基于ZigBee航材管理系統的設計

程麗霞

【摘 要】本文采用低成本、低功耗、低復雜度和低速率的ZigBee無線通信協議，設計包含信息采集系統、網絡通信系統和數據分析及管理系統三層結構的航材管理系統。利用無源RFID標簽和有源ZigBee標簽對航材進行標識，通過三邊定位算法對重要航材和固定航材進行定位，實現航材的管理和查詢。另外，針對傳輸距離短、短地址沖突、其它2.4GHz信號干擾等問題，提出解決方案。

【關鍵詞】ZigBee;航材管理系統;三邊定位;短地址沖突

中圖分類號： TP311.52文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）08-0193-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.084

【Abstract】This paper adopts ZigBee wireless communication protocol with low cost， low power consumption， low complexity and low rate to design a three-tier air materiel management system including information acquisition system， network communication system and data analysis and management system. The passive RFID tag and active ZigBee tag are used to identify the aircraft materials， and the trilateral location algorithm is used to locate the important and fixed aircraft materials， so as to realize the management and query of the aircraft materials.

【Key words】ZigBee; Aircraft Material Management System; Trilateral Location; Short Address Conflict

0 引言

目前一些單位航材管理仍采用傳統的以紙張文件為基礎的系統來記錄和追蹤管理，航材數量龐大、品種繁多、地點分散，造成管理單據眾多、統計工作繁重，不但浪費了人力物力，還可能造成航材流失。另外，此管理方法效率較低，缺乏對航材定位、數量統計等業務環節的有效控制和精細管理。因此有必要在單位范圍內利用物聯網技術構建智能管理系統，為航材統計和資源調配提供可靠的依據。

智能管理系統的重點是設計信息傳輸網絡，由于單位的航材和庫房分布范圍較廣，網絡布線復雜和施工困難，因此適合采用組網簡單、擴展性強的無線傳輸技術。ZigBee是一種低成本、低功耗、低復雜度和低速率的無線通信技術[1]，設備輻射功率小于5mW，對其他設備的電磁干擾影響較小，且采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）直接序列擴頻傳輸方式，無線抗干擾能力較強，信號有效傳輸距離最大可達100米，可用來設計智能航材管理系統，實時獲取航材位置、數量等狀態信息。

1 航材管理系統組成

本設計的航材管理系統分為三個子系統：信息采集系統，網絡通信系統，數據分析及航材管理應用系統，如圖1所示。

1.1 信息采集系統

信息采集系統對終端進行信息采集和標識，是航材管理系統的設備基礎。航材的靜態屬性存儲在標簽中，動態屬性由傳感器實時探測[2]。根據航材在管理系統中不同的屬性，終端將使用無源和有源兩種標簽。

（1）無源標簽采用RFID射頻識別技術，包括RID標簽和讀寫器，用來標識靜態屬性。其中，RFID標簽固定在航材上，本身無電源，每個標簽都含有唯一的識別碼，以便關聯到相應的航材。讀寫器由RFID識別模塊和ZigBee模塊組成，RFID識別模塊對在其識別范圍內的RFID標簽進行掃描，當標簽收到讀寫器發來的信號時，標簽被喚醒，通過射頻耦合的方式獲取足夠的能量，同時，將收到的信號進行解調，從載波中還原出數字信號，然后根據其中包含的指令完成相應的操作，并將應答信息通過反向散射回送給讀寫器。當同時有多個標簽出現時，讀寫器通過啟動防沖突算法，逐個識別標簽[2]。讀寫器的RFID識別模塊可以在被標識的物體高速運動的情況下工作，讀寫距離在10米以上。讀寫器的ZigBee模塊為FFD（Full-function Device）全功能設備，實現多個讀寫器之間聯網，實現數據的多點無線采集和遠距離傳輸。

（2）有源標簽采用ZigBee的RFD（Reduced-function Device）精簡功能設備，標識航材的動態屬性。每個ZigBee標簽在網絡中有唯一的ID號，并關聯到相應的航材。標簽定時向系統上報信息，在空閑時進入休眠模式以降低功耗。資產管理是一個動態管理性工作。為提高管理效率，根據航材自身的重要性、消耗情況，將航材分為三類進行分級管理。

1.2 網絡通信系統

網絡通信系統采用ZigBee無線網絡。ZigBee支持星形、樹狀、網狀三種網絡類型。對于倉庫等室內空間，可以被Zigbee無線信號的通訊半徑覆蓋，不需要節點的中繼，采用星形網絡結構，便于遠程管理和節點的增加和刪減;對于室外空間，超過Zigbee無線信號的通訊半徑覆蓋，需要節點的中繼，在倉庫和建筑物的邊界、門崗等區域部署ZigBee的FFD全功能設備（包括RFID讀寫器）作為路由器，在系統控制中心和數據匯聚中心配置ZigBee網絡協調器，構建具有冗余鏈路和自愈能力的網狀網。ZigBee網絡的建立過程如下：

（1）網絡協調器掃描所有的信道，選擇一個合適的空閑信道，廣播帶有網絡標識符的信標幀，以初始化網絡;（2）接收到這個信標幀的節點，如果是FFD，則作為網絡的路由器，建立網絡連接，并接受其他設備加入網絡的請求。如果是RFD，即信息采集終端，則通過ZigBee路由器或協調器連接到網絡;

（3）如果需要加入網絡的節點監聽到多個信標幀時，它將選擇一個距離協調器的最少跳數，作為自己的潛在父節點，發送連接請求，等待回應;（4）作為發送信標幀的節點在收到設備的連接請求后，將根據網絡節點的參數設置和自身的連接能力決定是否接收這個父節點作為自己的子節點;（5）如果一個節點的連接請求被接收后，其父節點就會發送帶有一個16位短地址的連接響應給其子節點。此時父節點的類型中對應的節點數目減1，并將已經加入網絡的子節點記錄在自己的鄰居表中;相應的子節點將收到的短地址設置為自己的網絡地址，并將自己的網絡深度大小設置為其父節點網絡深度增加1的值。這樣節點間父子關系確立，節點成功加入網絡。

2 系統可靠性設計

2.1 設計可靠傳輸距離

ZigBee工作在2.4GHz 頻段，其傳輸范圍會受到輸出功率和信道環境的影響，信號穿越障礙物能力較弱，會導致ZigBee信號傳輸距離變小，經過測試發現信號穩定性較好的范圍在30米左右。選用高性能的全向天線的ZigBee路由器，按照間隔30米的距離進行部署，并盡量避開障礙物阻擋。同時在ZigBee發射功率管制標準范圍內，盡量增大發射功率，使無線信號可靠傳輸距離增大，同時發射功率不能調節過大防止帶來ZigBee節點之間的信號相互干擾。

2.2 解決短地址沖突

ZigBee終端加入網絡后，從協調器或者路由器得到一個16位短網絡地址[3]。如航材離開單位后很快又返回，網絡中可能會出現短地址沖突現象。原因是該設備有沿用其原有短地址的優先權，但此短地址很可能已經被分配給了其他ZigBee設備，從而導致其中一個設備無法正常通信[2]。因此系統設計時，增加ZigBee終端節點脫離網絡的檢測功能和終端節點在脫離網絡后的復位重連網絡功能，來有效避免短地址沖突。

2.3 減少其他2.4GHz信號的干擾

ZigBee技術與藍牙、WiFi等無線技術共用免費的2.4GHz頻段，可能會存在相互干擾。

（1）藍牙采用跳頻擴頻（FHSS）方式將2.4GHz頻段分成79個1MHz的信道，并在這79個信道間每秒鐘跳1600次;而ZigBee采用直接序列擴頻（DSSS）方式，所以藍牙在79次通信中只有1次和ZigBee的通信頻率產生重疊，而且又迅速跳到另一個頻率。所以藍牙對ZigBee影響很小[4]。

（2）ZigBee與無線局域網技術WiFi在很多場合處于共存狀態，且二者都使用直接序列擴頻方式，信號干擾嚴重。所以部署ZigBee節點時，應盡量遠離WiFi設備。

3 結束語

本文采用低成本、低功耗、低復雜度和低速率的ZigBee無線通信協議，設計包含信息采集系統、網絡通信系統、數據分析及管理系統三層結構的航材管理系統。利用無源RFID標簽和有源ZigBee標簽對航材進行標識，通過三邊定位算法對重要航材和固定航材進行定位，實現航材的管理和查詢。另外，在可靠通信距離部署ZigBee路由器，增加ZigBee終端節點脫離網絡的檢測功能和終端節點在脫離網絡后的復位重連網絡功能，以及選用ZigBee通信頻率重疊較少的通信信道組網，保證系統的穩定性和可靠性。

【參考文獻】

[1]呂志安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京航空航天大學出版社，2008.

[2]彭力.物聯網技術概論[M].北京航空航天大學出版社，2011.