程麗霞

【摘 要】本文采用低成本、低功耗、低復雜度和低速率的ZigBee無線通信協(xié)議，設計包含信息采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析及管理系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的航材管理系統(tǒng)。利用無源RFID標簽和有源ZigBee標簽對航材進行標識，通過三邊定位算法對重要航材和固定航材進行定位，實現(xiàn)航材的管理和查詢。另外，針對傳輸距離短、短地址沖突、其它2.4GHz信號干擾等問題，提出解決方案。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;航材管理系統(tǒng);三邊定位;短地址沖突

中圖分類號： TP311.52文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）08-0193-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.084

【Abstract】This paper adopts ZigBee wireless communication protocol with low cost， low power consumption， low complexity and low rate to design a three-tier air materiel management system including information acquisition system， network communication system and data analysis and management system. The passive RFID tag and active ZigBee tag are used to identify the aircraft materials， and the trilateral location algorithm is used to locate the important and fixed aircraft materials， so as to realize the management and query of the aircraft materials.

【Key words】ZigBee; Aircraft Material Management System; Trilateral Location; Short Address Conflict

0 引言

目前一些單位航材管理仍采用傳統(tǒng)的以紙張文件為基礎的系統(tǒng)來記錄和追蹤管理，航材數(shù)量龐大、品種繁多、地點分散，造成管理單據(jù)眾多、統(tǒng)計工作繁重，不但浪費了人力物力，還可能造成航材流失。另外，此管理方法效率較低，缺乏對航材定位、數(shù)量統(tǒng)計等業(yè)務環(huán)節(jié)的有效控制和精細管理。因此有必要在單位范圍內(nèi)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能管理系統(tǒng)，為航材統(tǒng)計和資源調(diào)配提供可靠的依據(jù)。

智能管理系統(tǒng)的重點是設計信息傳輸網(wǎng)絡，由于單位的航材和庫房分布范圍較廣，網(wǎng)絡布線復雜和施工困難，因此適合采用組網(wǎng)簡單、擴展性強的無線傳輸技術(shù)。ZigBee是一種低成本、低功耗、低復雜度和低速率的無線通信技術(shù)[1]，設備輻射功率小于5mW，對其他設備的電磁干擾影響較小，且采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）直接序列擴頻傳輸方式，無線抗干擾能力較強，信號有效傳輸距離最大可達100米，可用來設計智能航材管理系統(tǒng)，實時獲取航材位置、數(shù)量等狀態(tài)信息。

1 航材管理系統(tǒng)組成

本設計的航材管理系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：信息采集系統(tǒng)，網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析及航材管理應用系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)對終端進行信息采集和標識，是航材管理系統(tǒng)的設備基礎。航材的靜態(tài)屬性存儲在標簽中，動態(tài)屬性由傳感器實時探測[2]。根據(jù)航材在管理系統(tǒng)中不同的屬性，終端將使用無源和有源兩種標簽。

（1）無源標簽采用RFID射頻識別技術(shù)，包括RID標簽和讀寫器，用來標識靜態(tài)屬性。其中，RFID標簽固定在航材上，本身無電源，每個標簽都含有唯一的識別碼，以便關(guān)聯(lián)到相應的航材。讀寫器由RFID識別模塊和ZigBee模塊組成，RFID識別模塊對在其識別范圍內(nèi)的RFID標簽進行掃描，當標簽收到讀寫器發(fā)來的信號時，標簽被喚醒，通過射頻耦合的方式獲取足夠的能量，同時，將收到的信號進行解調(diào)，從載波中還原出數(shù)字信號，然后根據(jù)其中包含的指令完成相應的操作，并將應答信息通過反向散射回送給讀寫器。當同時有多個標簽出現(xiàn)時，讀寫器通過啟動防沖突算法，逐個識別標簽[2]。讀寫器的RFID識別模塊可以在被標識的物體高速運動的情況下工作，讀寫距離在10米以上。讀寫器的ZigBee模塊為FFD（Full-function Device）全功能設備，實現(xiàn)多個讀寫器之間聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點無線采集和遠距離傳輸。

（2）有源標簽采用ZigBee的RFD（Reduced-function Device）精簡功能設備，標識航材的動態(tài)屬性。每個ZigBee標簽在網(wǎng)絡中有唯一的ID號，并關(guān)聯(lián)到相應的航材。標簽定時向系統(tǒng)上報信息，在空閑時進入休眠模式以降低功耗。資產(chǎn)管理是一個動態(tài)管理性工作。為提高管理效率，根據(jù)航材自身的重要性、消耗情況，將航材分為三類進行分級管理。

1.2 網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡通信系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡。ZigBee支持星形、樹狀、網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡類型。對于倉庫等室內(nèi)空間，可以被Zigbee無線信號的通訊半徑覆蓋，不需要節(jié)點的中繼，采用星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，便于遠程管理和節(jié)點的增加和刪減;對于室外空間，超過Zigbee無線信號的通訊半徑覆蓋，需要節(jié)點的中繼，在倉庫和建筑物的邊界、門崗等區(qū)域部署ZigBee的FFD全功能設備（包括RFID讀寫器）作為路由器，在系統(tǒng)控制中心和數(shù)據(jù)匯聚中心配置ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，構(gòu)建具有冗余鏈路和自愈能力的網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡的建立過程如下：

（1）網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器掃描所有的信道，選擇一個合適的空閑信道，廣播帶有網(wǎng)絡標識符的信標幀，以初始化網(wǎng)絡;（2）接收到這個信標幀的節(jié)點，如果是FFD，則作為網(wǎng)絡的路由器，建立網(wǎng)絡連接，并接受其他設備加入網(wǎng)絡的請求。如果是RFD，即信息采集終端，則通過ZigBee路由器或協(xié)調(diào)器連接到網(wǎng)絡;

（3）如果需要加入網(wǎng)絡的節(jié)點監(jiān)聽到多個信標幀時，它將選擇一個距離協(xié)調(diào)器的最少跳數(shù)，作為自己的潛在父節(jié)點，發(fā)送連接請求，等待回應;（4）作為發(fā)送信標幀的節(jié)點在收到設備的連接請求后，將根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的參數(shù)設置和自身的連接能力決定是否接收這個父節(jié)點作為自己的子節(jié)點;（5）如果一個節(jié)點的連接請求被接收后，其父節(jié)點就會發(fā)送帶有一個16位短地址的連接響應給其子節(jié)點。此時父節(jié)點的類型中對應的節(jié)點數(shù)目減1，并將已經(jīng)加入網(wǎng)絡的子節(jié)點記錄在自己的鄰居表中;相應的子節(jié)點將收到的短地址設置為自己的網(wǎng)絡地址，并將自己的網(wǎng)絡深度大小設置為其父節(jié)點網(wǎng)絡深度增加1的值。這樣節(jié)點間父子關(guān)系確立，節(jié)點成功加入網(wǎng)絡。

2 系統(tǒng)可靠性設計

2.1 設計可靠傳輸距離

ZigBee工作在2.4GHz 頻段，其傳輸范圍會受到輸出功率和信道環(huán)境的影響，信號穿越障礙物能力較弱，會導致ZigBee信號傳輸距離變小，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)信號穩(wěn)定性較好的范圍在30米左右。選用高性能的全向天線的ZigBee路由器，按照間隔30米的距離進行部署，并盡量避開障礙物阻擋。同時在ZigBee發(fā)射功率管制標準范圍內(nèi)，盡量增大發(fā)射功率，使無線信號可靠傳輸距離增大，同時發(fā)射功率不能調(diào)節(jié)過大防止帶來ZigBee節(jié)點之間的信號相互干擾。

2.2 解決短地址沖突

ZigBee終端加入網(wǎng)絡后，從協(xié)調(diào)器或者路由器得到一個16位短網(wǎng)絡地址[3]。如航材離開單位后很快又返回，網(wǎng)絡中可能會出現(xiàn)短地址沖突現(xiàn)象。原因是該設備有沿用其原有短地址的優(yōu)先權(quán)，但此短地址很可能已經(jīng)被分配給了其他ZigBee設備，從而導致其中一個設備無法正常通信[2]。因此系統(tǒng)設計時，增加ZigBee終端節(jié)點脫離網(wǎng)絡的檢測功能和終端節(jié)點在脫離網(wǎng)絡后的復位重連網(wǎng)絡功能，來有效避免短地址沖突。

2.3 減少其他2.4GHz信號的干擾

ZigBee技術(shù)與藍牙、WiFi等無線技術(shù)共用免費的2.4GHz頻段，可能會存在相互干擾。

（1）藍牙采用跳頻擴頻（FHSS）方式將2.4GHz頻段分成79個1MHz的信道，并在這79個信道間每秒鐘跳1600次;而ZigBee采用直接序列擴頻（DSSS）方式，所以藍牙在79次通信中只有1次和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，而且又迅速跳到另一個頻率。所以藍牙對ZigBee影響很小[4]。

（2）ZigBee與無線局域網(wǎng)技術(shù)WiFi在很多場合處于共存狀態(tài)，且二者都使用直接序列擴頻方式，信號干擾嚴重。所以部署ZigBee節(jié)點時，應盡量遠離WiFi設備。

3 結(jié)束語

本文采用低成本、低功耗、低復雜度和低速率的ZigBee無線通信協(xié)議，設計包含信息采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及管理系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的航材管理系統(tǒng)。利用無源RFID標簽和有源ZigBee標簽對航材進行標識，通過三邊定位算法對重要航材和固定航材進行定位，實現(xiàn)航材的管理和查詢。另外，在可靠通信距離部署ZigBee路由器，增加ZigBee終端節(jié)點脫離網(wǎng)絡的檢測功能和終端節(jié)點在脫離網(wǎng)絡后的復位重連網(wǎng)絡功能，以及選用ZigBee通信頻率重疊較少的通信信道組網(wǎng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

【參考文獻】

[1]呂志安.ZigBee網(wǎng)絡原理與應用開發(fā)[M].北京航空航天大學出版社，2008.

[2]彭力.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論[M].北京航空航天大學出版社，2011.