基于ZigBee無線網絡的立體倉庫自動化物流控制系統

馬翔

摘要：提出了基于zigbee無線網絡技術的立體倉庫自動化物流控制系統設計方案，該方案采用了星形控制結構，上位機采用了工控機，其他工控機設置為從機，從而構建成星形結構的立體倉庫自動化物流控制系統.為了有效提高星形控制網絡模型中堆垛機的尋址精度，還提出了堆垛機的二維模型，并進行了Matlab仿真分析，基于zigBee無線網絡的立體倉庫自動化物流控制系統方案具有系統規?？烧{整，布置靈活的特點，用戶能方便地設置和改變控制要求，使得立體倉庫物流控制系統更加智能化，簡易化，有效的提高了作業效率。

關鍵詞：zigBee，物流，倉儲，智能控制

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.013

中圖分類號：11P391.44；TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0067-06

0.引言

在當今世界，改造物流結構，降低物流成本已經成為市場競爭中企業取勝的重要方法.倉庫物流為了能夠適應生產的需要，開始向自動化控制的方向進行演變.由半自動化和全自動化組成的現代倉庫物流系統包括了由物流管理軟件、智能物流設備和控制系統組成.物流系統在國外的設計，往往采用布局規劃的方法，美國維吉尼亞理工大學的De LaCruz提出了一種預測控制的方法，該方法根據有關信息智能預測，實時采集有關信息，可能故障出現的情況，以此降低物流系統人工操作造成的各種失誤，在我國，北京機械工業自動化研究所設計了一條六萬噸級的自動化物流輸送系統，是一套針對玻璃纖維各條生產環節和生產工藝的自動化物流輸送解決方案；沈陽理工大學機械工程學院王霄，段智敏等開發了一種自動化存儲系統，該系統由PLC作為控制核心，適應不同規模的生產線的需要能夠進行存儲和擴展；徐仰高等，利用現場總線和網絡組建的物流系統也多有報導。

目前，我國多數的物流控制系統，還以有線的控制方式為主，存在擴展和結構調整不方便的缺點.本文針對該問題提出了一種基于Zigbee無線網絡技術的立體倉庫自動化物流控制系統設計方案，該方案采用了星形控制結構，上位機采用了工控機，其他工控機設置為從機，從而構建成星形結構的立體倉庫控制自動化物流控制系統.為了有效提高星形控制網絡模型中堆垛機的尋址精度，本文還提出了堆垛機的二維模型并進行了Matlab仿真分析。

1.無線ZigBee通信的原理

1.1 Zigbee概述

ZigBee是低功耗局域網協議，其基于IEEE802.15.4標準。

ZigBee技術與其他無線通信技術相比，其具有的優勢主要體現在以下方面：

①可靠性高：能夠在數據發送時采用碰撞避免機制，從而能夠避免出現沖突或者混亂，②安全性高：能夠提供使用訪問控制清單、安全設定的三級安全模式，③網絡容量大，可以容納最大65000個節點，可容納255節點在一個協調器中，龐大通覆蓋范圍達到75m，采用功率放大能夠達到幾公里覆蓋.④成本低：易于開發、協議簡單免費，硬件模塊便宜.⑤覆蓋范圍廣：覆蓋范圍達到75m，采用功率放大能夠達到幾公里覆蓋。

因此ZigBee技術很適用于監控的網點多，需要進行數據采集；要求設備成本低，并且數據傳輸量不大；要求安全性高，數據傳輸可靠性高；充電電池不便放置，設備體積很小無法采用大的模塊；地形復雜，電池供電；需要網絡大面積的覆蓋等情況下組建立體倉庫的自動化物流控制系統。

1.2 ZigBee通訊控制協議

Zigbee的協議棧結構是依據IEEE 802.15.4構建的，ZigBee通訊控制協議由多個層次組成，每個層可以提供特定的服務給上一層，從下往上依次是物理層，MAC層，網絡安全層，應用支持子層，應用層.如圖1所示ZigBee通訊控制協議層次結構。

物理層是協議的最底層，承擔與外界直接作用的任務，應用層可以提供一些應用框架模型為Zig-bee技術的實際應用，對Zigbee技術能夠進行開發和應用，其開發應用框架需要根據不同的應用場合來調整.應用支持層在多個器件之間根據服務和需求進行通信，網絡層主要應用在WPAN網的組網連接，以及Zigbee的無線個人區域網的網絡安全，以及數據管理，MAC層負責維護、建立和結束設備問的無線數據鏈路，對于模式數據接收和傳送進行確認。

2.智能物流控制系統架構分析

自動化立體倉庫是智能物流控制系統的核心部分，在商業物流和在企業物流中，成品和原材料都需要倉儲中心，為了有效、合理的利用倉儲中心的空間，所有企業都會采用大型立體倉庫，這種倉庫非常龐大，面積有的長達幾百平方米，由多個巷道式堆垛機和幾十列貨架組成，并且還有出入貨臺和出入庫流水線，倉庫中的貨物可以快速的定位，還可以高效的進行盤點、移庫、入庫、出庫操作。

立體倉庫自動化物流控制系統中的堆垛機是非常重要的運輸設備，隨著立體倉庫的出現，巷道式堆垛機也快速的發展起來，在高層貨架的巷道內它的主要用途是可以進行往返運行，貨物可以存入貨格，也可以取出貨格內的貨物，并且運送到巷道口，其責任包括盤庫、出庫、進庫等操作。

堆垛機的核心控制系統結構如圖2所示，堆垛機的核心控制系統通常采用嵌人式運動控制器+交流伺服電機的驅動形式，內置堆垛機控制程序采用了一體化設計，包括了運動控制器和嵌入式計算機.流水線上光電開關利用PLC來實現流水線的信號檢測，并且還可以通過各個行程開關進行邏輯的控制。

3.基于ZigBee無線網絡的立體倉庫

自動化物流控制系統構建方案

3.1Zigbee星形控制網路的設計

ZigBee網絡中一般有3類設備.一是網絡協調器，是網絡的中心節點，它的作用是尋找節點問路由信息、管理網絡節點、發送網絡信標、存儲網絡節點信息、不斷接受信息，從而構建通信網絡，二是指全功能設備，是網絡中的路由，擔任網絡協調者，形成網絡，便于其它節點問的連接，三是功能設備，在網絡中屬于終端節點，只能和全功能設備之間收發信息。

本文提出的Zigbee星形控制網絡采用四塊Zig—bee模塊，分別作為1個協調器和3個終端.通過上位機的COM串口，上位機和協調器通過USB口轉串口的方法進行連接控制。Zigbee終端1和導航小車工控機相連，Zigbee終端2和機械臂工控機相連，Zigbee終端3直接做在信號采集板上，直接連接壓力開關板上的銅導線.上位機把壓力開關采集板上采集到的信號進行無線數據傳輸，自動導航小車工控機，上位機和機械臂工控機相互通信，上位機可以給自動導航小車工控機和機械臂工控機發送指令，自動導航小車工控機和機械臂工控機可以回饋信息.立體倉庫自動化物流控制系統網絡結構如圖3所示。

Zigbee網絡中的協調器節點作為核心節點，在Zigbee網絡中每個節點設備都必須有一個唯一的協調器，起到了在Zigbee傳感器網絡中的主導作用。協調器功能由全功能設備實現，在整個網絡中協調器設備具有網絡的管理者和構建者的作用，負責選擇網絡的信道，加入、退出和建立節點。

在新的網絡建立時，協調器創建源端點必須告知目標端點，通過鏈路協議在它們之間進行端點綁定的定義，遠程網絡作為綁定過程的一部分，協調器會請求修改其綁定表，類似于設備管理器的節點，在多個端點之間協調器節點維護邏輯鏈路的綁定表，包含兩個以上的節點，根據其源端點每個鏈路需要進行群集的定義，收到網絡命令設備請求接入，網絡協調器需要判斷其加入自己的網絡是否允許，如果允許那么就需要分配該網絡地址給這個設備，該地址是16位的，并且是網絡中唯一的，也可以是64位的地址其是設備本身具有的。

本文研究的Zigbee協調器和終端均采用以CC2430為核心的DTD243A模塊，編寫程序采用了Zigbee協議棧，為了相互交換信息，從機和上位機需要遵從Zigbee協議棧協議和串口通信協議，并且需要制定三方的通信協議，這樣就可以辨別自己應該執行的操作指令，從而方便接收到對方的信息.

軟件設計流程如圖4所示，在Zigbee終端1上電后進行系統初始化，在從機1界面上顯示初始化信息.上位機協調器在加入網絡時需要等待終端，如果已經上電復位，那么終端1就需要進行復位，這樣就可以加入網絡，相應的網絡短地址也需要協調器分配給終端1.成功加入網絡后，在主從機之問如果沒有信息傳遞，那么就需要偵聽，在遇到請求時，需要判斷是否主機在給從機發送數據，滿足條件的話從機就可以接收數據并顯示出來，加入時從機給主機發送數據，主機接收后并顯示出來。

設計Zigbee終端2軟件的方法，與Zigbee終端1的自動導航小車有相同的地方，最大的區別是Zigbee協調器在兩者加入網絡時短地址需要進行動態分配.上位機采用單播方式，在Zigbee通信界面中，上位機與從機通信時，需要在從機地址中進行選擇，上位機在建立通信后，與其它的從機不能進行操作.每個Zigbee協調器為了能夠方便通信，需要對終端的短地址，進行固定，復位次序在3個終端上電分別是：協調器，自動導航小車，終機械臂和壓力開關信號采集板，對于相應短地址協調器動態分配的順序是協調器：Ox0000，自動導航小車：0x1699，終機械臂：Oxl69a，壓力開關信號采集板：Oxl69b.為了避免地址混亂，3個終端和協調器的短地址在固定下來以后，就可以方便進行地址的程序的編寫，Zig-bee終端3設計方法與終端2類同。

3.2定位入庫設計

定位入庫首先需要把貨物放置于送貨處，在監控界面，上位機入庫對話框中記錄預存的貨位，假如已有該貨位存貨記錄在庫存記錄中，那么預存貨位需要重新進行選擇，在入庫任務開始執行前需要確定預存貨位，混合式流水線控制柜通過上位機來發送指令，機械操作可以將貨物送至入貨臺，光電開關在入貨臺檢測到貨物有動作發生，于是停止運轉，流水線任務操作結束需要給上位機發送回饋，在上位機確認以后，給堆垛機控制柜發送入庫指令，堆垛機啟動，就可以把貨物放到預存的貨位上，定位入庫流程圖如圖5所示。

在進行存取貨物前，自動化立體倉庫的堆垛機需要先到達指定的貨位，并且具有自動辨識貨位地址的能力，貨位的地址在同一巷道內包括了3個參數，z坐標的左右側，y坐標的貨架列、x坐標的貨架層，通過這個三維的坐標，貨位的地址就可以確定下來，對于堆垛機來說x坐標可以采用水平移動來進行尋找，堆垛機z坐標包含了兩個位置，前后移動可以用貨叉完成；堆垛機對于Y坐標可以采用上下移動來尋找，堆垛機能自動檢測它當前的坐標位置，并能到達指定的貨位。

上位機在給堆垛機發送指令后，自動進行認址，并到達目的地址。檢測當前的位置方法包括相對認址和絕對認址。

1）相對認址，相對認址是在巷道每列貨格上和堆垛機立柱上相應的位置安裝認址檔板，在升降臺上各安裝兩個光電開關，在堆垛機上下和前后運動時，光電脈沖經過每個貨位進行加或減，這樣就能夠獲得地址了，在遇到錯誤時，地址也會相應出錯，堆垛機停止后才會結束認址的操作，相對認址方法可靠性較低，為了能夠把認址可靠性提高，可以同時進行認址，利用兩個光電開關進行互相校驗，如果計數器值遇到差異，就會進行報警。

2）絕對認址，絕對認址在貨格每一列上，利用安裝的紅外光電開關，認址檔板安裝在載貨臺上和堆垛機的側部，通過在每一層上的光電開關，進行位置檢測和自動尋址，認址檔板在堆垛機通過時，進行透過和擋光，利用光電開關的狀態就可以形成位的進制編碼，通過計算后XY的坐標就可以得到了.采用絕對認址的方法認址可靠，在調試安裝上比較復雜，硬件成本較高，光電開關比較多，但是編程簡單。

本課題采用了相對認址的方法，由于每個貨位尺寸在組合式貨架是相同的，堆垛機載貨臺中每個貨位相應的間距和高度是一樣的，在水平運行的時候，每個貨位經過的間距相同，運動控制器在堆垛機控制柜需要發出一定間隔和數量的脈沖，電機的轉速和時間由變頻器進行控制，這樣能夠省去認址擋板和光電開關.重要的是1號貨位要標定好，因為其它貨位地址需要根據1號貨位來決定。

3.3堆垛機控制模型設計

堆垛機需要在尋址過程中進行入庫，出庫操作，調速控制采用S型速度曲線，從靜止狀態啟動，然后加速，勻速行走，最后在目的貨位進行減速和停止制動，堆垛機在制動，啟動，減速，加速過程中，由于存在慣性力的作用，在縱向堆垛機立柱容易發生彎曲變形，尤其在立柱頂端，發生彎曲的撓度最大，對高層貨架來說，堆垛機位置會產生很大誤差，嚴重時會發生安全事故，并影響工作效率。

曲線調速控制要以堆垛機行走下橫梁的基座位置為依據，可以忽略不計立柱頂端撓度的影響，在遇到立柱撓度最大的情況下，如果載貨臺定位在立柱頂端，堆垛機就可以進行二維模型的簡化，這種情況相當于單立柱的懸臂梁.可以用疊加法計算立柱頂端的撓度。

4.仿真分析

本文采用了Matlab進行立柱頂端的撓度的仿真分析，堆垛機技術在撓度仿真中主要需要的參數為：均勻分布質量的自重81kg/m，集中質量坐標在載貨臺40，1856mm，最大水平方向的加速度0.8m/s²，集中質量在載貨臺53kg，堆垛機的立柱高度2560mm，定位尋址精度±3mm。

如果堆垛機在平穩的運行，沒有其他干擾，沒有振動的環境下，該狀態是最理想的情況，對立柱頂端撓度本文采用了Matlab軟件對其與加速度的關系進行仿真模擬，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，堆垛機水平行走方向的立柱頂端撓度W與加速度α存在著拋物線的關系，提升的速度越高那么加速度也就越大，這樣立柱撓度就會變的很大。

然而堆垛機在實際情況下，由于電壓變化，在運行過程中來自自身和外部的振動，要受到不可避免的各種擾動，在Matlab仿真中，通過產生一些隨機的噪聲，就可以對實際情況進行擾動的模擬，在輸出中可以加入理想的狀態，這樣就可以對加速度和撓度的關系進行模擬仿真，結果如圖7和圖8所示。

從加入噪聲后立柱頂端撓度和加速度關系曲線可以看出，加入正態隨機噪聲后，曲線某些。

區段都發生的彎曲，有的區段彎曲很大，所以設計或提高堆垛機速度時，有必要充分考慮現場周圍的擾動情形。

通過建立堆垛機二維模型，應用Matlab對立柱頂端撓度進行了仿真分析，分析結果表明理想狀態下立柱頂端撓度近似正比與水平行走加速度，加入隨機噪聲后曲線發生較大變形，因此在設計或提升堆垛機行走速度時，必須考慮加速度和擾動帶來的立柱撓度的變化，確保設計或提升的速度所導致的立柱最大撓度保持在堆垛機正常運行允許的范圍內。

5.結論

在物流控制系統中采用zigbee技術是一種擴展、補充目前現有的組網方式，基于zigbee無線網絡技術的立體倉庫自動化物流控制系統設計方案，采用了星形控制結構，上位機采用了工控機，其他工控機則可以設置為從機，從而構建了星形控制網絡的物流控制系統，實現了智能物流控制系統中自動化入庫流水線功能。

某鞋業公司的大型立體倉庫，高達幾十米，長幾百米，由幾十列貨架和多個巷道式堆垛機組成，配以專用出庫流水線和出人貨臺，該倉庫采用了基于zigbee無線網絡技術的立體倉庫自動化物流控制系統設計方案，從而可以快速的定位倉庫中的貨物，并且進行高效的入庫、出庫、移庫和盤點操作.實際運行結果表明，本文提出的基于zigbee無線網絡技術的立體倉庫自動化物流控制系統方案具有系統規模和布置靈活可變的特點，用戶能方便地設置和修改控制要求，使得物流控制系統更加智能化，簡易化，有效的提高了作業的效率。