ZigBee自组网技术在第三方物流智能仓储中的应用

本文以天津滨海新区日益发展的第三方物流企业的平面仓库为应用环境, 为建立一套基于物联网概念且具备可推广价值的智能仓储解决方案。在智能仓储的RFID系统中每一个或几个RFID电子标签都需要有其对应的读写器进行信息感应, 而各组RFID读卡器也需要与服务器进行数据交换。但在仓储作业中因举升车辆需要路面光滑才可保障平稳运行, 且仓库空间挑高大、平面空间跨度广所以不便于有线布设, 必须使用无线网络实现无线数据交互。因此采用日益成熟的ZigBee技术来对RFID读卡器进行无线组网, 实现动态数据交换。

针对第三方物流仓储的作业特点及实际传输距离需要, 横向比较几种无线传输方式后, 选择基于ZigBee技术的无线自组网方案。ZigBee 自组网是基于IEEE 802.15.4 的无线通信技术, 由多到65 535个无线数传模块组成的高可靠性无线数传网络平台[1]。在整个网络范围内, 每个ZigBee数传模块间可相互通信, 各节点间距离可以从标准的75 m无限扩展, 具有使用方便、工作可靠、价格低的特点。

与其他组网方式相比, 首先ZigBee技术采用的是自组网通信方式, 每个ZigBee节点可独立工作, 一旦某个节点出现问题, 可通过其他节点传输数据, 并可随时随地将新的RFID阅读器加入网络, 不会影响全部网络的使用;若使用Wifi技术, 某AP故障会导致覆盖范围下所有RFID读卡器无法实现数据交换[2]其次, ZigBee协议栈简单, 实现相对容易, 运行ZigBee需要系统资源约28 Kb, 而蓝牙协议栈相对复杂, 需要系统资源约250 Kb;此外ZigBee 比蓝牙更为灵活, 更有利于控制系统成本[3]。

在仓储作业中根据作业流程, 需要大量数据传输节点, 数量巨大的通信设备造价及在网运行时的通信费用, 直接影响系统成本;而ZigBee技术除了首批投资成本外不会产生更多的日常使用费用。虽然ZigBee的传输速率并不快 (2.4 GHz的频段只有250 Kb/s) [4], 然而考虑到仓储作业特点, 货物托盘上的电子标签只写入货物的ID号, 字节长度通常在32 B以内, 因此不会对传输速率有过多影响, 满足正常工作条件。且ZigBee的功耗较低, 同样电源环境下, 蓝牙和WIFI的持续工作时间要远远小于ZigBee。

RFID相关协议中只规定了通信接口, 而ZigBee具有相对完善的通信组网协议, 工作频段上ZigBee可以选择2.4 GHz ISM频段 (全球通用频段) , 而RFID可工作在915 MHz或其它频段, 二者在通信频率上互不干扰。考虑仓库为室内环境, 且节点与节点之间距离较近, ZigBee模块在工作过程中可穿透一定厚度障碍, 因此信号衰减量可忽略不计[5]。通过自组织网络协议, 网络中设备之间都可以直接或间接进行无线通信, 网络的可靠性和频率利用率都非常高, 且ZigBee有比较完整的安全认证模式。

综上所述, 选择ZigBee技术作为第三方物流智能仓储中RFID系统的数据传输网络是最合适的。

一个ZigBee网络需要有中心协调器 (Coordinator) 和路由器 (Router) 两部分组成[6]。每个ZigBee网络需要且仅需要一个中心协调器, 用来创建网络, 当有节点加入时, 分配地址给子节点;而路由器负责收发数据和转发数据, 并寻找最适合的路由路径, 当有节点加入时, 可为节点分配地址, 因此一个ZigBee 网络可能需要多个路由器。当一个网络由一个中心协调器与N个路由器共同构成时, 这个网络才是真正的MESH网络, 每个节点发送的数据全部是自动路由到达目标节点。

基于ZigBee自组网技术的RFID系统, 采用MESH网络结构, 由一个主控节点和若干个子节点构成[7] (子节点数目视仓库内RFID读卡器数量而定) , 如图1所示。主控节点由服务器通过串口与中心协调器构成;子节点由读卡器通过串口与路由器构成。串口选择RS 232双向通信方式。

所有ZigBee设备启动后, 主控节点将开始组建ZigBee网络, 将所有子节点加入网络同时为各个子节点分配网络地址, 并将信息存储进数据库。读卡器采集到标签数据后, 首先把数据发送给与之连接的路由器, 路由器再把标签数据连同读卡器信息通过多跳ZigBee网络发送给主控节点进行存储, 主控节点要把阅读器的参数配置命令通过与路由器间的通信发送给阅读器, 随后库位节点设备进入省电模式;当主控节点对子节点发布命令时, 可以随时唤醒库位节点设备, 通过寻找子节点的网络地址, 然后根据网络地址将命令通过多跳网络传达给路由器, 再经路由器传给对应的读卡器, 最后由路由器向主控节点发送收到命令的确认通知。

以一个第三方物流平面仓库为例, 读卡器安装于各个货位以及仓库进出门口, 而货物随托盘进出库, 电子标签贴于托盘, 标签存储货物的ID号。用于组网的ZigBee设备选择基于TI 公司CC2530F256 芯片、且运行ZigBee2007/PRO 协议、电路已经整合好的ZigBee 模块, 它具有ZigBee 协议的全部特点。使用模块的好处在于用户不需要了解复杂的ZigBee 协议, 所有ZigBee 协议处理, 均在ZigBee 模块内部自动完成, 且节点程序均以嵌入式方式写入模块, 用户只需要通过串口传输数据即可。

其中ZigBee模块与读卡器及服务器之间遵循RS 232异步串行双向通信格式;所有的RFID读卡器及其指示灯信号均通过集线装置接在单片机上, 由单片机统一控制, 读卡器与单片机也通过RS 232串口连接。ZigBee模块与RFID读卡器以及单片机电源均在5~12 V之间, 采用标准的TTL电平。

服务器及主控ZigBee模块安装在仓库总调度室, 用于仓储作业的收发指令及正常调度;所有的读卡器及ZigBee设备均安装在仓库实际库位及仓库出入口成为单个网络节点, 所有节点组成基于ZigBee无线传输的RFID系统。由单片机控制的货位状态指示灯安装在货位上方用来提示工作人员正常仓储作业;经数据库进行处理后转化的可视化界面一方面显示在调度室的主机上, 另一方面显示在仓库中的大屏幕上供工作人员浏览, 如图2所示。

具体的进出库 (位) 数据传输作业流程如图3所示。

当仓储作业中出现其他工作流程及突发状况时, 比如库存盘点、货物库区转移、货物异位或标签损坏等, RFID阅读器通过实时感应到的信号及时唤醒ZigBee路由器, 再将信息及时传递到中心协调器交由后台数据库进行储存管理。几乎所有流程都将工作人员从传统的作业方式中解放出来, 准确的信息采集模式, 提高了系统的数据管理可靠性, 有效的防止了人为失误。

经实际运行测试, 室内环境下ZigBee模块相互间隔3 m左右, 信号良好, 正常仓储作业条件下, 服务器收到数据包时间均在20~40 ms左右, 满足正常工作条件。

一个普通的第三方仓库, 拥有货位500个左右, 则需要ZigBee模块数量也在500个左右。市场上ZigBee模块单价基本上在40~60元人民币。因此仓库内安装一套ZigBee自组网系统, 需要造价在2~3万元之间。对于大中型的仓储企业来讲, 性价比较高。但对于一些看重利润的小型仓储企业, 马上进行业务改进还是有一些难度, 因此如果不能有效控制成本, 方案便不具备可推广性。针对不同企业规模及不同仓库特点, 实际方案实施中, 可以适当减少ZigBee模块数量。比如相邻几个RFID读卡器可以通过集线装置共用一个ZigBee模块, 这样便有效地降低了成本。但随之而来的问题时, 每个ZigBee模块单次传输的数据量非常有限, 如果不能很好地解决数据顺次传输方式及传输间隔问题, 便会大大影响系统的响应速度及工作效率。不过, 相信这些问题会随着ZigBee技术的不断发展, 在不久的将来都会得到解决。