基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能倉(cāng)儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理自動(dòng)化程度不高、人工依賴(lài)性等問(wèn)題，提出一種基于ZigBee技術(shù)的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理。文章給出了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)的硬件框圖及主要軟件運(yùn)行流程，并對(duì)節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：智能倉(cāng)儲(chǔ)；Z_Stack；CC2530；能耗

0 引言
    隨著現(xiàn)代物流業(yè)和供應(yīng)鏈管理理念的不斷發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)管理在物流管理中的重要性日益提高，倉(cāng)儲(chǔ)管理己成為物流管理的核心部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前我國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)管理存在自動(dòng)化程度不高、人工依賴(lài)性強(qiáng)等諸多問(wèn)題，降低了倉(cāng)儲(chǔ)管理的效率。本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，在原有倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入ZigBee技術(shù)，利用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低的特點(diǎn)，在倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)讓其自組織構(gòu)成智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。這樣能夠有效地解決傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)存在的各種問(wèn)題，同時(shí)還能夠?qū)囟?、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而構(gòu)建了智能化的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，必須選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于本倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有限，節(jié)點(diǎn)位置較為固定，因而采用了節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充、尋找路徑比較方便的樹(shù)型結(jié)構(gòu)。樹(shù)型結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備組成，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與PC機(jī)相連，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、發(fā)送PC機(jī)的指令和接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。路由節(jié)點(diǎn)作為一種中介使協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)路由通信功能，同時(shí)也可以采集數(shù)據(jù)。終端設(shè)備完成對(duì)數(shù)據(jù)的控制和數(shù)據(jù)的采集，包括溫度、濕度、空氣成分等數(shù)據(jù)。

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它負(fù)責(zé)傳感和信息預(yù)處理，響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)的指令發(fā)送數(shù)據(jù)等。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、處理器、無(wú)線通信和能量供應(yīng)等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    CC2530是TI公司生產(chǎn)的一款基于具有SOC(片上系統(tǒng))，支持IEEE802．15．4、ZigBee、ZigBee PRO標(biāo)準(zhǔn)，芯片集成了2．4GHz直接序列擴(kuò)頻RF收發(fā)器、工業(yè)級(jí)增強(qiáng)型8051微處理器、高達(dá)256kB閃存、8kBRAM、8通道12位ADC，2個(gè)USART接口，21個(gè)通用接口GPIO等，4種供電模式，具有較高的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性能，傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250kbps。
    傳感器模塊主要包括溫度傳感器和濕度傳感器。溫度傳感器采用CC2530上的模擬溫度傳感器，使能時(shí)電流消耗(不包括ADC電流)為0．5 mA，溫度系數(shù)為4．5／10℃，壓力系數(shù)為1／0．1V。濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司推出的SHT75，默認(rèn)的濕度測(cè)量分辨率為12bit，工作的最低電壓為2．4V，濕度的量程范圍0～100％RH，溫度的量程范圍為一40～123．8℃。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)的軟件以TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧Z_Stack為基礎(chǔ)，通過(guò)添加傳感器采集函數(shù)和應(yīng)用層函數(shù)完成。Z_stack可實(shí)現(xiàn)絕大部分代碼公用，大大增加了項(xiàng)目的通用性和易移植性。Z-Stack協(xié)議棧是以簡(jiǎn)單的任務(wù)輪詢(xún)形式運(yùn)行的，該協(xié)議棧的主循環(huán)結(jié)構(gòu)如下：
   
    主要任務(wù)有八個(gè)，其中macEventloop負(fù)責(zé)MAC層事件處理；nwk event loop負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層路由處理；Hal ProcessEvent完成硬件管理的任務(wù)；MT ProcessEvent模塊主要用于網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具；應(yīng)用支持子層處理函數(shù)APS event loop一般用戶(hù)不要修改；ZDApp event loop為應(yīng)用層處理函數(shù)，可根據(jù)需要修改；SennorApp ProcessEvent和SerialApp ProcessEvent為用戶(hù)應(yīng)用層處理函數(shù)，前者主要用于終端和路由設(shè)備的溫度、濕度等數(shù)據(jù)采集及發(fā)送模塊，后者主要用于協(xié)調(diào)器與主機(jī)間串口通信模塊。
3．1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要在應(yīng)用層添加SerialApp ProcessEven處理函數(shù)，協(xié)調(diào)器工作的主程序如圖2所示，協(xié)調(diào)器上電后，由啟動(dòng)代碼來(lái)初始化硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)需要的各個(gè)模塊，然后協(xié)調(diào)器會(huì)在默認(rèn)的信道上建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并指定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)PANID，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功后進(jìn)入監(jiān)控模式，當(dāng)有路由或者終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，對(duì)其分配16位短地址；當(dāng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。

    本文中協(xié)調(diào)器采用的ZStack 2．4．0版本協(xié)議，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)要進(jìn)行如下步驟：1)首先從NV中讀出設(shè)備的邏輯類(lèi)型并將設(shè)備邏輯類(lèi)型改寫(xiě)為ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR，設(shè)置設(shè)備的啟動(dòng)方式為ZCD_STARTOPT_AUTO_START；2)設(shè)備、任務(wù)初始化后，進(jìn)入事件處理函數(shù)處理ZB_ENT RY_EVENT事件，執(zhí)行zb_StartRequest()，該函數(shù)的功能是啟動(dòng)ZigBee協(xié)議棧，建立網(wǎng)絡(luò)；3)設(shè)備啟動(dòng)完成后進(jìn)去回調(diào)函數(shù)zb_StartConfir m，如果設(shè)備成功啟動(dòng)，修改設(shè)備狀態(tài)為APP START，如果設(shè)備啟動(dòng)失敗，設(shè)置定時(shí)器，重新執(zhí)行zb_StartRequest()。在與PC機(jī)通信時(shí)為了數(shù)據(jù)能夠及時(shí)收發(fā)，降低能耗，需要在程序中增加采用中斷方式的UARTO處理函數(shù)，再通過(guò)串口寫(xiě)函數(shù)HaUARTWrite()在上位機(jī)上顯示接收到的信息。
3．2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    終端節(jié)點(diǎn)需要在應(yīng)用層添加SennorApp ProcessEvent處理函數(shù)，使節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，傳感器?jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)需上電后立即搜尋并請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，直接在ZB_ENTRY_EVENT事件的處理中執(zhí)行zb_StartRequest()，新插入的節(jié)點(diǎn)必須通過(guò)已存在網(wǎng)絡(luò)中的全功能設(shè)備(包括路由器和協(xié)調(diào)器)才能成功進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，在通信范圍內(nèi)的全功能設(shè)備會(huì)響應(yīng)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，然后為該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。然后進(jìn)入“睡眠-喚醒采集數(shù)據(jù)-睡眠”低功耗工作模式，其中通過(guò)編寫(xiě)void myApp_Measure()函數(shù)來(lái)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 節(jié)點(diǎn)的能耗分析
    能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)，決定網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。為了降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的綜合能耗，本設(shè)計(jì)中終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)采用“睡眠-喚醒采集數(shù)據(jù)-睡眠”低功耗工作模式。
    下面對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池壽命進(jìn)行了評(píng)估。測(cè)試中節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)1．5V的南孚電池供電。如果使節(jié)點(diǎn)每15min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集的話，那么一次工作循環(huán)的能耗應(yīng)為節(jié)點(diǎn)采集一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量(35．58mAh)加上睡眠時(shí)的能耗(360 μAh)，試驗(yàn)中3V電池電壓下工作，電量大約是2200mAh，經(jīng)實(shí)際測(cè)試節(jié)點(diǎn)上CC2530模塊最低電壓供電量為2．0V，傳感器模塊中濕度傳感器的最低工作電壓為2．4V，因此節(jié)點(diǎn)的最低供電電壓應(yīng)為2．4V。根據(jù)文獻(xiàn)中介紹的能耗估算方法可知：電池能提供約為440mAh的電量使得節(jié)點(diǎn)有效工作，經(jīng)計(jì)算得一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以有效工作44519次，工作時(shí)間約為1．27年。

5 結(jié)論
    基于CC2530的ZigBee技術(shù)的智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程采集與管理，開(kāi)發(fā)成本低，能量消耗低，并且安裝維護(hù)比較簡(jiǎn)單，只需一次安裝就可以長(zhǎng)期使用，具備了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理中設(shè)備復(fù)雜、效率低下等問(wèn)題。