基于ZigBee的仓库数据传输网络

刘 军，谢 磊，齐 华

(①武警工程学院 军事通信与装备运输重点实验室，陕西 西安 710032；②西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032)

0 引言

现代化仓库的管理和维护日益繁重，仓库中的大量仓储物流信息[1]需要及时的统计、汇总至仓库管理中心。仓库数据信息的采集工作已经渐渐由人工方式改为各类数据采集终端。相比传统手工记录方式，数据采集终端改变了传统人工记忆和手工录入的低效率工作流程，节省了时间和成本，降低了出错率。但是采集终端的数据传输方式仍然停留在有线阶段。现有的无线网络也是专网专用，致使新设备需要新网络的支持，造成网络间干扰和网络布设成本的提高。该课题提出基于ZigBee的仓库数据传输网络，利用ZigBee传输数据量小、面向数据突发性传输、可灵活的组成各种网络[2]等特点，提高了数据采集终端的使用灵活性，同时避免了数据采集终端设备添加带来的入网繁琐问题。

1 仓库数据传输网络总体设计

仓库数据传输系统的设计是基于 ZigBee标准的无线传输网络。在ZigBee网络拓扑结构中，定义了3种设备对象，分别是ZigBee协调设备、ZigBee路由设备和各类采集终端。ZigBee网络根据应用需要可组织为星型网络、树型网络和网状网络。仓库数据传输要求网络可靠、稳定，因此该设计采用能够减少数据传递延时，增加数据分流，从而提高了网络运行稳定性的网状网络拓扑[3]。整体架构如图1。

图1 仓库数据传输网络结构

其中协调器设备功能为：负责整个网络的初始化，确定ZigBee网络的 ID号，提供数据校正、融合等处理[4]；通过串口与仓库管理中心上位机进行数据通信；选择不同编号的子节点进行数据监测。

路由设备在网络中实现路由中继的作用，实现 ZigBee网络的多跳[5]功能。

该课题将仓库中采集终端分为两类：仓库货物信息采集终端、仓库环境信息采集终端。其中仓库货物信息采集终端功能为：完成仓库货物出、入库的自动记录和传输以及库存货物统计结果的传输；子节点低电压报警。仓库环境信息采集终端功能为：完成仓库环境信息的自动采集和传输。

2 仓库数据传输网络硬件设计

2.1 仓库数据传输网络协调器硬件设计

仓库数据传输网络协调器是网络的核心，由CC2430、RT9002、LED、电源电路、串口电路等组成。CC2430通过RS-232和仓库管理中心通信，RS- 232的TXD/RXD端分别接CC2430的P0.3/P0.2端口。状态指示灯接CC2430的P2.0口，当模块初始化完成后，状态指示灯亮。表明协调器工作正常，节点可以通过射频模块接入网络，然后进行数据的传输与接收。网络协调器的电源供应为市电，不需要更换电池，而且不必担心协调器电源耗尽。市电经变压器转换为6～12 V直流电，然后送RT9002芯片转换成3.3 V直流电供网络协调器使用。天线设计要注意阻抗匹配，CC2430射频输入、输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω[6]，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。硬件部分原理图如图 2。仓库数据传输网络路由器硬件结构和仓库数据传输网络协调器相同，只是不含串口通信模块。

图2 协调器硬件电路结构

2.2 仓库数据网络终端设备硬件设计

仓库数据传输网络终端由CC2430、数据采集终端、液晶屏、RT9002、LED、电源电路等组成。该课题的两类数据采集终端不同在于前端数据采集模块，仓库货物信息采集模块输出为数字信号，直接连接到CC2430的IO口，仓库环境信息采集模块输出同时具有模拟信号和数字信号，模拟信号连接到 CC2430的 A/D接口，通过设置 ADC输入配置寄存器ADCCFG来选择P0.0～P0.7为A/D输入口，数字信号接I2C或GPIO口。液晶屏选用SM160160-34ZB57，通过SPI接口连接到 CC2430。终端采用电池供电方式，5 V锂电池经XC6221A302MR降压至3.3 V供终端节点使用。终端设备硬件部分原理图如图3。

图3 终端设备硬件电路结构

3 仓库数据传输网络工作流程

仓库传输网络工作流程分为五部分：仓库数据传输网络的建立、终端设备的入网、待传输数据的产生、待传输数据的发送、传输数据的接收。

协调器、路由器上电后，建立网络；然后终端节点可以在库区任意位置接入网络；货物出、入库时，货物信息采集终端会记录下出、入库货物的相关信息和出、入库时间，仓库环境信息采集终端会定时采集仓库内温度、湿度、加速度、光敏等信息，这些信息按指定格式形成待传输数据；待传输数据产生后，终端设备会通过仓库传输网络将数据发送至协调器；协调器收到数据后通过 RS-232发送到上位机；上位机收到仓库货物数据后，会确认出、入库货物是否正确，校验无误后上位机储存货物出、入库信息，如果出错会请求终端重发，上位机收到仓库环境数据后，与设置的环境参数阈值进行比较，当某项参数超出阈值时会发出报警信息。在没有数据传输的情况下，各节点进入睡眠状态，等待下一轮数据传输的开始。基于 ZigBee的仓库数据传输网络整体工作流程如图4。

图4 网络整体工作流程

3.1 仓库传输网络的建立

网络协调器上电后，进行初始化，ZigBee协调器设备应用层生成原语NLME-NETWORK-FORMATION.request，发送给它的网络层管理实体，请求初始化设备，并将自身作为ZigBee协调器。NLME-NETWORK-FORMATION.request原语中含有两个参数：ScanChannels和 ScanDuration。第一个参数用来指示准备新建网络时要扫描的信道。第二个参数用来计算扫描每个信道时持续的时间。网络层收到原语后，就要求MAC层在指定的信道上执行信道能量扫描，调用 MLME一SCAN.request，主要找到信道能量低于设定能量值的信道，并且标注这些信道是可用信道，下一步就在可用信道中执行主动扫描(ActiveScan)，完成主动扫描后，NLME接收到MAC子层发送的扫描证实原语 MLME-SCAN.confirm，选择一个合适的信道。如果上层指定了PANId参数，NWK层要确认指定的PAN标识与选定信道上已经运行网络的PAN标识不冲突。随后 NLME向 MAC子层发出 MLME-START.request原语。MLME-START.request原语中的PANCoordinator参数设置为TRUE。收到MLME-START.confirm证实原语后，NLME向上层发送证实原语 NLME- NETWORK-FORMATION.confirm，该原语的状态等于 MLME-START.confirm原语的返回状态。当返回值为SUCCESS时网络建立成功。

NLME-START-ROUTER.request原语用来初始化成ZigBee路由器，或用来重新配置一个 ZigBee路由的超帧。为了初始化一个新路由器，NLME向 MAC子层发送 MLME-START.request原语。当且仅当 MLME-START.confirm返回状态为SUCCESS时，设备才履行ZigBee路由器的职能。

3.2 终端设备入网

网络建立成功后，终端节点可在网络的随机位置[7]发送入网申请，若请求没有被接受，判断是否手动按下取消键，如果按下则退出入网，否则继续请求入网。部分源码如下：

3.3 待传输数据的产生

采集终端获取的被传送数据分为两类：仓库货物信息、仓库环境信息。仓库货物信息主要包括：货物名称、存储要求、产地、类型名称、型号、材质、生产厂家、出（入）库时间，数据量超过70字节；仓库环境信息为温度、湿度、气体浓度等，数据长度为2字节。两类信息存储在如下结构体中：

仓库环境信息为2字节，因此传输仓库环境信息只需要一个数据帧；仓库货物信息数据量超过 70字节，因此需要多个数据帧传输，上位机在收到全部数据帧并判断数据正确后，才能对数据做出应答，这样既费时又不符合 ZigBee传输数据量小的特点。分析仓库货物信息特点，一批货物的属性是相近的，在信息传输前做比较，相同属性项合并只占用一次内存，保证一个数据帧传输一条货物信息，有利于上位机及时进行处理和应答。而且CPU做数据比较的时间比数据发送时间短，耗费能量比发送能量低，因此该方法不但提高了传输速率也降低了系统能耗。部分源码如下：

3.4 待传输数据的发送

数据产生后调用发送函数 SC_ZBSend，通过仓库数据传输网将信息传输到协调器节点。部分源码如下：

3.5 传输数据的接收

协调器收到数据后，通过串口发送给上位机。上位机通过增设3G或GPRS设备，可以提供与外部数据网之间的传输通路[8]，进行仓库数据的远距离传输。

4 结语

该课题所描述的基于ZigBee的仓库数据传输网络系统，布设成本低，抗干扰性强，功耗低，能够为仓库提供实时网络覆盖，实现了现代仓库各类采集数据到仓库监控中心的无线交互。通过 ZigBee网络的灵活性，各类采集终端能够迅速接入网络，监控中心能够有效获取仓库的货物出入库数据和仓库环境数据，省去了仓库管理人员统计后上报的时间。应用表明该网络提高了仓库管理的效率。

[1] 韩金鲁.基于ZigBee技术的智能仓储系统的研究[D].山东：山东大学，2008.

[2] 柴争义，徐红，朱思峰.无线个域网实现技术研究[J].通信技术，2009，42（04）：183-186.

[3] 宁炳武.ZigBee网络组网研究与实现[D].大连：大连理工大学，2007.

[4] 赵辉，贾志成，陈雷，等.基于ZigBee技术的建筑节能检测系统设计[J].通信技术，2009，42（08）：183-186.

[5] 瞿雷，刘胜德，胡贤斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天出版社，2007：22-23.

[6] 梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010，18（02）：15-18.

[7] 陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京:电子工业出版社，2009.

[8] 李宏佳.嵌入式ZigBee网络的研究应用及其与Internet的融合[D].青岛：青岛科技大学，2008.