基于ZigBee和RFID技術的倉庫貨物定位系統設計

李苗苗+楊偉東+楊澤青+郭志剛+張極

摘 要： 針對現在倉庫管理系統中貨物存放混亂、查找困難等問題，基于RFID技術和ZigBee無線通信網絡技術，設計了由RFID無源標簽、RFID讀寫器、智能節點和網關組成的倉庫貨物定位系統。重點闡述基于空間三點定位算法的RFID網絡定位系統；搭建基于ZigBee低速短距離傳輸的無線網絡協議的低功耗、自組織數據傳輸網絡；研究RFID數據傳輸和控制技術。經驗證該系統可精確實現貨物自動定位，有利于促進現代物流業向系統化、成本最小化、信息化、電子化方向發展，具有一定的理論研究意義和實際生產價值。

關鍵詞： RFID； ZigBee； 自動定位； 自組織網絡

中圖分類號： TN95?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0103?04

Design of warehouse cargo positioning system based on ZigBee and RFID technologies

LI Miaomiao， YANG Weidong， YANG Zeqing， GUO Zhigang， ZHANG Ji

（Hebei University of Technology， Tianjin 300000， China）

Abstract： Since the available warehouse management systems has the problems of the disordered cargo storage and difficult finding， a warehouse cargo positioning system based on RFID technology and ZigBee wireless communication network technology was designed， which is composed of the RFID passive tag， RFID reader?writer， intelligent node and gateway. The RFID network positioning system based on spatial three?point location algorithm is described emphatically. The low?power consumption and self?organizing data transmission network based on wireless network protocol ZigBee with low speed and short?distance transmission was constructed. The RFID data transmission and control technologies are studied. The verification results indicate that the system can locate the cargo accurately and automatically， and promote the logistics industry development towards systematization， cost minimization， informatization and electronization.

Keywords： RFID； ZigBee； automatic positioning； self?organizing network

0 引 言

近年來我國物流業發展迅速，已經成為支撐國民經濟發展的基礎性、戰略性產業，加快發展現代物流業，對于促進產業結構調整、轉變經濟發展方式、提高國民經濟競爭力具有重要意義[1]。倉庫存儲作為現代物流運作中一個必不可少的重要環節，嚴重影響著物流業的發展。傳統的倉庫貨物存放、管理技術已經無法滿足現在大批量、快速流動和智能化盤點的市場需求。

本文將ZigBee技術和RFID技術結合起來，充分利用了ZigBee 無線傳感網絡自組織、靈活和低成本的技術優勢[2]和RFID標簽與讀寫器質量輕、體積小、成本低和壽命長的優點，實現了倉庫內貨物的自動精確定位。有助于倉庫貨物的快速盤點和智能監管，大大縮短了貨物查找、整理和出庫時間，節省了人力資源，提升了市場競爭力，具有一定的理論意義和實用價值。

1 系統總體設計

該倉庫貨物定位系統是將ZigBee技術與RFID技術相融合，通過合理的設計搭建整個控制系統從而實現對貨物的定位，系統整體結構如圖1所示。系統主要由二部分組成：RFID讀寫器和RFID標簽組成的射頻識別模塊和基于ZigBee網絡的無線信號通信模塊。RFID定位技術和ZigBee自組網技術是系統設計的核心部分。

系統的工作過程如下：

（1） 對每個庫房進行分區管理，把RFID讀寫器布置在每個區域的指定地點。

（2） 分別給貨物配置RFID無源標簽，標簽還可攜帶貨物的基本信息如：生產日期、保質期、產商和入庫時間等。

（3） 系統開機上電后進行初始化，首先由協調器發起網絡，分布在不同庫房的路由器形成覆蓋倉庫全部范圍的無線ZigBee網絡。

（4） RFID讀寫器讀取RFID無源標簽的基本信息和位置信息，通過ZigBee網絡將經過處理的數據傳輸給監管中心，實現對貨物的監管和定位。

2 RFID射頻識別模塊設計

2.1 RFID射頻識別模塊的硬件設計

RFID（Radio Frequency Identification）是一種智能非接觸自動射頻識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，具有非接觸、安全性高、傳輸速度快、支持多目標識別的特點[3]。

RFID射頻識別系統主要由兩個部分組成：電子標簽和讀寫器，如圖2所示。

在整個 RFID 射頻識別系統硬件電路結構中，電子標簽和RFID 讀寫器模塊中的主讀寫模塊和從讀寫模塊的電路中都由主控射頻芯片、時鐘模塊、無線收發射頻天線、電源模塊和外圍阻抗匹配電路等組成，主讀寫模塊和從讀寫模塊電路結構相似，不同之處在于，主讀寫器模塊要通過其串口模塊與ZigBee線通信網絡中的ZigBee路由器進行信息通信，而從讀寫模塊主要負責通過射頻天線與電子標簽進行數據傳輸[4]。主讀寫模塊和從讀寫模塊是通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）進行數據交換。射頻天線是電子標簽與 RFID 讀寫器之間數據信息傳輸的發送和接收裝置。

綜合考慮系統的通信速率、射頻芯片的通信方式、數據處理能力，兼容性和擴展性等要求，同時結合市場上現有射頻芯片的功能、成本造價和應用范圍，選取了nRF24LE1作為主控射頻芯片。同時采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術，在一個極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸，增強型51 FLASH高速單片機，豐富的外設及接口等；外接電源接口通過USB?TTL模塊來給RFID讀寫器底板供電；串口接口用型號為HL?340的USB轉串口連接線；RFID射頻模塊中的電源轉換芯片選擇MAX3232；射頻天線選擇的是收發頻率為2.4 GHz的無線收發天線。

2.2 RFID定位技術

本文中所采用的RFID定位技術是基于測距的定位，通過測量待定位RFID標簽到已知位置坐標的RFID讀寫器之間的距離來計算目標位置。

測量RFID標簽到RFID讀寫器的距離，一般可以依據信號到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）、信號到達角度（Angle of Arrival，AOA）和接收信號強度指示（Received Signal Strengh Indication，RSSI）等信息來進行判斷[5?6]。利用信號強度法來測距不需要添加額外的硬件，并且信號強度的采集和計算都相對簡單，故考慮成本和數據處理等因素，本貨物定位系統選用基于RSSI的定位算法。

為節約空間，倉庫貨物存儲時一般把貨物置于貨架上，故對于貨物的定位為三維立體空間定位。如圖3所示每個庫房都以房間的一個頂點為原點建立三維坐標系，計算出庫房內分布的RFID讀寫器的坐標，以及每個貨位的坐標；當帶有RFID標簽的貨物進入系統后，RFID讀寫器利用接收信號的強度來估計貨物與自己距離，系統通過對比選取離貨物最近的3個RFID讀寫器作為參考節點來計算貨物位置，如圖4所示。

假設三個RFID讀寫器的位置坐標分為：

A（），B（），C（）；待測貨物的坐標為D（）；參考節點 A，B，C到定位節點D的距離分別為，，；則有：

（1）

通過對式（1）進行求解就可以得到貨物D的坐標，然后查找坐標相對應的貨位編號，從而實現在三維立體空間對貨物的定位[7]。

3 ZigBee無線通信模塊

3.1 ZigBee無線通信模塊的硬件設計

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能，具有低功耗、低成本、安全、工作頻段靈活等優點[8]。

本文中ZigBee的協調器或路由器采用相同的硬件設計，其硬件模塊由CC2530通信模塊、天線和外圍阻抗匹配電路、電源轉換模塊、串口模塊、USB通信接口、DEBUG 測試接口和時鐘復位模塊等組成。ZigBee 模塊電路板實物圖，如圖5所示。采用美國TI/Chipon公司的ZigBee產品CC2530無線射頻芯片作為系統的主控芯片，它的的工作頻率為 2.400～2.485 GHz，傳輸的可視距離在外接 9 dBi天線時為1 600 m，在板載內置PCB天線的情況下為600 m，具有高抗干擾能力和低誤碼率，能很好地匹配濾波抑制諧波且能將雜散降到最低。系統可采用外接電源或USB 接口兩種方式供電。由于PC使用的是RS 232接口標準，故串口模塊設計時選擇的是RS 232標準通信方法，傳輸速率為9 600 b/s，選用MAX3232實現CC2530與RS 232之間的LVTTL電平和RS 232電平的轉換。電路板的編程接口設計為DEBUG接口，DEBUG接口可通過JTAG線連接CC Debugger仿真器便于對CC2530芯片進行實時在線仿真和調試。

3.2 ZigBee網絡組建

ZigBee網絡支持精簡功能設備（Reduced Function Device，RFD）和全功能設備（Full Function Device，FFD），在同一物理信道的個人工作范圍的通信范圍內，兩個或者兩個以上的設備可構成一個無線個人局域網通信技術（Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN）。ZigBee 協議標準中定義了星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲三種網絡拓撲形式[9]，不同的拓撲結構決定了系統成本、運行速度和功能實現等。

綜合倉庫定位系統的需要采用網狀拓撲結構組建無線傳感器網絡。系統設計ZigBee協調器為整個定位系統最終的數據收集節點，ZigBee路由器作為全功能設備，RFID讀寫器為精簡設備僅具有網絡接入和數據傳輸功能。ZigBee協調器是通信系統中最核心和最重要的設備，負責啟動和管理整個網絡， 也是網絡的第一個設備，一個 ZigBee無線網絡中只能設置惟一的一個 ZigBee協調器，它是無線網絡的建立者和管理者、信息存儲和網絡指令的發送設備以及路由選擇模塊[10]。ZigBee協調器必須隨時監聽整個網絡中各個設備的運行狀況，所以要一直保持正常的工作狀態，否則可能會導致整個通信網絡的崩潰。協調器通過RS 232串口線與上位機（PC）通信。

ZigBee路由器是數據傳輸的中繼設備，功能是允許其他設備加入網絡，并協助其子設備的通信，其數量隨網絡規模的加大而增多，ZigBee路由器具有終端設備的所有功能，同時具有終端設備所沒有的路由功能和數據信息存儲功能，是終端節點的父設備。所以系統中可以省去終端設備，轉而用路由器來代替。路由器通過 RFID?ZigBee串口互聯線與 RFID 射頻模塊相連接。系統網絡通信結構如圖6所示。

4 上位機查詢系統

ZigBee無線通信網絡采集來的信息經處理后會自動錄入數據庫，上位機查詢系統可以對貨物位置進行查詢，同時可查詢貨物基本信息。上位機軟件管理平臺采用LabVIEW編程，通過LabVIEW 軟件中的 SQL Toolkit工具包來實現對數據庫的訪問。

LabVIEW SQL Toolkit 支持所有ADO所支持的數據庫引擎，與SQL兼容，與ODBC或OLE DB數據庫驅動程序兼容。在任何情況下，用戶通過改變DB Tools Open Connection VI 的輸入參數Connection String就可以更換數據庫，也可以將數據庫中Column Values的數據類型轉換為標準的LabVIEW Database Connectivity Toolset的數據類型。上位機查詢系統如圖7所示，可通過入庫時間、貨物編號、貨物名稱對貨物進行查詢，也可以通過入庫時間范圍對貨物進行模糊查詢。貨物的位置編號如下：1?P?418，最前面的數字為庫房編號，中間為庫房內區域編號，最后的數字為貨架貨位編號。

5 結 語

本文給出了基于ZigBee技術和RFID技術的貨物定位系統的設計方法，并對統統中RFID射頻識別模塊和ZigBee無線通信模塊兩大重要組成部分進行了詳細介紹。實現了ZigBee網絡的自組織和貨物的自動定位。有效地解決了倉庫系統中不適合有線部署、故障率高的問題；實現了對于貨物的自動定位，并可精確到相應的貨位號。同時可移植性強，投資成本低、組網快，能夠根據倉庫的具體規模進行靈活部署，具有一定的實際應用價值，對現代新型倉庫管理體系的開發具有一定的借鑒意義。

注：本文通訊作者為楊偉東。

參考文獻

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