无线传感器网络技术在物流仓储系统中的应用

2016-03-18Thetechnologyofwirelesssensornetworkapplyinlogisticswarehousingsystem

制造业自动化 2016年1期

关键词：无线传感器网络

The technology of wireless sensor network apply in logistics warehousing system

张　涛，王成林

ZHANG Tao, WANG Cheng-lin

（北京物资学院物流学院，北京 101149）

无线传感器网络技术在物流仓储系统中的应用

The technology of wireless sensor network apply in logistics warehousing system

张涛，王成林

ZHANG Tao, WANG Cheng-lin

（北京物资学院物流学院，北京 101149）

摘要：将基于ZigBee协议的无线传感器节点应用到仓储环节，实现仓储系统数据的实时监测。文章完成节点软硬件设计与测试，充分利用ZigBee节点能耗小、成本低、安装维护便捷等特点，构建仓储系统的监测网络，实现仓储系统中各项环境参数的实时采集与无线传输，并以“邵武市食用菌农村合作社专业化生产项目”完成测试需求，实现温湿度的有效监测。

关键词：仓储系统；温湿度监测；无线传感器网络；ZigBee协议

0 引言

仓储环节是现代物流的关键环节，如何高效、准确掌握仓储过程中的环境信息，保障物品的安全存储，在现代仓储中起着至关重要的作用。无线传感器网络能够实时监测、感知网络范围内对象的各种信息，为物流仓储系统的各项指标监测提供了有效的解决方案。本文将无线传感器网络技术应用到仓储系统，并与福建省“菜篮子”工程“邵武市食用菌农村合作社专业化生产项目”共建，为食用菌仓储车间的建设提供无线的温湿度监测系统设计方案。

设计基于ZigBee协议的无线传感器节点，实现仓储系统数据的实时监测，将为实现仓储系统的智能化管理提供技术与信息支持，具有很好的应用前景。研究内容不仅仅针对农产品物流仓储系统监测展开，同时也为物流领域中其他复杂仓储系统的环境监测提供一种参考方案。

1 ZigBee仓储环境监测系统设计方案

基于ZigBee无线传感网络技术的仓储环境监测系统结构如图1所示，主要由下位机监测系统和上位机监测显示系统两部分构成。本文主要从以上两方面的设计与实现来进行分析。

1.1 下位机监测系统设计

1）下位机系统硬件设计

下位机系统硬件设计主要包括硬件结构的确定、各模块的选型以及无线节点硬件的电路设计。

（1）硬件结构与选型

无线传感器网络的节点的汇聚节点和终端接点结构图分别如图2、图3所示。终端节点与传感器相连，采集信息并送到汇聚节点。汇聚节点接收来自终端节点的数据，通过USB接口与上位机直接相连。

图1　基于Zigbee的仓储环境监测系统总结构

图2　汇聚节点结构图

图3　终端节点结构图

本文采用星型拓扑结构。节点的无线通信网络模块采用北京云天创科技有限公司提供的ATZGB-780-F5Zigbee无线多功能模块进行系统设计，其主处理芯片为Stm32 F103C8T6，无线通信芯片为AT86RF212。温湿度传感器采用SHT11。

图4　下位机硬件电路原理图

（2）无线节点硬件电路设计

基于Protel 99 SE开发平台进行了电路原理的设计，设计了稳压电路、状态指示电路、温湿度采集电路、图像采集电路、复位电路、无线通信电路等，电路原理图如图4所示。

对无线传感网络节点硬件的PCB板进行了布局设计，根据设计好的电路原理图和PCB板设计图，印制了PCB电路板，选购元器件并焊接调试。硬件实物如图5所示，最终的节点与汇聚节点硬件如图6、图7所示。

图5　硬件实体图

图6　终端节点的实体图

图7　汇聚节点的实体图

2）无线节点软件设计

下位机WSN节点的程序是下位机设计的核心，由三部分组成：微处理器控制程序、温湿度数据采集程序和数据无线传输程序。微处理器控制整个下位机子系统所有程序的运转，对子系统中的端口以及时钟等进行配置，确保子系统的正常运行。

（1）微处理器控制程序的设计

微处理器控制程序流程如图8所示。

首先，对微处理器进行初始化，配置系统时钟，初始化GPIO、NVIC、EXTI、USART；其次，微处理器通过外部中断对控制指令进行监测，若为采集指令，便向温湿度传感器发出采集指令，WSN节点上的传感器收到指令之后便进行温湿度测量，将原始温湿度参数送入缓冲区；当原始数据反馈完成之后，微处理器计算判断原始数据是否正确，若不正确，发送二次采集命令；若正确，则将缓冲区内的数据整理成标准数据帧的格式，并送入输出缓冲区；最后，微处理器对输出缓冲区进行判断，若缓冲区内有待发送数据帧，则调用无线发送模块，将数据发往的汇聚节点。

（2）温湿度数据采集程序的设计

微处理器与温湿度传感器之间的通信主要依靠两线双向的串行接口，实现数据和控制信号的传输。在程序设计中，通过对IO口的输入/输出模式进行定义，一方面通过SCK线传输自定义的时钟，另一方面通过Data线传送相应的命令信号或接收监测信号。

图8　微处理器控制程序流程图

（3）数据无线传输程序的设计

在无线数据通信的程序设计中，核心的设计部分主要包括数据传输协议和数据池结构的设计。

①数据传输协议数据帧的设计

为了统一无线传感节点间交换数据的顺序和格式，确保传输数据的准确性，本本文设计了数据帧的结构，如表1所示。

②数据池结构的设计

为了确保系统对温湿度数据测量实时性，本文设计了一种基于堆栈思想的数据池，结构如图9所示。数据池的容量为3个数据帧，图中start和end用于固定数据池的定位，而head和tail是用于指示现在的存储情况。

表1　数据帧结构表

图9　数据池结构图

1.2 上位机监测系统的设计

仓储环境监测上位机显示子系统的设计框架如图10所示，主要由串口数据通信模块、温湿度窗口显示模块和温湿度数据管理模块组成。

图10　上位机监测显示系统的设计框架

WSN中的汇聚节点含有USB模块，可以与上位机连接。VB与其通信实际是通过虚拟串口，因此首先应该在上位机安装虚拟串口驱动，将USB口转换为串口实现数据通信。

上位机监测软件窗口显示模块进行的操作主要分为数据的初步处理与解析、温湿度的计算和窗口的显示三大部分。

1）数据的初步处理与解析

上位机接收到数据帧之后，根据数据帧中的校验位对数据帧的各位数据进行校验；在校验无误的前提下，通过后台程序将温度数据与湿度数据的参数提取出来，放在全局变量中，实现对串口数据有效位的提取。

2）温湿度的后台计算

利用转换后的SHT11温湿度字节数据，依据以下公式进行实时温湿度的计算。

SHT11温度计算公式：

根据所选型号查阅各参数的数值，在式(1)中的参数d1为-39.6，d2为0.01，SQT为下位机回传的2字节SHT温度数据，基计算结果的单位为℃。

SHT11湿度计算公式：

根据所选型号查阅各参数的数值，式(2)中c1= -2.0468，c2=+0.0367，c3=-0.0000015955；在式(3)中，t1=+0.01，t2=+0.00008，T℃为当前温度的摄氏度值；两式中的SORH为下位机传回来的2字节SHT湿度数据。

3）温湿度窗口的显示

在VB工程的可视界面中，设计了6个文本控件来显示温湿度，同时设计有按钮控件，通过触发控件可以刷新监测数据。将计算得到的温湿度数据直接赋值给了文本控件，用于实现所读取数据的实时显示。

2 监测试验与结果分析

2.1 温湿度传感器数据收发实验

图11　实验中一个测量温度周期的波形图

通过Jlink仿真器，在Keiluvision 4环境中对下位机程序进行单步执行各种命令函数，并通过示波器来监测下位机终端节点在实验过程中的时序图，例如图11所示的波形图为一个测量温度周期的波形图。与此同时，还进行湿度测量、通讯复位等命令的跟踪执行。示波器所显示的波形图与数据手册中的指令时序图完全吻合，说明程序逻辑的正确性以及SHT11的稳定性。

2.2 无线数据传输实验

在对终端节点进行单步执行追踪监测的同时，通过串口助手软件查看汇聚节点的数据接收情况，得到如图12所示的结果，结果与终端节点监测数据一致，说明无线数据传输功能的实现。

图12　汇聚节点串口数据接收结果

2.3 上位机显示软件运行实验

在仓储场景中，安装放置传感器节点，连接汇聚节点，运行上位机软件，得到图13所示结果。对数据进行保存操作，并通过打开Access数据库文件查看数据内容，得到如图14的结果。

图13　软件运行窗口

图14　Access数据库中的温湿度数据表

3 结论

本文分析了WSN技术应用于物流仓储环境监测的优势和应用前景，给出了基于Zigbee技术的仓储环境监测系统的总体设计方案，对系统进行了性能测试实验。

本文设计的仓储环境监测系统在程序控制方面，终端节点采用唤醒模式，进而大量节省无线网络中各节点的能耗，延长节点的使用寿命；在数据处理方面，设计了基于堆栈思想的数据池，确保监测数据的在稳定传输的同时，具有较好的实时性。

在仓储环境中，所设计的WSN终端节点集成一体，体积较小，便于移动和安置，能够对不同的仓位进行多方位的监测；上位机显示软件，能够将各个节点的数据直观地显示出来，便于物流仓储人员对仓储环境的管理，同时也能够将这些数据存储在到数据库中。

实施过程由一个终端节点与汇聚节点的通信展开，进而到多个终端与汇集节点实现通信，构建出星型网络，在此基础上还可以进行节点的拓展开发；无线传感器节点的硬件上设计有拓展开发的IO口，可以进行多传感器的进一步开发，更全面地对仓储环境进行监测；在上位机方面，实现了显示和数据存储功能，可以在此基础上进行其他功能的开发。

参考文献：

[1] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].清华大学出版社,2005.

[2] 王青林,等.电路设计与制板:Protel 99 SE基础教程（修订版）[M].人民邮电出版社,2012.

[3] 刘炳文.Visual Basic程序设计教程[M].4版.清华大学出版社,2009.

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[5] 徐志鹏.基于ZigBee技术的智能仓储管理系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学.2011.

[6] 江峰.无线传感器网络在智能物流中的设计分析[J].通信技术. 2013,46(5):34-36.

[7] 战美玲.基于ZigBee无线传感器网络的仓储环境监控系统研究[D].山东师范大学.2012.

[8] 王璐超,等.无线传感器网络在物流中应用的关键技术与前景分析[J].物流技术.2010(03):141-143.

作者简介：张涛（1991 -），女，山西人，研究生，研究方向为物流工程。

基金项目：北京市教育委员会专项资金

收稿日期：2015-12-06