李苗苗+楊偉東+楊澤青+郭志剛+張極

摘 要： 針對現(xiàn)在倉庫管理系統(tǒng)中貨物存放混亂、查找困難等問題，基于RFID技術(shù)和ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了由RFID無源標(biāo)簽、RFID讀寫器、智能節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成的倉庫貨物定位系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述基于空間三點(diǎn)定位算法的RFID網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)；搭建基于ZigBee低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的低功耗、自組織數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；研究RFID數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)。經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)可精確實(shí)現(xiàn)貨物自動定位，有利于促進(jìn)現(xiàn)代物流業(yè)向系統(tǒng)化、成本最小化、信息化、電子化方向發(fā)展，具有一定的理論研究意義和實(shí)際生產(chǎn)價值。

關(guān)鍵詞： RFID； ZigBee； 自動定位； 自組織網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TN95?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展現(xiàn)代物流業(yè)，對于促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、提高國民經(jīng)濟(jì)競爭力具有重要意義[1]。倉庫存儲作為現(xiàn)代物流運(yùn)作中一個必不可少的重要環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響著物流業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的倉庫貨物存放、管理技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在大批量、快速流動和智能化盤點(diǎn)的市場需求。

本文將ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)結(jié)合起來，充分利用了ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)自組織、靈活和低成本的技術(shù)優(yōu)勢[2]和RFID標(biāo)簽與讀寫器質(zhì)量輕、體積小、成本低和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了倉庫內(nèi)貨物的自動精確定位。有助于倉庫貨物的快速盤點(diǎn)和智能監(jiān)管，大大縮短了貨物查找、整理和出庫時間，節(jié)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(shí)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該倉庫貨物定位系統(tǒng)是將ZigBee技術(shù)與RFID技術(shù)相融合，通過合理的設(shè)計搭建整個控制系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對貨物的定位，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由二部分組成：RFID讀寫器和RFID標(biāo)簽組成的射頻識別模塊和基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線信號通信模塊。RFID定位技術(shù)和ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計的核心部分。

系統(tǒng)的工作過程如下：

（1） 對每個庫房進(jìn)行分區(qū)管理，把RFID讀寫器布置在每個區(qū)域的指定地點(diǎn)。

（2） 分別給貨物配置RFID無源標(biāo)簽，標(biāo)簽還可攜帶貨物的基本信息如：生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、產(chǎn)商和入庫時間等。

（3） 系統(tǒng)開機(jī)上電后進(jìn)行初始化，首先由協(xié)調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)。

（4） RFID讀寫器讀取RFID無源標(biāo)簽的基本信息和位置信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)管中心，實(shí)現(xiàn)對貨物的監(jiān)管和定位。

2 RFID射頻識別模塊設(shè)計

2.1 RFID射頻識別模塊的硬件設(shè)計

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

RFID射頻識別系統(tǒng)主要由兩個部分組成：電子標(biāo)簽和讀寫器，如圖2所示。

在整個 RFID 射頻識別系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)中，電子標(biāo)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(fā)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)中的ZigBee路由器進(jìn)行信息通信，而從讀寫模塊主要負(fù)責(zé)通過射頻天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]。主讀寫模塊和從讀寫模塊是通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。射頻天線是電子標(biāo)簽與 RFID 讀寫器之間數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌l(fā)送和接收裝置。

綜合考慮系統(tǒng)的通信速率、射頻芯片的通信方式、數(shù)據(jù)處理能力，兼容性和擴(kuò)展性等要求，同時結(jié)合市場上現(xiàn)有射頻芯片的功能、成本造價和應(yīng)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(shù)，在一個極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸，增強(qiáng)型51 FLASH高速單片機(jī)，豐富的外設(shè)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(zhuǎn)串口連接線；RFID射頻模塊中的電源轉(zhuǎn)換芯片選擇MAX3232；射頻天線選擇的是收發(fā)頻率為2.4 GHz的無線收發(fā)天線。

2.2 RFID定位技術(shù)

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

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

為節(jié)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(diǎn)為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，計算出庫房內(nèi)分布的RFID讀寫器的坐標(biāo)，以及每個貨位的坐標(biāo)；當(dāng)帶有RFID標(biāo)簽的貨物進(jìn)入系統(tǒng)后，RFID讀寫器利用接收信號的強(qiáng)度來估計貨物與自己距離，系統(tǒng)通過對比選取離貨物最近的3個RFID讀寫器作為參考節(jié)點(diǎn)來計算貨物位置，如圖4所示。

假設(shè)三個RFID讀寫器的位置坐標(biāo)分為：

A（），B（），C（）；待測貨物的坐標(biāo)為D（）；參考節(jié)點(diǎn) A，B，C到定位節(jié)點(diǎn)D的距離分別為，，；則有：

（1）

通過對式（1）進(jìn)行求解就可以得到貨物D的坐標(biāo)，然后查找坐標(biāo)相對應(yīng)的貨位編號，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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(yōu)點(diǎn)[8]。

本文中ZigBee的協(xié)調(diào)器或路由器采用相同的硬件設(shè)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(zhuǎn)換模塊、串口模塊、USB通信接口、DEBUG 測試接口和時鐘復(fù)位模塊等組成。ZigBee 模塊電路板實(shí)物圖，如圖5所示。采用美國TI/Chipon公司的ZigBee產(chǎn)品CC2530無線射頻芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，它的的工作頻率為 2.400～2.485 GHz，傳輸?shù)目梢暰嚯x在外接 9 dBi天線時為1 600 m，在板載內(nèi)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)，故串口模塊設(shè)計時選擇的是RS 232標(biāo)準(zhǔn)通信方法，傳輸速率為9 600 b/s，選用MAX3232實(shí)現(xiàn)CC2530與RS 232之間的LVTTL電平和RS 232電平的轉(zhuǎn)換。電路板的編程接口設(shè)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(jìn)行實(shí)時在線仿真和調(diào)試。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持精簡功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）和全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD），在同一物理信道的個人工作范圍的通信范圍內(nèi)，兩個或者兩個以上的設(shè)備可構(gòu)成一個無線個人局域網(wǎng)通信技術(shù)（Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN）。ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了星形拓?fù)?、樹形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)淙N網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问絒9]，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)成本、運(yùn)行速度和功能實(shí)現(xiàn)等。

綜合倉庫定位系統(tǒng)的需要采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)設(shè)計ZigBee協(xié)調(diào)器為整個定位系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)，ZigBee路由器作為全功能設(shè)備，RFID讀寫器為精簡設(shè)備僅具有網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸功能。ZigBee協(xié)調(diào)器是通信系統(tǒng)中最核心和最重要的設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動和管理整個網(wǎng)絡(luò)， 也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備，一個 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中只能設(shè)置惟一的一個 ZigBee協(xié)調(diào)器，它是無線網(wǎng)絡(luò)的建立者和管理者、信息存儲和網(wǎng)絡(luò)指令的發(fā)送設(shè)備以及路由選擇模塊[10]。ZigBee協(xié)調(diào)器必須隨時監(jiān)聽整個網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備的運(yùn)行狀況，所以要一直保持正常的工作狀態(tài)，否則可能會導(dǎo)致整個通信網(wǎng)絡(luò)的崩潰。協(xié)調(diào)器通過RS 232串口線與上位機(jī)（PC）通信。

ZigBee路由器是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^設(shè)備，功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并協(xié)助其子設(shè)備的通信，其數(shù)量隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的加大而增多，ZigBee路由器具有終端設(shè)備的所有功能，同時具有終端設(shè)備所沒有的路由功能和數(shù)據(jù)信息存儲功能，是終端節(jié)點(diǎn)的父設(shè)備。所以系統(tǒng)中可以省去終端設(shè)備，轉(zhuǎn)而用路由器來代替。路由器通過 RFID?ZigBee串口互聯(lián)線與 RFID 射頻模塊相連接。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 上位機(jī)查詢系統(tǒng)

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)采集來的信息經(jīng)處理后會自動錄入數(shù)據(jù)庫，上位機(jī)查詢系統(tǒng)可以對貨物位置進(jìn)行查詢，同時可查詢貨物基本信息。上位機(jī)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(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。

LabVIEW SQL Toolkit 支持所有ADO所支持的數(shù)據(jù)庫引擎，與SQL兼容，與ODBC或OLE DB數(shù)據(jù)庫驅(qū)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?yún)?shù)Connection String就可以更換數(shù)據(jù)庫，也可以將數(shù)據(jù)庫中Column Values的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的LabVIEW Database Connectivity Toolset的數(shù)據(jù)類型。上位機(jī)查詢系統(tǒng)如圖7所示，可通過入庫時間、貨物編號、貨物名稱對貨物進(jìn)行查詢，也可以通過入庫時間范圍對貨物進(jìn)行模糊查詢。貨物的位置編號如下：1?P?418，最前面的數(shù)字為庫房編號，中間為庫房內(nèi)區(qū)域編號，最后的數(shù)字為貨架貨位編號。

5 結(jié) 語

本文給出了基于ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)的貨物定位系統(tǒng)的設(shè)計方法，并對統(tǒng)統(tǒng)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(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織和貨物的自動定位。有效地解決了倉庫系統(tǒng)中不適合有線部署、故障率高的問題；實(shí)現(xiàn)了對于貨物的自動定位，并可精確到相應(yīng)的貨位號。同時可移植性強(qiáng)，投資成本低、組網(wǎng)快，能夠根據(jù)倉庫的具體規(guī)模進(jìn)行靈活部署，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值，對現(xiàn)代新型倉庫管理體系的開發(fā)具有一定的借鑒意義。

注：本文通訊作者為楊偉東。

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