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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流倉(cāng)儲(chǔ)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用到倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文章完成節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)與測(cè)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(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與無(wú)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(cè)試需求，實(shí)現(xiàn)溫濕度的有效監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)；溫濕度監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議

0 引言

倉(cāng)儲(chǔ)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(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的環(huán)境信息，保障物品的安全存儲(chǔ)，在現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)中起著至關(guān)重要的作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)對(duì)象的各種信息，為物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)提供了有效的解決方案。本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到倉(cāng)儲(chǔ)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(cāng)儲(chǔ)車間的建設(shè)提供無(wú)線的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將為實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)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?jī)?nèi)容不僅僅針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)展開(kāi)，同時(shí)也為物流領(lǐng)域中其他復(fù)雜倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供一種參考方案。

1 ZigBee倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由下位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(lái)進(jìn)行分析。

1.1 下位機(jī)監(jiān)測(cè)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(wú)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(wú)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(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口與上位機(jī)直接相連。

圖1　基于Zigbee的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

基于Protel 99 SE開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(wú)線通信電路等，電路原理圖如圖4所示。

對(duì)無(wú)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(gòu)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(wú)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(wú)線傳輸程序。微處理器控制整個(gè)下位機(jī)子系統(tǒng)所有程序的運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)子系統(tǒng)中的端口以及時(shí)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(duì)微處理器進(jìn)行初始化，配置系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化GPIO、NVIC、EXTI、USART；其次，微處理器通過(guò)外部中斷對(duì)控制指令進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)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(duì)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(wú)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?jī)删€雙向的串行接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸。在程序設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)IO口的輸入/輸出模式進(jìn)行定義，一方面通過(guò)SCK線傳輸自定義的時(shí)鐘，另一方面通過(guò)Data線傳送相應(yīng)的命令信號(hào)或接收監(jiān)測(cè)信號(hào)。

圖8　微處理器控制程序流程圖

（3）數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸程序的設(shè)計(jì)

在無(wú)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(wú)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(duì)溫濕度數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)時(shí)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(gè)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(chǔ)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)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(dòng)，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(cè)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(duì)數(shù)據(jù)幀的各位數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；在校驗(yàn)無(wú)誤的前提下，通過(guò)后臺(tái)程序?qū)囟葦?shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)的參數(shù)提取出來(lái)，放在全局變量中，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)有效位的提取。

2）溫濕度的后臺(tái)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(shí)溫濕度的計(jì)算。

SHT11溫度計(jì)算公式：

根據(jù)所選型號(hào)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(hào)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(lái)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(gè)文本控件來(lái)顯示溫濕度，同時(shí)設(shè)計(jì)有按鈕控件，通過(guò)觸發(fā)控件可以刷新監(jiān)測(cè)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(shí)顯示。

2 監(jiān)測(cè)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(gè)測(cè)量溫度周期的波形圖

通過(guò)Jlink仿真器，在Keiluvision 4環(huán)境中對(duì)下位機(jī)程序進(jìn)行單步執(zhí)行各種命令函數(shù)，并通過(guò)示波器來(lái)監(jiān)測(cè)下位機(jī)終端節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的時(shí)序圖，例如圖11所示的波形圖為一個(gè)測(cè)量溫度周期的波形圖。與此同時(shí)，還進(jìn)行濕度測(cè)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(cè)中的指令時(shí)序圖完全吻合，說(shuō)明程序邏輯的正確性以及SHT11的穩(wěn)定性。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

在對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單步執(zhí)行追蹤監(jiān)測(cè)的同時(shí)，通過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明無(wú)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(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存操作，并通過(guò)打開(kāi)Access數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，給出了基于Zigbee技術(shù)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)的在穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r(shí)，具有較好的實(shí)時(shí)性。

在倉(cāng)儲(chǔ)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(dòng)和安置，能夠?qū)Σ煌膫}(cāng)位進(jìn)行多方位的監(jiān)測(cè)；上位機(jī)顯示軟件，能夠?qū)⒏鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)，便于物流倉(cāng)儲(chǔ)人員對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的管理，同時(shí)也能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

實(shí)施過(guò)程由一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的通信展開(kāi)，進(jìn)而到多個(gè)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(kāi)發(fā)；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件上設(shè)計(jì)有拓展開(kāi)發(fā)的IO口，可以進(jìn)行多傳感器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，更全面地對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在上位機(jī)方面，實(shí)現(xiàn)了顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他功能的開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)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(dòng)通信.2013,(9):73-77

[5] 徐志鵬.基于ZigBee技術(shù)的智能倉(cāng)儲(chǔ)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)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(wú)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(jiǎn)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(huì)專項(xiàng)資金

收稿日期：2015-12-06

中圖分類號(hào)：TN929

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0148-05