無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流倉儲系統(tǒng)中的應(yīng)用

The technology of wireless sensor network apply in logistics warehousing system

張　濤，王成林

ZHANG Tao, WANG Cheng-lin

（北京物資學(xué)院 物流學(xué)院，北京 101149）

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流倉儲系統(tǒng)中的應(yīng)用

The technology of wireless sensor network apply in logistics warehousing system

張濤，王成林

ZHANG Tao, WANG Cheng-lin

（北京物資學(xué)院 物流學(xué)院，北京 101149）

摘 要：將基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用到倉儲環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)倉儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測。文章完成節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)與測試，充分利用ZigBee節(jié)點(diǎn)能耗小、成本低、安裝維護(hù)便捷等特點(diǎn)，構(gòu)建倉儲系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)倉儲系統(tǒng)中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時采集與無線傳輸，并以“邵武市食用菌農(nóng)村合作社專業(yè)化生產(chǎn)項(xiàng)目”完成測試需求，實(shí)現(xiàn)溫濕度的有效監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：倉儲系統(tǒng)；溫濕度監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議

0 引言

倉儲環(huán)節(jié)是現(xiàn)代物流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何高效、準(zhǔn)確掌握倉儲過程中的環(huán)境信息，保障物品的安全存儲，在現(xiàn)代倉儲中起著至關(guān)重要的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)對象的各種信息，為物流倉儲系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測提供了有效的解決方案。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到倉儲系統(tǒng)，并與福建省“菜籃子”工程“邵武市食用菌農(nóng)村合作社專業(yè)化生產(chǎn)項(xiàng)目”共建，為食用菌倉儲車間的建設(shè)提供無線的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)倉儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，將為實(shí)現(xiàn)倉儲系統(tǒng)的智能化管理提供技術(shù)與信息支持，具有很好的應(yīng)用前景。研究內(nèi)容不僅僅針對農(nóng)產(chǎn)品物流倉儲系統(tǒng)監(jiān)測展開，同時也為物流領(lǐng)域中其他復(fù)雜倉儲系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測提供一種參考方案。

1 ZigBee倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由下位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)測顯示系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。本文主要從以上兩方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來進(jìn)行分析。

1.1 下位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）下位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括硬件結(jié)構(gòu)的確定、各模塊的選型以及無線節(jié)點(diǎn)硬件的電路設(shè)計(jì)。

（1）硬件結(jié)構(gòu)與選型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn)和終端接點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)與傳感器相連，采集信息并送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過USB接口與上位機(jī)直接相連。

圖1　基于Zigbee的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

圖2　匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3　終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

本文采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊采用北京云天創(chuàng)科技有限公司提供的ATZGB-780-F5Zigbee無線多功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主處理芯片為Stm32 F103C8T6，無線通信芯片為AT86RF212。溫濕度傳感器采用SHT11。

圖4　下位機(jī)硬件電路原理圖

（2）無線節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

基于Protel 99 SE開發(fā)平臺進(jìn)行了電路原理的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路、狀態(tài)指示電路、溫濕度采集電路、圖像采集電路、復(fù)位電路、無線通信電路等，電路原理圖如圖4所示。

對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件的PCB板進(jìn)行了布局設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路原理圖和PCB板設(shè)計(jì)圖，印制了PCB電路板，選購元器件并焊接調(diào)試。硬件實(shí)物如圖5所示，最終的節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)硬件如圖6、圖7所示。

圖5　硬件實(shí)體圖

圖6　終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)體圖

圖7　匯聚節(jié)點(diǎn)的實(shí)體圖

2）無線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)WSN節(jié)點(diǎn)的程序是下位機(jī)設(shè)計(jì)的核心，由三部分組成：微處理器控制程序、溫濕度數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)無線傳輸程序。微處理器控制整個下位機(jī)子系統(tǒng)所有程序的運(yùn)轉(zhuǎn)，對子系統(tǒng)中的端口以及時鐘等進(jìn)行配置，確保子系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（1）微處理器控制程序的設(shè)計(jì)

微處理器控制程序流程如圖8所示。

首先，對微處理器進(jìn)行初始化，配置系統(tǒng)時鐘，初始化GPIO、NVIC、EXTI、USART；其次，微處理器通過外部中斷對控制指令進(jìn)行監(jiān)測，若為采集指令，便向溫濕度傳感器發(fā)出采集指令，WSN節(jié)點(diǎn)上的傳感器收到指令之后便進(jìn)行溫濕度測量，將原始溫濕度參數(shù)送入緩沖區(qū)；當(dāng)原始數(shù)據(jù)反饋完成之后，微處理器計(jì)算判斷原始數(shù)據(jù)是否正確，若不正確，發(fā)送二次采集命令；若正確，則將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)整理成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式，并送入輸出緩沖區(qū)；最后，微處理器對輸出緩沖區(qū)進(jìn)行判斷，若緩沖區(qū)內(nèi)有待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，則調(diào)用無線發(fā)送模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)往的匯聚節(jié)點(diǎn)。

（2）溫濕度數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)

微處理器與溫濕度傳感器之間的通信主要依靠兩線雙向的串行接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸。在程序設(shè)計(jì)中，通過對IO口的輸入/輸出模式進(jìn)行定義，一方面通過SCK線傳輸自定義的時鐘，另一方面通過Data線傳送相應(yīng)的命令信號或接收監(jiān)測信號。

圖8　微處理器控制程序流程圖

（3）數(shù)據(jù)無線傳輸程序的設(shè)計(jì)

在無線數(shù)據(jù)通信的程序設(shè)計(jì)中，核心的設(shè)計(jì)部分主要包括數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

①數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)

為了統(tǒng)一無線傳感節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)的順序和格式，確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，如表1所示。

②數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)對溫濕度數(shù)據(jù)測量實(shí)時性，本文設(shè)計(jì)了一種基于堆棧思想的數(shù)據(jù)池，結(jié)構(gòu)如圖9所示。數(shù)據(jù)池的容量為3個數(shù)據(jù)幀，圖中start和end用于固定數(shù)據(jù)池的定位，而head和tail是用于指示現(xiàn)在的存儲情況。

表1　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)表

圖9　數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu)圖

1.2 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

倉儲環(huán)境監(jiān)測上位機(jī)顯示子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖10所示，主要由串口數(shù)據(jù)通信模塊、溫濕度窗口顯示模塊和溫濕度數(shù)據(jù)管理模塊組成。

圖10　上位機(jī)監(jiān)測顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架

WSN中的匯聚節(jié)點(diǎn)含有USB模塊，可以與上位機(jī)連接。VB與其通信實(shí)際是通過虛擬串口，因此首先應(yīng)該在上位機(jī)安裝虛擬串口驅(qū)動，將USB口轉(zhuǎn)換為串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

上位機(jī)監(jiān)測軟件窗口顯示模塊進(jìn)行的操作主要分為數(shù)據(jù)的初步處理與解析、溫濕度的計(jì)算和窗口的顯示三大部分。

1）數(shù)據(jù)的初步處理與解析

上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)幀之后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的校驗(yàn)位對數(shù)據(jù)幀的各位數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；在校驗(yàn)無誤的前提下，通過后臺程序?qū)囟葦?shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)的參數(shù)提取出來，放在全局變量中，實(shí)現(xiàn)對串口數(shù)據(jù)有效位的提取。

2）溫濕度的后臺計(jì)算

利用轉(zhuǎn)換后的SHT11溫濕度字節(jié)數(shù)據(jù)，依據(jù)以下公式進(jìn)行實(shí)時溫濕度的計(jì)算。

SHT11溫度計(jì)算公式：

根據(jù)所選型號查閱各參數(shù)的數(shù)值，在式(1)中的參數(shù)d1為-39.6，d2為0.01，SQT為下位機(jī)回傳的2字節(jié)SHT溫度數(shù)據(jù)，基計(jì)算結(jié)果的單位為℃。

SHT11濕度計(jì)算公式：

根據(jù)所選型號查閱各參數(shù)的數(shù)值，式(2)中c1= -2.0468，c2=+0.0367，c3=-0.0000015955；在式(3)中，t1=+0.01，t2=+0.00008，T℃為當(dāng)前溫度的攝氏度值；兩式中的SORH為下位機(jī)傳回來的2字節(jié)SHT濕度數(shù)據(jù)。

3）溫濕度窗口的顯示

在VB工程的可視界面中，設(shè)計(jì)了6個文本控件來顯示溫濕度，同時設(shè)計(jì)有按鈕控件，通過觸發(fā)控件可以刷新監(jiān)測數(shù)據(jù)。將計(jì)算得到的溫濕度數(shù)據(jù)直接賦值給了文本控件，用于實(shí)現(xiàn)所讀取數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示。

2 監(jiān)測試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)

圖11　實(shí)驗(yàn)中一個測量溫度周期的波形圖

通過Jlink仿真器，在Keiluvision 4環(huán)境中對下位機(jī)程序進(jìn)行單步執(zhí)行各種命令函數(shù)，并通過示波器來監(jiān)測下位機(jī)終端節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過程中的時序圖，例如圖11所示的波形圖為一個測量溫度周期的波形圖。與此同時，還進(jìn)行濕度測量、通訊復(fù)位等命令的跟蹤執(zhí)行。示波器所顯示的波形圖與數(shù)據(jù)手冊中的指令時序圖完全吻合，說明程序邏輯的正確性以及SHT11的穩(wěn)定性。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

在對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單步執(zhí)行追蹤監(jiān)測的同時，通過串口助手軟件查看匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收情況，得到如圖12所示的結(jié)果，結(jié)果與終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)一致，說明無線數(shù)據(jù)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)。

圖12　匯聚節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)接收結(jié)果

2.3 上位機(jī)顯示軟件運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

在倉儲場景中，安裝放置傳感器節(jié)點(diǎn)，連接匯聚節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行上位機(jī)軟件，得到圖13所示結(jié)果。對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存操作，并通過打開Access數(shù)據(jù)庫文件查看數(shù)據(jù)內(nèi)容，得到如圖14的結(jié)果。

圖13　軟件運(yùn)行窗口

圖14　Access數(shù)據(jù)庫中的溫濕度數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

本文分析了WSN技術(shù)應(yīng)用于物流倉儲環(huán)境監(jiān)測的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，給出了基于Zigbee技術(shù)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試實(shí)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在程序控制方面，終端節(jié)點(diǎn)采用喚醒模式，進(jìn)而大量節(jié)省無線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能耗，延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命；在數(shù)據(jù)處理方面，設(shè)計(jì)了基于堆棧思想的數(shù)據(jù)池，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的在穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r，具有較好的實(shí)時性。

在倉儲環(huán)境中，所設(shè)計(jì)的WSN終端節(jié)點(diǎn)集成一體，體積較小，便于移動和安置，能夠?qū)Σ煌膫}位進(jìn)行多方位的監(jiān)測；上位機(jī)顯示軟件，能夠?qū)⒏鱾€節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)直觀地顯示出來，便于物流倉儲人員對倉儲環(huán)境的管理，同時也能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)存儲在到數(shù)據(jù)庫中。

實(shí)施過程由一個終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的通信展開，進(jìn)而到多個終端與匯集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信，構(gòu)建出星型網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的拓展開發(fā)；無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件上設(shè)計(jì)有拓展開發(fā)的IO口，可以進(jìn)行多傳感器的進(jìn)一步開發(fā)，更全面地對倉儲環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；在上位機(jī)方面，實(shí)現(xiàn)了顯示和數(shù)據(jù)存儲功能，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他功能的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 王青林,等.電路設(shè)計(jì)與制板:Protel 99 SE基礎(chǔ)教程（修訂版）[M].人民郵電出版社,2012.

[3] 劉炳文.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程[M].4版.清華大學(xué)出版社,2009.

[4] 呂然.ZigBee標(biāo)準(zhǔn)及其進(jìn)展[J].移動通信.2013,(9):73-77

[5] 徐志鵬.基于ZigBee技術(shù)的智能倉儲管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2011.

[6] 江峰.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能物流中的設(shè)計(jì)分析[J].通信技術(shù). 2013,46(5):34-36.

[7] 戰(zhàn)美玲.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].山東師范大學(xué).2012.

[8] 王璐超,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物流中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與前景分析[J].物流技術(shù).2010(03):141-143.

作者簡介：張濤（1991 -），女，山西人，研究生，研究方向?yàn)槲锪鞴こ獭?/p>

基金項(xiàng)目：北京市教育委員會專項(xiàng)資金

收稿日期：2015-12-06

中圖分類號：TN929

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)01-0148-05