基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)機房物料管理系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：傳統(tǒng)機房物料管理模式存在人力勞動投入大、物料管理出錯率高等問題，實現(xiàn)機房物料管理數(shù)字化和智能化是現(xiàn)代機房管理的必然趨勢。本項目設(shè)計以ZigBee無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心控制芯片，應(yīng)用RFID射頻識別技術(shù)、人體檢測技術(shù)和液晶觸摸屏技術(shù)組成局域機房物料信息檢測、登記和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)物料與網(wǎng)絡(luò)相連。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物料存入和借出的實時記錄，管理人員可以現(xiàn)場通過液晶屏觀測物料信息，也可以通過手機或者電腦登錄OneNET云平臺遠程觀測機房物料信息，優(yōu)化機房管理制度，減少機房物料出錯率，降低機房管理人力投入，推進機房管理現(xiàn)代化建設(shè)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化；智能化；ZigBee；RFID；云平臺

中圖分類號：TP277；TN92 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.017

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會建設(shè)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，突破了傳統(tǒng)技術(shù)模式，創(chuàng)造了一批典型的智能化項目，如智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧社區(qū)等。按照目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢，其應(yīng)用范圍將越來越廣。依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)特性，將其應(yīng)用在機房物料管理中實現(xiàn)對物料的監(jiān)控、跟蹤、記錄，將大大減少人力勞動。該系統(tǒng)能夠精確跟蹤物料的借出和放入，完成物料數(shù)量登記，管理人員可隨時隨地通過手機或者電腦查看，及時掌握當(dāng)前機房物料狀態(tài)。系統(tǒng)采用良好的人機交互模式，優(yōu)化了機房物料管理程序，降低了機房物料的出錯率，做到物料實時可監(jiān)控、可檢測，提高了機房物料管理的安全性，給機房物料管理帶來的成效顯而易見。

1 機房物料管理系統(tǒng)的總體設(shè)計框架

本系統(tǒng)主要由ZigBee物聯(lián)網(wǎng)模塊、RFID射頻模塊、人體檢測模塊、WiFi無線傳輸模塊、液晶顯示屏、OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成。將機房中的每件物料都打上電子標(biāo)簽紙，RFID讀卡器與ZigBee節(jié)點模塊構(gòu)成物料記錄設(shè)備，實現(xiàn)物料數(shù)據(jù)讀取登記。再利用ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與ZigBee節(jié)點模塊構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)局部通信，其中，由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、人體檢測模塊、WiFi無線傳輸模塊、液晶顯示屏、OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)機房物料可視化和安全化管理。物聯(lián)網(wǎng)機房物料管理系統(tǒng)總設(shè)計框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主控制單元與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇

物聯(lián)網(wǎng)機房物料管理系統(tǒng)主控制芯片采用TI公司研發(fā)設(shè)計的CC2530F256芯片，最小系統(tǒng)電路如圖2所示[1]。該芯片具有豐富的片上資源，如256 KB的內(nèi)存。芯片運行多種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗運行，工作穩(wěn)定性強，內(nèi)置增強型51內(nèi)核，支持雙串口通信，具有12位ADC采樣模塊等外設(shè)功能和接口。CC2530F256芯片綜合了TI公司ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM）的功能，可提供強大的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案，在ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中，支持多節(jié)點（65 536個）與多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提供低復(fù)雜度、快速、可靠、安全的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案。ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)拓撲有星形、樹形、網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]，如圖3、圖4、圖5所示。

以上3種ZigBee物聯(lián)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的特點不同。

（1）星形拓撲特點：拓撲結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)點間通信獨立，數(shù)據(jù)處理簡單；

（2）樹形拓撲特點：拓撲延展性強，路由與節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)融通分揀，數(shù)據(jù)傳輸距離遠；

（3）網(wǎng)形拓撲特點：節(jié)點數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)傳輸距離遠，控制快速。

綜合機房物料管理系統(tǒng)的功能要求以及研發(fā)設(shè)計成本，基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)機房物料管理系統(tǒng)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)無線拓撲結(jié)構(gòu)建議選擇星形拓撲結(jié)構(gòu)，后面也可以轉(zhuǎn)換成其他拓撲

結(jié)構(gòu)[3-5]。

2.2 RFID標(biāo)簽讀卡模塊設(shè)計

RFID非接觸式射頻識別技術(shù)應(yīng)用范圍廣，技術(shù)發(fā)展水平相對成熟，在門禁管理、停車場管制、自動化生產(chǎn)等方面都有很好的應(yīng)用。RFID非接觸射頻識別技術(shù)的硬件主要由電子標(biāo)簽和RFID讀卡器組成，電子標(biāo)簽存儲有相應(yīng)的可讀寫的卡號信息，在一定范圍內(nèi)，RFID讀卡器能夠通過天線讀取電子標(biāo)簽的信息，RFID讀卡器將卡號信息通過串口傳輸給ZigBee節(jié)點模塊，完成機房每件物料信息的讀取。RFID標(biāo)簽讀卡系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

2.3 人體檢測模塊設(shè)計

人體檢測模塊系統(tǒng)采用HC-SR505人體感應(yīng)模塊，該模塊基于紅外線檢測技術(shù)實現(xiàn)相關(guān)功能。模塊檢測靈敏度高，體積較小易安裝，可靠性強，能工作在低電壓工作模式，可廣泛應(yīng)用在各類自動感應(yīng)和控制產(chǎn)品中。當(dāng)人體進入傳感器的感應(yīng)范圍時，傳感器將輸出高電平，人體離開或者超出傳感器感應(yīng)范圍后，傳感器將自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。通過人體檢測模塊，機房管理人員能夠?qū)崟r得知來訪人員，并提高機房物料的安全性[6-7]。人體檢測模塊系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。

2.4 液晶觸摸屏顯示模塊設(shè)計

液晶觸摸屏顯示模塊采用X5系列TJC1060×5A1_011C_l

型號液晶，該串口屏采用電容觸摸模式，分辨率為

1 024×600，工作電壓范圍為4.65～6.5 V，擁有128 MB的FLASH和4 KB的串口指令緩存區(qū)，具有一組USART串口通信接口，液晶屏主控頻率是200 MHz。該液晶屏集數(shù)據(jù)顯示和控制觸摸于一體，能夠很好地適配系統(tǒng)人機交互應(yīng)用，管理人員可以通過液晶屏的數(shù)據(jù)顯示動態(tài)了解機房內(nèi)的物料情況。液晶觸摸屏顯示模塊系統(tǒng)構(gòu)成如圖8

所示。

2.5 WiFi和物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺模塊設(shè)計

機房物料管理系統(tǒng)要達到物與網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)物體數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)通信，就要有能夠讓物與網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。本系統(tǒng)采用ESP8266無線WiFi模塊實現(xiàn)物與網(wǎng)絡(luò)間的通信。ESP8266無線WiFi模塊是一款性能優(yōu)良的通信模塊，具有串口通信接口，能夠很好的與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，控制命令簡單，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高，應(yīng)用廣泛。ESP8266無線WiFi模塊通過連接機房存在的熱點與物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺進行數(shù)據(jù)傳輸，管理人員可通過手機或者電腦登錄OneNET云平臺遠程查看或監(jiān)控機房物料情況[8-10]。WiFi和物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺模塊構(gòu)成如圖9所示。

3 機房物料管理系統(tǒng)程序設(shè)計

本系統(tǒng)程序設(shè)計包括RFID標(biāo)簽讀卡程序設(shè)計、基于協(xié)議棧ZigBee終端節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器局域網(wǎng)程序設(shè)計和ZigBee協(xié)調(diào)器與OneNET云平臺數(shù)據(jù)交互通信程序設(shè)計。從前端物料數(shù)據(jù)監(jiān)測到ZigBee模塊組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)互通，最后通過無線WiFi將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺進行分析和處理，三部分相應(yīng)的程序函數(shù)設(shè)計如下：

（1）RFID標(biāo)簽讀卡程序設(shè)計：

①串口發(fā)送讀指令函數(shù)：UartTXDatastring（unsigned char *TData， int Tlen）；

②串口接收電子標(biāo)簽信息函數(shù)：UartRX_Get_String（Recdata，stringlen）；

（2）基于協(xié)議棧ZigBee終端節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器局域網(wǎng)程序設(shè)計：

①協(xié)議棧數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)：SampleApp_SendPerio_Message（）；

②協(xié)議棧數(shù)據(jù)接收函數(shù)：SampleApp_Message

（afIncomingMSGPacket_t *pkt）；

（3）ZigBee協(xié)調(diào)器與OneNET云平臺數(shù)據(jù)交互通信程序設(shè)計：

①WiFi連接無線路由函數(shù)：

void wf_Connect（） {

wf.config（）;//配置WiFi

wf.mode（）;//設(shè)置模式

wf.begin（）;//連接路由

while （status==0）;//等待連接成功

}

②WiFi收到數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器串口函數(shù)：

void wfdata_send_USRAT（）{

for （i=0; ilt;strlen（wf_data）;i++） {

Wf_data[i] = serverdata[i].read（）;

Serial.println（data）;

delay（100）;

} }

③協(xié)調(diào)器串口數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送到OneNET云平臺：

void USRAT_send_wfdata（）{

for （n = 0;ilt;strlen（data_wf;n++） {

serverdata[i].write（）=data_wf[i];

delay（100）;

} }

4 結(jié) 語

本項目主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)和人體檢測技術(shù)等，著重解決日常機房物料管理遇到的問題，降低機房物料管理的出錯率，優(yōu)化機房管理模式，便于管理人員通過手機或者電腦查詢機房的物料情況。系統(tǒng)可二次開發(fā)，適應(yīng)多種使用場景，有利于推進傳統(tǒng)機房物料管理向數(shù)字化管理方向轉(zhuǎn)型。

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收稿日期：2023-04-10 修回日期：2023-05-17

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目：基于NB-IoT組網(wǎng)的校園智慧照明控制系統(tǒng)研究與開發(fā)（2022KY1100）