基于融合ZigBee与RFID技术的物联网仓储管理系统设计

2012-09-30吴晓波

中国储运 2012年3期

文/陈遥吴晓波周文

军队仓库作为军队后勤保障的重要环节，担负着我军物资收发、储存、保管、维护等一系列任务，在军队后勤现代化、信息化建设中有着重要的地位。随着现代科学技术的迅猛发展和世界新军事变革的不断推进，未来信息化条件下作战物资需求呈现出一系列新的特点：物资消耗量剧增、物资的技术含量增大、物资的消耗与补充的时效性增强等。传统的仓储管理，一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统，完全由人工实施仓储内部的管理，因此仓储管理的效率极其低下。对此，设计基于融合ZigBee和RFID的物联网仓储管理系统，该系统能够增强库房作业的准确性和快捷性，减少整个战备物资出入库中由于管理不到位造成的非法出入库、误置、偷窃和库存、出货错误等损失，并最大限度地减少储存成本、保障战备物资的安全，提高物资保障效率，满足信息化条件下各级部队对物资的保障需求，从而改善和提高我军后勤保障能力。

1.ZigBee和RFID的融合

1.1 ZigBee和RFID简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准[1]研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准，它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE 802.15.4协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展，其网络层、应用层和高层应用规范(API)由ZigBee联盟进行制定[2]。ZigBee技术的优势在于低功耗、低成本、网络容量大、时延短和安全等，可广泛应用于仓储物流、楼宇自动化、工业控制、家居自动化等。而这恰好符合后方仓库内应用复杂、要求设备成本低、电池供电、地形复杂、监测点多、需要较大的网络覆盖等特点。

RFID是一种非接触式的自动识别技术[3]，通过先进的技术手段，可以实现人们对各类物体或设备在不同状态下的自动识别和管理。由于大规模集成电路技术的成熟使得射频识别系统的体积缩小、成本下降，射频识别技术进入实用化的阶段，成为一种成熟的自动识别技术。RFID系统的优点：①非接触阅读：RFID标签可以透过非金属材料阅读，而且不需要与标签直接接触，对使用环境要求不高。② 数据存储容量大：RFID标签的数据存储容量大，标签数据可更新，适合于需要储存大量数据，并且经常更新数据的应用。③读写的速度快：RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。④体积小，易封装：射频电子标签能隐藏在大多数材料或产品内，它的超薄和多种大小不一的外形，使之能封装在产品上，使用非常方便。⑤无磨损，使用寿命长。然而RFID读卡器须采用RS232/485有线连接方式通信，给系统架设和维护都带来了极大的不便。

1.2 ZigBee和RFID融合

ZigBee和RFID的融合就是将ZigBee技术应用于RFID。设计基于ZigBee技术的RFID有源标签，采用ZigBee网络技术，使得支持ZigBee的RFID阅读器和节点设备自动形成自组织、自恢复的无线网络。由于使用了自动组网技术，无线传感网络的组建免除了传统网络的繁琐配置过程。任何新加入网络中的节点设备只要处于无线网络通讯范围内，即可自动加入已有网络，并自动形成信息路由路径，将信息传到有效接收者。并且，可组建成一个高冗余的网络，从而保证网络强大的出错自恢复的能力。将ZigBee与RFID技术结合可相互弥补对方的缺陷，ZigBee与RFID技术结合后，可进一步确保数据的完整性，弥补RFID高成本以及需依靠读写器方能搜集数据的缺点；融合ZigBee和RFID技术的仓储管理系统继承了RFID简单、快捷、自动识别目标的特性，又融入了ZigBee主动感知与无线组网的功能。系统不仅能够实时获取仓储流程中产品的品质、标识和位置等信息，而且还能够显著提高仓储管理过程的智能性和准确性。

2.物联网仓储管理系统的设计

物联网技术作为21世纪的一项全新技术，已成为继计算机、互联网与移动通信之后人们所关注的科技发展热点之一，它涉及众多研究和应用领域，是解决我国经济持续发展问题的一项重要战略措施。随着现代科学技术的迅猛发展和世界新军事变革的不断推进，我军的发展也需要不断地注入新的技术、新的思想，物联网技术在军事后勤的应用已越来越广泛，在加快后勤可视化建设、提高军队后勤保障效率和保障能力、提高指挥决策水平等方面都能发挥极其重要的作用，将成为我军后勤信息化发展的新趋势[4]。

2.1 系统需求分析

仓储管理是指围绕仓储物资的接收、保管、发出等流转程序所进行的计划、组织、监督、控制的一系列活动过程[5]。就它的内容来看，主要包括[6]：物资入库业务（包括接运业务、验收业务、物资入库），物资保管业务（包括物资堆垛作业、保养维修、检查盘点），出库业务（包括物资出库、发运）等。仓储物资管理的业务流程如图1所示。

2.2 系统原理介绍

图1 仓储物资管理业务流程图

本文采用ZigBee与RFID技术相融合的物联网系统，在RFID系统的基础上，采用ZigBee无线数据传输技术来实现读写器与上位机之间的数据传输。与传统的有线网络相比，采用ZigBee无线数据传输技术可实现数据信息的无线双向传输，且安装时不需布线，增加了射频识别系统的灵活性。在RFID读写器中嵌入ZigBee模块，从而使多台RFID读写器无线联接自动组网或者与其它仪器、设备及不同协议读写器之间联网，实现数据的多点无线采集和传输的目的，最终形成一个基于ZigBee技术的多点自动识别、智能无线组网的物联网系统。系统中的RFID读写器可控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对电子标签的对象标识信息进行解码，从而将对象标识信息连带电子标签上的其它相关信息传输到上位机以供处理。系统主要由标签、RFID读写器、ZigBee无线传输终端节点、ZigBee无线传输主节点和上位机组成。系统方案原理如图2所示。

射频部分由微处理器和射频芯片实现读写器的基本功能。读写器与射频卡通过射频脉冲来建立无线连接并完成数据交换。系统的工作方式具体说来，微处理器通过串行口接收控制指令，控制射频芯片与射频卡进行通信，完成对射频卡的读写和整个读写器的控制管理；射频芯片负责无线信号的编码和解码、调制和解调；读写器和射频卡之间通过外围电路进行联系；射频卡是系统的应用终端，装载着物体的数据信息。在芯片选择上，微处理器选择STC89C52RC，射频芯片选择MF RC500芯片。ZigBee无线传输节点模块由微处理器模块、ZigBee无线传输模块、串口模块、JTAG调试模块以及电源管理模块构成。微处理器模块主要功能是存储数据、处理数据以及控制流程等；ZigBee无线模块主要功能是以射频脉冲发送和接收数据；JTAG调试模块主要是程序下载和仿真调试功能；串口模块是用于进行计算机和读写器的通信；电源模块给节点的各个部分提供电能。在关键芯片的选择上，微处理器选择MSP430FG4618，无线传输芯片选择CC2420芯片。

当携带嵌入ZigBee模块电子标签的车辆、战备物资通过仓库设定的射频感应区域时，系统通过ZigBee电子标签实现自动化的存货、取货及仓库中的快速盘点、物资监控等操作。通过科学的编码，还可方便地对物品的批次、产地等进行动态的管理。利用系统的库位管理功能，更可以及时掌握所有库存战备物资当前所在位置，有利于保障战备物资的安全及提高仓储管理的工作效率。

3.结束语

本文充分利用ZigBee技术的自动组网、无线传输、网络可靠性和安全保密性高等特点以及RFID技术自身识别速度快、精度高、存储信息容量大等方面的性能优势，将ZigBee和RFID技术相融合的优势和创新性应用于部队仓储物资管理，实现仓库的物资信息数字化、物资识别自动化、物资管理智能化，满足部队对军事后勤物资精确化管理的要求，为作战指挥提供快速、准确的后勤装备物资信息。本课题所设计的这个物联网仓储管理系统，虽不能替代现有的基于人员手工的仓储管理方式，但利用物联网技术的优势，无疑能在一定程度上探索适合我军后勤保障实际的发展模式，为全面实现真正意义上的“物联网后勤”作了一些尝试和铺垫。