基于ZigBee技術的物流監(jiān)控設計

摘要：為了對物流行業(yè)快遞實施有效監(jiān)控，采用ZigBee技術與GPS、GPRS、RFID相結合的方法，給出了車載終端的整體硬件結構框架的設計方法，并對SPI接口和Z-stack協(xié)議等關鍵技術作了分析，從而實現(xiàn)了運輸途中對快遞的實時定位、跟蹤和監(jiān)控。
關鍵詞：ZigBee；GPS；GPRS；RFID；SPI；Z-stack協(xié)議

0 引言
    目前，我國快遞行業(yè)高速發(fā)展，但是，面對重大節(jié)日出現(xiàn)的快遞壓倉以及遺失的現(xiàn)象層出不窮。在這種情況下，快遞的安全、遺失問題以及人們對自己網(wǎng)購物品的信息關注度就變得越來越突出。相對應的，科學技術事業(yè)也在不斷地向前發(fā)展。近年來，在無線個域網(wǎng)WPAN技術領域，各種標準的技術在競相發(fā)展，而這些不同技術的產(chǎn)品之間既有競爭又有互補。ZigBee正是在這種無線技術蓬勃發(fā)展的環(huán)境中應運而生的。在其他無線通信技術不斷追求高速率、遠距離的今天，ZigBee卻向著低速率、近距離的方向邁進，其目的就是為了大幅度降低無線終端的成本及功耗。
    ZigBee／IEEE 802．15．4標準為無線傳感器網(wǎng)絡提供了互聯(lián)互通的平臺。所以，應用ZigBee技術既可以通過對車輛的監(jiān)控來有效加強對快遞的跟蹤及監(jiān)控，又能大大降低功率消耗和開發(fā)成本。

1 ZigBee硬件方案
    ZigBee顯著的特J點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡拓撲結構。ZigBee系統(tǒng)一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集的信息包括溫度、濕度、光強度、位置信息等；數(shù)據(jù)處理模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數(shù)據(jù)傳輸模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收取采集數(shù)據(jù)；電源管理模塊可以采用蓄電池，以方便節(jié)點的布置。
    本文設計的方案采用串行通信模塊，把RFID讀取快遞的標簽信息、GPS模塊收集到的經(jīng)緯度信息以及其他節(jié)點發(fā)來的信息，通過GPRS以聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)送出去，或者接收服務器端發(fā)來的控制命令監(jiān)控快遞。通過ZigBee的協(xié)議棧架構，用SPI接口把GPS、GPRS、RFID等通信模塊與數(shù)據(jù)處理單元MCU連接起來，設計出的方案具有物流的定位、防盜防遺失、報警等功能，既可以很好地跟蹤監(jiān)控快遞，緩解人們心理上對自己財產(chǎn)的擔憂，又可以大幅度地降低系統(tǒng)功耗，從而使得無線傳感器網(wǎng)絡平臺的產(chǎn)業(yè)化成為可能。

2 車載終端硬件設計與實現(xiàn)
    車載終端采用RFID技術實現(xiàn)對車廂內(nèi)物品的智能監(jiān)控。通過GPRS聯(lián)網(wǎng)和GPS定位，服務器端可對物品進行定位查詢與報警。圖1所示為本終端的整體硬件結構框圖。

2．1 MCU的選用
    CC2530是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)。它支持2．4 GHz IEEE802．15．4／ZigBee協(xié)議。CC2530片上系統(tǒng)的功能模塊集成有CC2530RF收發(fā)器，并增強了工業(yè)標準的8051MCU，256 KB的FLASH，64 KB的SRAM等高性能模塊，同時內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧。加上超低能耗，使得它可以用很低的費用構成ZigBee節(jié)點，具有很強的市場競爭力。
2．2 電源模塊
    本系統(tǒng)電源采用LM2576S系列的穩(wěn)壓器，LM2576S系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關穩(wěn)壓器的各種功能，可以驅(qū)動3 A的負載，并具有優(yōu)異的線性和負載調(diào)整能力。圖2所示為系統(tǒng)電源接口電路。

    該電源的輸入為12 V蓄電池，并能夠?qū)⑤敵鲭妷赫{(diào)節(jié)為3．3 V和5 V。其中，3．3 V給CC2530供電，而5 V則提供給GPS，GPRS模塊使用。
2．3 GPRS模塊接口
    GPRS采用分組交換技術，并對無線資源和網(wǎng)絡資源的利用進行了優(yōu)化，可靈活地分配GPRS無線信道分配。目前，GPRS為每個用戶提供了較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸速率甚至可以高達171．2 Kb／s，而當前的GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率只有9．6．Kb／s。
    車載GPS設備主要完成系統(tǒng)通信。通過GPS接收機計算得到運動車輛的經(jīng)緯度坐標位置，然后通過GPRS模塊把物品的坐標位置以及RFID信息和報警發(fā)送到監(jiān)控中心。本設計選用的模塊為ZHD122AX，可以根據(jù)外界設置定時檢測是否處于通訊狀態(tài)。如果長時間停止通訊，設備將重新復位連接。圖3所示為系統(tǒng)中的GPRS接口電路。

2．4 GPS模塊
    GPS模塊采用臺灣品牌公司(Holux)長天出的GR-87型號芯片。GR-87系列產(chǎn)品采用美國瑟孚(SiRF)第三代芯片組，并采用低噪聲放大器技術和專用軟件。
    圖4所示是GPS的接口電路圖，GPS提供的外部接口是串口。由于CC2530既要與GPS通訊，還要和GPRS、RFID和FLASH交換數(shù)據(jù)，所以，GPS使用的USART1要在串口模式和SPI模式間切換達到復用目的。SC16IS752可以將SPI接口轉(zhuǎn)換成兩個串口，其中一個供GPS使用，另外，當GPS
工作時，還需要通過三態(tài)緩沖器SN74HC125n來控制輸入輸出。因此，當輸出使能(OE)端為高時，對應的輸出端將被禁用。本設計就是采用此特性來控制GPS的輸入和輸出的。

    GPSGR-87模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采用異步串行方式。字符長度為8位，1位停止位，無奇偶校驗位，波特率為9 600 b／s。其中，波特率是進行串行通信的一個關鍵參數(shù)，為確保串行通信的成功，通信雙方必須使用相同的波特率。如果傳輸速率的誤差超出允許的范圍，將產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)的錯碼和漏碼，從而導致整個通信的失敗。
2．5 RFID模塊
    終端采用泰格瑞德公司研制的RFID FR1001讀寫器。FR1001讀寫器是主要面向消費類市場的產(chǎn)品，它能以HF讀寫器同樣的價格水平和體積提供完整的UHF讀寫器功能，可支持主要的UHF RFID標準，并支持讀寫、抗沖突等操作，同時提供用戶API函數(shù)庫。
    上位機的請求或設置指令通過GPRS模塊發(fā)送到CC2530進行集中處理，然后采集相應的RFID數(shù)據(jù)，這樣，快遞就能被實時監(jiān)控了。一旦RFID查詢不到快遞上貼的標簽號，則表明該快遞已經(jīng)遺失。
2．6 擴展的FLASH接口
    為了更好地管理信息，系統(tǒng)中還增加了一個日志功能，能夠查詢近期的所有操作。由于ZigBee內(nèi)部的51單片機的內(nèi)存不能滿足車載終端日志的存儲量，因而需要外加一個FLASH來存儲操作日志。
2．7 報警電路
    如果上位機通過GPRS發(fā)送命令查詢物品的標簽號或者經(jīng)緯度坐標，讀取不到該物品的信息或者物品的位置不在指定的地理區(qū)域內(nèi)，則會報警提醒工作人員注意。圖5所示為系統(tǒng)報警電路。

3 關鍵技術分析
    由于CC2530只有兩個串口，所以，本設計利用SPI接口主設備可以與多個從設備同步通訊的特性，使用CC2530作為主設備，GPS、RFID和FLASH作為從設備來完成數(shù)據(jù)的交換。
    ZigBee的協(xié)議架構是建立在IEEE 802．15．4標準之上的，基于Z-stack協(xié)議棧，底層中是各個設備的驅(qū)動程序，如GPS、GPRS、RFID、報警電路等模塊的驅(qū)動程序。應用層用于完成各個模塊的應用信息處理，如GPRS、GPS數(shù)據(jù)的解析等。
3．1 SPI接口
    SPI接口由SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCK(串行移位時鐘)和CS(從使能信號)四種信號構成。CS決定了唯一的與主設備通信的從設備，主設備通過產(chǎn)生移位時鐘來發(fā)起通訊。通訊時，數(shù)據(jù)由SDO輸出，SDI輸入，數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿由SDO輸出，在緊接著的下降或上升沿，由SDI讀入，這樣，經(jīng)過8／16次時鐘的改變，就可以完成8／16位數(shù)據(jù)的傳輸。
    考慮到GPS可以隔一定時間采集一次位置信息，因此，GPS的串口與SPI接口可進行切換，SPI接口用于主控器與FLASH之間的通信，或者與RFID讀寫器之間通信。當GPS工作時，CPU的UART串口接到GPS的接口上，用于采集位置數(shù)據(jù)；當CPU需要存儲信息時，CPU將該接口切換為SPI，與FLASH進行數(shù)據(jù)傳輸；當RFID模塊工作時，CPU通過SPI接口采集RFID讀取的標簽信息。
3．2 Z-Stack協(xié)議
    Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構建，可采用事件輪循機制。當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式；當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件；結束后，繼續(xù)進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，則判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗。整個Z-stack的主要工作流程，大致可以分為系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化、OSAL初始化和啟動、進入任務輪循等幾個階段，圖6所示為Z-stack系統(tǒng)流程圖。

    系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行硬件的初始化，初始化完成之后，執(zhí)行函數(shù)開始運行OSAL系統(tǒng)。事先應當安排好GPS、GPRS、RFID、報警事件的優(yōu)先級。該任務調(diào)度函數(shù)按照優(yōu)先級檢測各個事件是否就緒。如果存在就緒的任務，則調(diào)用相應的任務處理函數(shù)去處理該事件，直到執(zhí)行完所有就緒的任務。而如果任務列表中沒有就緒的任務，則可使處理器進入睡眠狀態(tài)實現(xiàn)低功耗。

4 結語
    將ZigBee技術與GPS、GPRS、RFID等通信技術相結合設計的車載終端系統(tǒng)簡單可行，體積小、功耗低，運行穩(wěn)定。結合上位機軟件，并根據(jù)快遞對應的標簽號，不僅可以管理快遞，而且每個用戶都可以登錄系統(tǒng)查看快遞的具體地理位置，在心中有個大致印象，從而給人們的生活習慣帶來便利。