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可能大家都在日常生活中經(jīng)歷過(guò)這樣的事情：某些重要而又不常用的東西，被藏在非常隱蔽的地方，多年后如果忽然要拿出來(lái)使用，卻完全想不起來(lái)自己將它放在什么地方了。連我們小小的家庭里都會(huì)出現(xiàn)這種情況，那在偌大的工廠倉(cāng)庫(kù)中就更是如此了。此時(shí)我們肯定希望這些被尋找的東西能自己響應(yīng)，告訴我們它們的存放地點(diǎn)吧。聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)天方夜譚，但在現(xiàn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，這些并不是不可能的。
我們這次的設(shè)計(jì)是基于最近新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議zigbee來(lái)完成的。選擇zigbee無(wú)線傳輸協(xié)議主要有以下原因：
（1） 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。但由于功耗降低，速度也相應(yīng)減慢，但在本次應(yīng)用中并不要求很高的數(shù)據(jù)率。
（2） 低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32 KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼，一塊基于藍(lán)牙協(xié)議的芯片比一塊基于zigbee 協(xié)議的芯片要貴三分之一。
（3） 短時(shí)延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。
（4） 高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
（5） 高安全。Zigbee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
（6） zigbee使用的是2.4 GHz的免許可費(fèi)頻段。
目前，世界上比較成熟的基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的芯片生產(chǎn)廠商有三家，它們比較通用的芯片是CHIPCON的CC2420，F(xiàn)REESCALE的MC13193和EMBER的EM250。EMBER的芯片是將zigbee協(xié)議固化在硬件中的，所以當(dāng)你購(gòu)買(mǎi)芯片的時(shí)候，你就已經(jīng)把zigbee協(xié)議買(mǎi)回來(lái)了。而FREESCALE和CHIPCON的芯片是不帶有硬件上的ZIGBEE的協(xié)議的，所以要另外花錢(qián)去購(gòu)買(mǎi)zigbee協(xié)議。
Zigbee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用接口層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由Zigbee聯(lián)盟進(jìn)行了制定。
Zigbee是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備或end device；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備(也稱為協(xié)調(diào)器coordinator)。
介紹了zigbee的一些基本知識(shí)，現(xiàn)在來(lái)介紹我們的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的硬件組成及軟件邏輯。
（一）.硬件組成：
倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的硬件是由三部分組成的，終端辨位結(jié)點(diǎn)，定位結(jié)點(diǎn)和查詢結(jié)點(diǎn)。
終端辨位結(jié)點(diǎn)是放在每件貨物上的，在zigbee網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于end device，它標(biāo)識(shí)著每件貨物的位置。在每件貨物放進(jìn)倉(cāng)庫(kù)中時(shí)，貨物上的終端辨位結(jié)點(diǎn)發(fā)出組網(wǎng)請(qǐng)求信息，與周?chē)亩ㄎ唤Y(jié)點(diǎn)組成zigbee mesh網(wǎng)絡(luò)之后，向負(fù)責(zé)定位的結(jié)點(diǎn)發(fā)出自己的64bit的maker Address，使zigbee網(wǎng)絡(luò)知道其位置，然后終端辨位結(jié)點(diǎn)開(kāi)始周期性的休眠和蘇醒，蘇醒后重新發(fā)出信息，這樣能使定位結(jié)點(diǎn)知道自己的位置是否有變化，并且是否還在這個(gè)倉(cāng)庫(kù)之中。由于終端辨位結(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，所以它消耗的能量是非常小的，可以使用電池供電。
定位結(jié)點(diǎn)是固定在倉(cāng)庫(kù)的三個(gè)角落的，也就是形成X,Y,Z的三位坐標(biāo)系，其實(shí)我們可以把定位結(jié)點(diǎn)當(dāng)作zigbee網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)點(diǎn)。三個(gè)定位結(jié)點(diǎn)不停的接收終端結(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息，并讀出接收到信息的強(qiáng)度信息RSSI和連接質(zhì)量信息LQI，這兩個(gè)信息能顯示出終端結(jié)點(diǎn)距離自己的距離。他們將這些信息通過(guò)內(nèi)部的程序計(jì)算轉(zhuǎn)換成距離信息發(fā)送給查詢結(jié)點(diǎn)。在查詢結(jié)點(diǎn)中，X,Y,Z的信息匯總得出貨物的位置信息。從功能上看，定位結(jié)點(diǎn)要完成大量的計(jì)算，而且要時(shí)刻接收所有終端結(jié)點(diǎn)的信息，所以它的工作量是相當(dāng)大的，基本上無(wú)法進(jìn)行休眠，所以定位結(jié)點(diǎn)是要使用直流電源供電的。
查詢結(jié)點(diǎn)可放在倉(cāng)庫(kù)的任意位置，它相當(dāng)于zigbee網(wǎng)絡(luò)的corrdinator,定位結(jié)點(diǎn)只能得到自己坐標(biāo)上的數(shù)值，而三維的定位是在查詢結(jié)點(diǎn)中完成的，貨物的位置在查詢結(jié)點(diǎn)中被合成后存入一個(gè)定位的表中，整個(gè)內(nèi)容通過(guò)查詢結(jié)點(diǎn)連接到有線的網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)入電腦，在電腦上的應(yīng)用軟件中，顯示貨物的位置。
實(shí)現(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)，我們選用FREESCALE的單芯片zigbee解決方案，它是同類產(chǎn)品中價(jià)格比較便宜的，但是由于今年剛剛推出，所以可能穩(wěn)定性還值得商榷。MC13212將單片機(jī)和射頻芯片合二為一，內(nèi)部集成32K FLASH和2K RAM，這樣可以節(jié)省成本，又可以縮小電路板的體積，這在制作便攜式設(shè)備時(shí)也是非常有優(yōu)勢(shì)的。
終端辨位結(jié)點(diǎn)的硬件最為簡(jiǎn)單，一塊MC13212加上天線發(fā)射電路和電池就足夠了。天線的匹配可以參照FREESCALE提供的參考設(shè)計(jì)。
定位結(jié)點(diǎn)需要大量的計(jì)算，但MC13212集成的是FREESCALE的HCS08系列MCU，據(jù)我了解，這款MCU的運(yùn)算能力和內(nèi)存資源完成此功能是不需要外擴(kuò)其他的MCU或RAM的。所以定位結(jié)點(diǎn)只比終端辨識(shí)結(jié)點(diǎn)多了電源轉(zhuǎn)化部分的硬件，由于zigbee射頻芯片都是工作在3V的，所以我們要將交流市電通過(guò)變壓，整流濾波后，通過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)到3.3V，這種芯片現(xiàn)在市面上是比較常見(jiàn)的，我選擇了LM1117-3.3。
查詢結(jié)點(diǎn)是相對(duì)最復(fù)雜的。它除了具有跟定位結(jié)點(diǎn)相似的射頻部分硬件外，還具有與電腦進(jìn)行通信的硬件部分。跟電腦通信有很多種方式，可以采用RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口將數(shù)據(jù)上傳，也可以通過(guò)USB口上傳，我們這次采用的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息上傳。網(wǎng)絡(luò)部分我采用了比較簡(jiǎn)單的網(wǎng)卡芯片8019AS，MCU只需按照它的使用方法將要傳的數(shù)據(jù)送到它的緩存中，芯片就會(huì)自動(dòng)打包上傳，使用起來(lái)非常方便。
（二）.軟件邏輯：
軟件主要由兩部分組成，一部分是計(jì)算機(jī)上的顯示軟件，一部分是射頻部分的軟件。
計(jì)算機(jī)上的軟件主要是一些控制界面，用來(lái)顯示貨物的擺放情況和是否有貨物移動(dòng)或丟失等信息。這些信息來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)部分，查詢結(jié)點(diǎn)會(huì)定期上傳，以保證信息的及時(shí)性。這種顯示軟件采用VB 或VC編寫(xiě)都是很方便的。
射頻部分的邏輯是比較重要的，很多步驟并不是隨便就可以實(shí)現(xiàn)的，一定要在zigbee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以下是整個(gè)管理系統(tǒng)的流程圖。
整套系統(tǒng)中最容易產(chǎn)生誤差的地方是坐標(biāo)定位的計(jì)算，由于射頻信號(hào)受周?chē)锲返拿芏扔绊懕容^大，所以在計(jì)算時(shí)要留好充分的余量，查詢結(jié)點(diǎn)那邊在比較時(shí)也不是稍有不一樣就認(rèn)為位置改變，是要有一定的緩沖范圍的，這個(gè)范圍除了要通過(guò)理論計(jì)算外，還要通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)來(lái)修正。
倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)只是整套系統(tǒng)的一個(gè)方面的應(yīng)用，其實(shí)這套系統(tǒng)只需修改顯示軟件，即可用在其他定位場(chǎng)合，應(yīng)用前景非常廣泛。
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