基于ZigBee的立體書庫標識與管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

作者簡介：杜娟（1989—），女，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、軟件工程、人工智能（E-mail：642061399@qq.com）；李眾立（1948—），男，四川綿陽人，教授，碩士生導師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，人工智能，軟件工程。

摘要：長久以來，中國傳統(tǒng)圖書管理系統(tǒng)只有“倉儲”的概念，沒有“現(xiàn)代物流”的概念。本文提出一種基于ZigBee技術的標識與管理系統(tǒng)，并將這一系統(tǒng)應用于現(xiàn)代書庫管理中。首先在書庫工作現(xiàn)場構建基于ZigBee技術的無線局域網(wǎng)，然后將RFID掃描得到的信號經(jīng)MCU處理后通過ZigBee通信模塊發(fā)射到工作現(xiàn)場的網(wǎng)關節(jié)點，再通過RS-232的方式將網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸?shù)綍鴰旃芾碇行姆掌鳎瑢崿F(xiàn)工作現(xiàn)場操作人員和中心服務器之間的信息實時交互與管理。

關鍵詞：現(xiàn)代物流；ZigBee；無線局域網(wǎng)；RFID

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A

1引言

科學技術的不斷前進推動著流通領域不斷的革新與發(fā)展，基于ZigBee的書庫的標識與管理系統(tǒng)融合了RFID技術、ZigBee技術和無線數(shù)據(jù)傳輸技術等，是先進的倉儲物流管理方案，保證圖書業(yè)務活動端數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，從而保證了實物流和信息流的完全一致，大大提高了書庫物流效率， 加速了書庫管理智能化的進程[1，2]。

2Zigbee 技術

Zigbee 是一種無線標準， Zigbee 的基礎是IEEE 802.15.4，這是IEEE 無線個人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network， PAN）工作組的一項標準。802.15.4 的MAC 層基于802.11 無線LAN 標準，但是它的物理層與流行的802.11b 物理層相似。ZigBee 有三個工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz， 共27個信道[3，4]。

3系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)硬件設計

在每個書架上，都有一個顯示屏和閱讀器。運用電子標簽技術建立貨物身份，運用射頻識別及ZigBee技術定位[5]每一件貨物在倉庫及貨架位置，電子標簽依靠閱讀器發(fā)送過來的載波將存儲的信息發(fā)送到閱讀器，再由內嵌在閱讀器中的ZigBee模塊，通過ZigBee網(wǎng)絡，最終傳送給作為協(xié)調器的ZigBee 模塊，從而使多臺RFID閱讀器無線連接自動組網(wǎng)或者與其他儀器、設備及不同協(xié)議讀寫器之間聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點無線采集和傳輸?shù)哪康膩韺崟r掌握圖書的物流信息，并將圖書信息及書架信息動態(tài)的顯示在書架的顯示屏上。如圖1。

采用的方法是在RFID系統(tǒng)的閱讀器同ZigBee模塊相連，來達成遠距離標識與管理系統(tǒng)。這主要有以下幾個優(yōu)點：

1）低功耗，時延小。因為ZigBee 的傳輸速率低、數(shù)據(jù)量小，因此信號的收發(fā)的時間短，在非工作模式下，ZigBee模塊又處于休眠狀態(tài)下。

2）傳輸距離較滿足實際應用。通信距離較大一般在10～100 m 內，加大發(fā)射功率后可以進一步地擴大其射頻距離，并且在實際應用中可以通過建立多跳通信后，其通信距離也會提高。

3）網(wǎng)絡容量很大。一個ZigBee 網(wǎng)絡最多可包括255 個節(jié)點，再通過網(wǎng)絡協(xié)調器將網(wǎng)絡互連，其網(wǎng)絡容量將達到很大，一個Zigbee 網(wǎng)絡可以容納最多65536 個從設備和一個主設備。

4）自組織網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)調器可以自組織網(wǎng)絡，采用CSMA/CA 方式進行信道接入。

3.2系統(tǒng)終端結構圖

書庫標識與管理系統(tǒng)終端由CPU、RAM、FLASH、液晶顯示模塊、RFID閱讀器、Zigbee 無線通信模塊、A/D 轉換器、電源裝置以及一些接口組成。其結構圖如圖2。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1網(wǎng)絡的建立及設備的加入

ZigBee網(wǎng)絡中，只有協(xié)調器可以建立網(wǎng)絡，首先協(xié)調器的應用層調用NLME_NETWORK_FORMATION.request原語，發(fā)出建立網(wǎng)絡請求，網(wǎng)絡層收到這個原語后，要求MAC層執(zhí)行信道能量掃描。然后網(wǎng)絡層管理實體發(fā)送MLME_SCAN.request原語。MAC層收到后首先通過發(fā)送信標請求命令幀開始執(zhí)行主動掃描，通過記錄每次接收到的信標幀信息，掃描可用信道網(wǎng)絡活動情況，并將掃描結果記錄在個域網(wǎng)描述符列表中，最后找到一個最優(yōu)信道。接著隨機選擇一個不與已有標識號沖突的網(wǎng)絡標識號，并選擇16位網(wǎng)絡地址為0x0000，然后網(wǎng)絡層向MAC層發(fā)送MLME_START.request原語。請求開始發(fā)送信標幀，運行新的個域網(wǎng)。網(wǎng)絡層收到個域網(wǎng)啟動狀態(tài)后，通過NLME_NETWORK_FORMATION.confirm原語將告知應用層建立要求的網(wǎng)絡狀態(tài)。最后協(xié)調器應用層通過發(fā)送NLME_PERMIT_JOIN.request原語允許設備與網(wǎng)絡連接。

子設備應用層首先設定待掃描的信道以及每個信道掃描的時間，調用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語尋找合適的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡層收到原語后，通過MLME_SCAN.request原語要求MAC層執(zhí)行主動掃描獲得目前網(wǎng)絡描述參數(shù)。完成掃描后，網(wǎng)絡層將發(fā)送NLME_NETWORK_DISCOVERY.confirm原語告知應用層。應用層根據(jù)情況調用NLME_JOIN.request原語從鄰居表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡加入。如果有多個設備滿足要求，將選擇到協(xié)調器節(jié)點深度最低的設備。網(wǎng)絡確定后，網(wǎng)絡層將請求MAC層管理實體對邏輯信道、PAN標識符等有關屬性進行配置，發(fā)送MLME_SYNC.request原語獲得它所要連接協(xié)調器的信標，實現(xiàn)與協(xié)調器的同步。然后調用MLME_ASSOCIATE.request原語到MAC層，協(xié)調器接收到連接請求后返回給子設備確認幀。協(xié)調器的網(wǎng)絡層將分配唯一的16位網(wǎng)絡地址給設備，并根據(jù)設備提供的信息在它的鄰居表中為子設備創(chuàng)建新的入口，隨后向MAC發(fā)送表明連接成功的MLME_ASSOCIATE.request原語。協(xié)調器網(wǎng)絡層將通過向應用層發(fā)送NLME_JOIN.indication原語表明設備已經(jīng)成功同網(wǎng)絡連接。設備的MAC層收到來自協(xié)調器的連接響應命令幀后，通過MLME_ASSOCIATE.confirm原語發(fā)送給設備應用層表明加入成功，設備的網(wǎng)絡層將在鄰居表中設置邏輯地址信息。如圖3。

4.2網(wǎng)絡的整體結構的設計

本系統(tǒng)是基于IEEE802.15.4技術標準的ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議[6，7]與RFID相結合的無線標識與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)中匯集了大量的ZigBee節(jié)點和RFID節(jié)點，需要采用混合組網(wǎng)的結構才能覆蓋較為廣的范圍。為了減少整個網(wǎng)絡的功耗，保證網(wǎng)絡中各節(jié)點的壽命，把節(jié)點分為四種類型，四種類型的節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，分別采取不同的數(shù)據(jù)包轉發(fā)方式，從而達到降低能量消耗的功效。把網(wǎng)絡中的節(jié)點分成四類：協(xié)調器（Coordinator）、RN+（RN：RoutingNode）、RN-和RFD。中心協(xié)調器、RN+以及RN-都是屬于FFD節(jié)點。使用AODVjr路由算法的節(jié)點是RN+和中心協(xié)調器，使用ClusterTre算法的是RN-和RFD節(jié)點。中心協(xié)調器的主要作用是建立一個新的網(wǎng)絡，給新網(wǎng)絡設定相關的參數(shù)以及多網(wǎng)絡中的節(jié)點進行管理，同時會存儲網(wǎng)絡節(jié)點中的一些相關信息等。當網(wǎng)絡形成后，中心協(xié)調器還能夠給其他節(jié)點充當路由節(jié)點。一般情況下由于中心協(xié)調器的重要性，采用的是持續(xù)的交流供電系統(tǒng)。而終端的RFD節(jié)點只是負責收集數(shù)據(jù)等信息，所以能夠降低ZigBee網(wǎng)絡能量消耗的策略主要還是是針對RN+和RN-節(jié)點。

5系統(tǒng)的測試

5.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可行性測試

先由ZigBee主節(jié)點組織一個網(wǎng)絡，然后將與讀寫器相連的ZigBee終端節(jié)點加入到網(wǎng)絡中。之后，ZigBee終端節(jié)點與ZigBee主節(jié)點之間就建立了點對點的數(shù)據(jù)傳輸關系。然后就可以把射頻卡放到讀寫器天線輻射的范圍內（經(jīng)過測試為76mm），再檢測上位機是否可以對射頻卡內的信息進行控制[8]。

在實驗前，首先要連接好硬件電路，做好以下工作：

1）將讀寫器應用程序寫入STC89C52單片機中；

2）將ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸主節(jié)點和終端節(jié)點的應用程序分別通過CC2430、CC2431仿真器下載到各自的微處理器中；

3）開啟上位機監(jiān)控程序。

首先在ZigBee主節(jié)點上通電，先讓其建立一個網(wǎng)絡，然后給ZigBee終端節(jié)點和讀寫器通上電源，讓其加入由主節(jié)點創(chuàng)建的網(wǎng)絡中。將射頻卡放到讀寫器輻射范圍內，分別點擊上位機程序的尋卡、防沖突、選擇按鈕，如果均出現(xiàn)“成功”表明選擇射頻卡成功，如出現(xiàn)“失敗”說明讀寫器出現(xiàn)異常或者射頻卡沒有在天線區(qū)域范圍內。然后，就可以對射頻卡進行讀寫操作。

5.2系統(tǒng)無線傳輸距離的測試

由于本文的創(chuàng)新點就是利用ZigBee無線技術來實現(xiàn)RFID讀寫器與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此ZigBee無線傳輸距離是非常重要的[9]，表1是分別在空曠的實驗室數(shù)據(jù)傳輸距離和在有障礙物的實驗室條件下數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。

通過表1我們看出開放空間條件下ZigBee無線通信技術傳輸數(shù)據(jù)的距離和在有障礙物條件下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x的差距還是很大的，而且在開放空間的條件下無線傳輸?shù)木嚯x十次測量的數(shù)據(jù)差別不大，而在有障礙物條件下，差別就比較大。原因可能因為具體環(huán)境比較復雜，無線信號受到的影響比較大，因此測試的結果數(shù)據(jù)差別相對比較大。所以在現(xiàn)實應用中，要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的條件來放置主節(jié)點，這樣才能順利的完成傳輸數(shù)據(jù)。

6結束語

用ZigBee無線技術來實現(xiàn)RFID讀寫器與上位機之間數(shù)據(jù)傳輸，理想情況下傳輸距離可達50多米，如果再加大功率，數(shù)據(jù)無線通信距離可以更長，而且數(shù)據(jù)傳輸時沒有方向限制，設備安裝時也不需要布線，可支持多達上萬個節(jié)點，極大的增加了識別系統(tǒng)的靈活性。由于ZigBee技術的穩(wěn)定性還沒有通過現(xiàn)實應用的嚴格考驗，所以ZigBee無線通信技術走向成熟并大量應用到現(xiàn)實中還需時日。但是，ZigBee技術和射頻識別系統(tǒng)的結合是大勢所趨，隨著信息技術的不斷發(fā)展，兩者相結合后的優(yōu)勢將更為突出，基于ZigBee技術的物流標識系統(tǒng)將得到更好的應用。

參考文獻

[1]康東，石喜勤，李勇鵬.射頻識別核心技術與典型應用開發(fā)案例[M].北京：人民郵電出版社，2008：25-86.

[2]吳迪，龍兵，劉震.電子設備診斷系統(tǒng)中RFID系統(tǒng)與ZigBee網(wǎng)絡混合組網(wǎng)的設計與實現(xiàn)[J].電子元器件應用，2011，4

[3]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社.2009.6：48-50.

[4]ZigBee Wireless Networking Overview[J].Texas Instrument.2008.

[5]金春，羅祖秋，羅鳳，陳前斌.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[6] XiaohuiLi，kanglingFang， Jinguang Gu et al.An ImProved ZigBee Routing Strategy for Monitoring System[C].First International Conferenee on Intelligent Networks and Intelligent，2009：255-258.

[7]Jennic ZigBee Stack UserGuide[S].JN-UG-3017Revision1.4.2007.5

[8]劉雅舉，蔡振江，張莉等.基于射頻芯片的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計[J].微計算機信息，2007，22：42-49.

[9] 張育琪，基于ZigBee技術的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.