基于Zigbee的倉儲環境監測系統總結構

圖2　匯聚節點結構圖

圖3　終端節點結構圖

本文采用星型拓撲結構。節點的無線通信網絡模塊采用北京云天創科技有限公司提供的ATZGB-780-F5Zigbee無線多功能模塊進行系統設計，其主處理芯片為Stm32 F103C8T6，無線通信芯片為AT86RF212。溫濕度傳感器采用SHT11。

圖4　下位機硬件電路原理圖

（2）無線節點硬件電路設計

基于Protel 99 SE開發平臺進行了電路原理的設計，設計了穩壓電路、狀態指示電路、溫濕度采集電路、圖像采集電路、復位電路、無線通信電路等，電路原理圖如圖4所示。

對無線傳感網絡節點硬件的PCB板進行了布局設計，根據設計好的電路原理圖和PCB板設計圖，印制了PCB電路板，選購元器件并焊接調試。硬件實物如圖5所示，最終的節點與匯聚節點硬件如圖6、圖7所示。

圖5　硬件實體圖

圖6　終端節點的實體圖

圖7　匯聚節點的實體圖

2）無線節點軟件設計

下位機WSN節點的程序是下位機設計的核心，由三部分組成：微處理器控制程序、溫濕度數據采集程序和數據無線傳輸程序。微處理器控制整個下位機子系統所有程序的運轉，對子系統中的端口以及時鐘等進行配置，確保子系統的正常運行。

（1）微處理器控制程序的設計

微處理器控制程序流程如圖8所示。

首先，對微處理器進行初始化，配置系統時鐘，初始化GPIO、NVIC、EXTI、USART；其次，微處理器通過外部中斷對控制指令進行監測，若為采集指令，便向溫濕度傳感器發出采集指令，WSN節點上的傳感器收到指令之后便進行溫濕度測量，將原始溫濕度參數送入緩沖區；當原始數據反饋完成之后，微處理器計算判斷原始數據是否正確，若不正確，發送二次采集命令；若正確，則將緩沖區內的數據整理成標準數據幀的格式，并送入輸出緩沖區；最后，微處理器對輸出緩沖區進行判斷，若緩沖區內有待發送數據幀，則調用無線發送模塊，將數據發往的匯聚節點。

（2）溫濕度數據采集程序的設計

微處理器與溫濕度傳感器之間的通信主要依靠兩線雙向的串行接口，實現數據和控制信號的傳輸。在程序設計中，通過對IO口的輸入/輸出模式進行定義，一方面通過SCK線傳輸自定義的時鐘，另一方面通過Data線傳送相應的命令信號或接收監測信號。

圖8　微處理器控制程序流程圖

（3）數據無線傳輸程序的設計

在無線數據通信的程序設計中，核心的設計部分主要包括數據傳輸協議和數據池結構的設計。

①數據傳輸協議數據幀的設計

為了統一無線傳感節點間交換數據的順序和格式，確保傳輸數據的準確性，本本文設計了數據幀的結構，如表1所示。

②數據池結構的設計

為了確保系統對溫濕度數據測量實時性，本文設計了一種基于堆棧思想的數據池，結構如圖9所示。數據池的容量為3個數據幀，圖中start和end用于固定數據池的定位，而head和tail是用于指示現在的存儲情況。

表1　數據幀結構表

圖9　數據池結構圖

1.2 上位機監測系統的設計

倉儲環境監測上位機顯示子系統的設計框架如圖10所示，主要由串口數據通信模塊、溫濕度窗口顯示模塊和溫濕度數據管理模塊組成。

圖10　上位機監測顯示系統的設計框架

WSN中的匯聚節點含有USB模塊，可以與上位機連接。VB與其通信實際是通過虛擬串口，因此首先應該在上位機安裝虛擬串口驅動，將USB口轉換為串口實現數據通信。

上位機監測軟件窗口顯示模塊進行的操作主要分為數據的初步處理與解析、溫濕度的計算和窗口的顯示三大部分。

1）數據的初步處理與解析

上位機接收到數據幀之后，根據數據幀中的校驗位對數據幀的各位數據進行校驗；在校驗無誤的前提下，通過后臺程序將溫度數據與濕度數據的參數提取出來，放在全局變量中，實現對串口數據有效位的提取。

2）溫濕度的后臺計算

利用轉換后的SHT11溫濕度字節數據，依據以下公式進行實時溫濕度的計算。

SHT11溫度計算公式：

根據所選型號查閱各參數的數值，在式(1)中的參數d1為-39.6，d2為0.01，SQT為下位機回傳的2字節SHT溫度數據，基計算結果的單位為℃。

SHT11濕度計算公式：

根據所選型號查閱各參數的數值，式(2)中c1= -2.0468，c2=+0.0367，c3=-0.0000015955；在式(3)中，t1=+0.01，t2=+0.00008，T℃為當前溫度的攝氏度值；兩式中的SORH為下位機傳回來的2字節SHT濕度數據。

3）溫濕度窗口的顯示

在VB工程的可視界面中，設計了6個文本控件來顯示溫濕度，同時設計有按鈕控件，通過觸發控件可以刷新監測數據。將計算得到的溫濕度數據直接賦值給了文本控件，用于實現所讀取數據的實時顯示。

2 監測試驗與結果分析

2.1 溫濕度傳感器數據收發實驗

圖11　實驗中一個測量溫度周期的波形圖

通過Jlink仿真器，在Keiluvision 4環境中對下位機程序進行單步執行各種命令函數，并通過示波器來監測下位機終端節點在實驗過程中的時序圖，例如圖11所示的波形圖為一個測量溫度周期的波形圖。與此同時，還進行濕度測量、通訊復位等命令的跟蹤執行。示波器所顯示的波形圖與數據手冊中的指令時序圖完全吻合，說明程序邏輯的正確性以及SHT11的穩定性。

2.2 無線數據傳輸實驗

在對終端節點進行單步執行追蹤監測的同時，通過串口助手軟件查看匯聚節點的數據接收情況，得到如圖12所示的結果，結果與終端節點監測數據一致，說明無線數據傳輸功能的實現。

圖12　匯聚節點串口數據接收結果

2.3 上位機顯示軟件運行實驗

在倉儲場景中，安裝放置傳感器節點，連接匯聚節點，運行上位機軟件，得到圖13所示結果。對數據進行保存操作，并通過打開Access數據庫文件查看數據內容，得到如圖14的結果。

圖13　軟件運行窗口

圖14　Access數據庫中的溫濕度數據表

3 結論

本文分析了WSN技術應用于物流倉儲環境監測的優勢和應用前景，給出了基于Zigbee技術的倉儲環境監測系統的總體設計方案，對系統進行了性能測試實驗。

本文設計的倉儲環境監測系統在程序控制方面，終端節點采用喚醒模式，進而大量節省無線網絡中各節點的能耗，延長節點的使用壽命；在數據處理方面，設計了基于堆棧思想的數據池，確保監測數據的在穩定傳輸的同時，具有較好的實時性。

在倉儲環境中，所設計的WSN終端節點集成一體，體積較小，便于移動和安置，能夠對不同的倉位進行多方位的監測；上位機顯示軟件，能夠將各個節點的數據直觀地顯示出來，便于物流倉儲人員對倉儲環境的管理，同時也能夠將這些數據存儲在到數據庫中。

實施過程由一個終端節點與匯聚節點的通信展開，進而到多個終端與匯集節點實現通信，構建出星型網絡，在此基礎上還可以進行節點的拓展開發；無線傳感器節點的硬件上設計有拓展開發的IO口，可以進行多傳感器的進一步開發，更全面地對倉儲環境進行監測；在上位機方面，實現了顯示和數據存儲功能，可以在此基礎上進行其他功能的開發。

參考文獻：

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作者簡介：張濤（1991 -），女，山西人，研究生，研究方向為物流工程。

基金項目：北京市教育委員會專項資金

收稿日期：2015-12-06

中圖分類號：TN929

文獻標識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)01-0148-05