仓储管理的效率决定了企业的竞争力。传统仓储管理系统中RFID只负责采集数据而不能及时处理数据, Zig Bee技术只负责完成仓储的安防工作, 效率较低。为了解决传统数据采集和上传的瓶颈问题, 本文提出利用RFID和Zig Bee技术融合组网的方式用以提高数据的精度和传输的速度, 同时能够实现人员管理、物品信息管理, 安防等功能, 以达到高效的无线智能仓储管理系统的设计[1,2,3]。

系统总体结构如图1所示, 主要由Zig Bee传感器节点、电子标签、终端节点、协调器、上位机等组成。Zig Bee传感器节点负责各种环境报警参数的采集, 如火灾、非法入侵、可燃性气体监测等安防信息。终端节点负责读取电子标签中的位置, 参数, 人员等信息, 通过Zig Bee网络将读取的信息逐级传送至Zig Bee协调器, 协调器通过串口将数据传给上位机, 上位机经过分析处理后得到该标签的信息 (如人员及物品信息等) , 之后根据得到的信息做相应的处理。

Zig Bee传感器节点硬件结构由Zig Bee无线通信模块、传感器模块和电源模块等组成。传感器选择温湿度传感器、烟雾传感器和红外热释电传感器, 实现安防报警功能。鉴于篇幅, 本文给出温湿度传感器与Zig Bee无线通信模块的接口电路图, 如图2所示。

图1 系统总体结构图  下载原图

Zig Bee无线通信模块以CC2530芯片为核心。CC2530是用于2.4GHz、Zig Bee和RF4CE应用的一个真正的片上系统。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530芯片是支持Zig Bee/Zig Bee PRP, Zig Bee RF4CE, 6Lo WPAN, Wireless HART及其他所有基于IEEE802.15.4标准的解决方案。芯片集成了RF收发器, 增强型8051CPU, 系统内可编程闪存, 8k B SRAM和许多其他模块的强大功能, 且CC2530芯片的外围电路比较简单。ZigBee无线模块完成无线信号的收发功能、Zig Bee协议的相关操作以及控制采集、存储和处理传感器数据[4,5]。

图2 Zig Bee传感器电路设计图  下载原图

DHT11是一款具有体积小, 功耗低, 抗干扰能力强, 性价比高等特点的数字温湿度复合传感器。DHT11与CC2530之间采用单线制串行方式通信。如图2所示, DHT11的DATA引脚与CC2530的P1_2相连, 用于CC2530与DHT11之间的通讯和同步[6]。

终端节点的硬件设计是将RFID技术与ZigBee技术融合。终端节点主要由RFID射频通信模块、Zig Bee无线通信模块、电源模块等组成, 其硬件接口电路如图2-3所示。

图3 终端节点硬件电路设计  下载原图

终端节点硬件中的RFID读写模块采用CLR-C632芯片实现对电子标签的读写操作。该芯片是工作频率为13.56MHz的高集成读卡集成电路, 支持ISO/IEC14443 A/B和ISO/IEC15693三种协议。系统电子标签选择MI-STD S50和I.CODE SLI两个型号。MI-STD S50内存储仓储管理人员信息, 采用ISO/IEC14443 A通信协议;I.CODE SLI存储仓储物品信息及定位参数, 采用ISO/IEC15693通信协议[7]。

Zig Bee无线通信模块同样以CC2530芯片为核心。CC2530的主要作用是把RFID射频模块读取并处理后的数据发送至协调器, 同时将协调器发送的命令传递给RFID射频模块, 以完成对电子标签的读写操作[8]。

结合图2, 3可知, CC2530与CLRC632采用SPI方式通信。图中CLRC632的NWR、NRD接高电平, A2作为SPI通信接口的时钟 (SCK) 信号端与P0_0相连, A1始终为低电平;A0、D0分别为SPI通信数据的输入 (MISI) 输出 (MISO) 端与P0_6、P1_3相连。当CLRC632的22端口用作NSS时, 则为SPI通信方式的选通控制信号与P0_4相连。

Zig Bee传感器节点与终端节点的电源模块均采用USB供电。如图4所示, 经AMS1117模块进行稳压输出3.3V电压为CC2530提供电源, 经过TPS60111模块输出5V电压为CLRC632等提供电源。

图4 电源模块电路图  下载原图

协调器中的Zig Bee模块硬件设计与终端节点中的基本相同, 主控芯片均采用CC2530, 但在程序操作部分有所不同。

本系统是基于无线传感网络通信协议, 通过Zig Bee的自组网络功能建立的智能仓储管理系统。Zig Bee网络采用星型结构, 设备类型为协调器和终端设备, 所有的终端设备都直接与协调器通信, 网络中协调器负责网络的建立和维护。上位机与协调器通过串口建立连接, 协调器将节点组网信息发送给上位机, 同时接收上位机的数据并无线转发给网络中各个节点。图5所示为协调器与上位机的通信流程图。

鉴于篇幅问题, 本文仅介绍读取电子标签信息的软件流程。网络中终端节点的核心控制器CC2530根据协调器的指令进行判断, 通过控制CLRC632读取电子标签中信息, 将信息变成符合Zig Bee协议的数据包, 之后发送至协调器, 通信协议为IEEE.802.15.4。最后协调器通过串口将信息传送至上位机, 并将数据显示在上位机软件界面上, 程序流程如图6所示。

系统采用不同型号的电子标签与传感器组成小型的仓储管理系统网络进行测试。网络中各个节点分置于不同的位置, 以实现不同的功能。协调器通过串口与上位机建立连接, 并将节点组网信息发至上位机管理平台, 上位机管理平台显示传感器节点信息, 并将接收到的各种数据信息进行分析处理。

图5 协调器与上位机通信流程图  下载原图

图6 采集电子标签数据软件流程  下载原图

温度与湿度的实时数据采集如图7所示。不仅可以观测到当前的数据, 也可查看历史数据。根据温湿度的实时数据及设限值, 上位机通过Zig Bee自组网络做相应的处理, 如火灾, 水灾报警等。

图7 温湿度传感器数据采集图  下载原图

图8为电子标签数据采集图。当终端节点读出电子标签的ID号后, 上位机根据读取的ID号对电子标签内的数据做相应的处理, 如读取物品信息、位置参数或管理人员信息等。

图8 电子标签数据采集图  下载原图

从图9可以看出, 当有人非法经过红外线传感器时, Zig Bee传感器节点输出高电平, 经协调器传输给上位机, 上位机根据接收到的信息发出报警控制命令, 警铃响起, 实现防盗功能。

图9 红外线热释传感器数据采集图  下载原图

本文设计了一种基于RFID技术和Zig Bee技术的智能仓储管理系统。RFID技术和Zig Bee技术的融合, 使数据读取与传输效率都得到了很大提高, 系统资源也得到了充分利用。整个系统测试表明, 数据读取功能和无线通信功能, 终端节点与协调器功能正常, Zig Bee网络通信功能正常。系统能够实现对仓储的智能化管理。