（控制理论与控制工程专业论文）基于zigbee技术的智能仓储系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 仓储作为供应链管理的核心环节，在物流中占据着核心的地位。随着物 资存储数量的不断增加，出入库频率急速增长，如何利用现代化技术来高效 地管理仓库，实时全面地掌握仓储信息，已经成为企业在竞争中取胜的重要 因素。z i g b e e 无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉 的新兴前沿研究热点，其包含了传感器技术、无线通讯技术和嵌入式技术等， 具有信息采集、传输和处理的能力，z i g b e e 无线传感器网络的发展和广泛应 用，将对人们的社会生活产生极大的影响，对产业变革产生巨大的推动作用。 本文在某烟厂的仓储中引入z i g b e e 技术，在自行开发的z i g b e e 设备组成 的树状网络基础之上，采用自适应加权的数据融合算法，编写了上位机监控 软件，构成了基于z i g b e e 技术的智能仓储系统。 硬件电路设计方面，设计并开发了基于m c 9 s 1 2 d g l 2 8 + m c l 3 1 9 3 的网络 协调器和基于m c 9 s 0 8 g t 6 0 + m c l 3 1 9 3 的z i g b e e 终端设备及路由器，并利用三 轴加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 和温度传感器t m p l 7 5 分别对货物的位置移动和 周围环境温度进行检测；在p c b 板设计方面，学习了2 4 g h z 高频设计规范， 充分考虑了元器件布局，电路的分块摆放，噪声干扰的抑制及射频天线的设 计，为提高z i g b e e 设备的通讯距离和通讯质量提供了保证；制作了h c s 0 8 系 列和h c s l 2 系列的程序下载和调试工具b d m 。 软件算法上，采用自适应加权的数据融合算法，在温度不超出报警范围 的前提下，减小了温度传感器采集的误差较大的数据所占的权重，降低了网 络的功耗，提高了通讯质量，增强了信息的准确性。 软件设计方面，通过研究i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议和z i g b e e 规范，在 c o d e w a r r i o rv 4 6 环境下，编程实现t z i g b e e 网络协调器的网络建立程序、运 行程序，在c o d e w a r r i o rv 6 0 环境下，编写t z i g b e e 路由器的加入网络及运行 程序，z i g b e e 终端设备的加入网络及运行程序；调试z i g b e e 网络协调器、路 由器、终端设备，使之组成适合运用在仓储系统中的z i g b e e 树状网络；在 v i s u a lc + + 6 0 环境下，编写了上位机的监控软件，对整个仓储系统的z i g b e e 设备进行管理，运用s q ls e r v e r2 0 0 0 对传送到上位机的信息进行存储，增强 了对货物信息的监控质量和效率。 山东大学硕士学位论文 基于z i g b e e 技术的智能仓储系统充分利用t z i g b e e 成本低、能耗小、网 络容量大、可靠性高的特点，系统测试表明本系统能够对货物进行实时、高 效、准确的管理，有效地消除了仓储隐患，且维护工作简单，大大提高了仓 储的质量和效率。 关键词：z i g b e e ；无线传感器网络；智能仓储；m c 9 s 0 8 g t 6 0 ；m c l 3 1 9 3 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a r e h o u s i n ga st h ek e r n e lo fs u p p l yc h a i n sp l a c e st h em o s ti m p o r t a n t p o s i t i o n i n l o g i s t i c s a l o n gw i t ht h en u m b e ro fm a t e r i a lt o s t o r ea n dt h e f r e q u e n c yo fi m p o r ta n de x p o r tr a p i d l yi n c r e a s i n g ，h o wt ou s en e wt e c h n o l o g yt o e f f i c i e n t l ym a n a g ew a r e h o u s ea n dg e tt h ew h o l ew a r e h o u s ei n f o r m a t i o ni nr e a l t i m eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf a c t o ro fm a k i n gt h ee n t e r p r i s es u c c e e di nt h e c o m p e t i t i o n z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw h i c hi n v o l v e sm a n ys u b j e c t sh a s b e c o m et h en e wr e s e a r c h i n gh o t s p o tf o c u s e db ym a n yc o u n t r i e s i ti n c l u d e s v a r i o u st e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss e n s o rt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g y i th a st h ea b i l i t yt oc o l l e c t ，t r a n s m i ta n d p r o c e s si n f o r m a t i o n w i t hi t sd e v e l o p m e n ta n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kw i l lb r i n gd e e pi n f l u e n c et op e o p l e sl i v e sa n dm a k eag r e a t p r o m o t i o nt ot h et r a n s f o r m a t i o no fi n d u s t r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e sz i g b e et e c h n o l o g yt ow a r e h o u s i n gm a n a g e m e n ta n d d e v e l o p st h ez i g b e ec l u s t e r t r e en e t w o r ki n d e p e n d e n t l y t h i sp a p e ra p p l i e s s e l f - a d a p t i n gw e i g h t e dd a t af u s i o na l g o r i t h mt ot h ei n t e l l i g e n tw a r e h o u s i n g s y s t e mb a s e do nz i g b e ea n dc o m p i l e st h eu p p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r e o nh a r d w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p sz i g b e ec o o r d i n a t o r d e v i c eb a s e do nm c 9 s12 d g l2 8 + m c 1319 3 ，z i g b e er o u t e rd e v i c e sa n de n d d e v i c e sb a s e do nm c 9 s 0 8 g t 6 0 + m c 1319 3 t h es y s t e mu s e st h r e e - a x i s a c c e l e r o m e t e rm m a 7 2 6 0 qa n dt e m p e r a t u r es e n s o rt m p17 5t ol o c a t et h ec a r g o s a n dg e tt h et e m p e r a t u r e o ft h ew a r e h o u s e o np c bd e s i g n ，t h i sp a p e rs t u d i e s 2 4 g h z h i g h - f r e q u e n c yd e s i g n s p e c i f i c a t i o n s ，t h ec o m p o n e n tl a y o u t ， e l e c t r o m a g n e t i cn o i s es u p p r e s s i o n ，a n d r fa n t e n n ad e s i g n t h i sp a p e ra l s o d e v e l o p sb d m t od o w n l o a da n dd e b u ge m b e d d e ds o f t w a r ef o rh c s 0 8a n d h c s l 2m c u i ns o f t w a r ea l g o r i t h md e s i g n ，o nt h ep r e m i s eo ft e m p e r a t u r en o tb e y o n d t h ea l a r mr a n g e ，t h ep a p e ra d o p t ss e l f - a d a p t i n gw e i g h t e dd a t af u s i o na l g o r i t h mt o r e d u c et h ew e i g h to fl a r g e rm e a s u r e m e n te r r o rt e m p e r a t u r es e n s o r s i ti m p r o v e s a c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya sw e l la sr e d u c i n gt h e 山东大学硕士学位论文 n e t w o r kp o w e rc o n s u m p t i o n o ns o f t w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e rr e a l i z e sz i g b e en e t w o r kc o o r d i n a t o rd e v i c e ， z i g b e er o u t e rd e v i c e sa n d e n dd c v i c e st h r o u g hs t u d y i n gi e e e8 0 2 15 4p r o t o c a l a n dz i g b e es p e c i f i c a t i o n su n d e rc o d e w a r r i o rv 4 6i d e t h r o u g hz i g b e e n e t w o r kc o o r d i n a t o r , z i g b e er o u t e ra n dz i g b e ee n dd e v i c e s ，t h ep a p e rr e a l i z e s i n t e l l i g e n tw a r e h o u s i n gs y s t e mu n d e rc o d e w a r r i o rv 6 0i d e t h ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs o f t w a r eb a s e do nv i s u a l c + + 6 0u s e ss q ls e r v e r2 0 0 0t os t o r ea l l k i n d so fi n f o r m a t i o na c q u i r e db yz i g b e en e t w o r k ，w h i c he n h a n c e st h ee f f i c i e n c y o fs t o r i n gg o o d s i n t e l l i g e n tw a r e h o u s i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yc a nf u l l yu s e s v a r i o u sa d v a n t a g e so fz i g b e e ，s u c ha sl o wc o s t ，s m a l le n e r g yc o n s u m p t i o n ，b i g n e t w o r kc a p a c i t ya n dh i g hr e l i a n c e s y s t e mt e s t i n gi n d i c a t e si tc a nc o n d u c t r e a l - t i m e ，h i g h l ye f f i c i e n ta n da c c u r a t ew a r e h o u s i n gm a n a g e m e n t ，e f f e c t i v ei n e l i m i n a t i n gt h eh i d d e nd a n g e r sw i t hs i m p l em a i n t e n a n c e ，i m p r o v i n gt h eq u a l i t y a n de f f i c i e n c yo fw a r e h o u s i n gg r e a t l y k e yw o r d s ：z i g b e e ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；i n t e l l i g e n tw a r e h o u s i n g ； m c 9 s 0 8 g t 6 0 ；m c l 31 9 3 i i i 己f i d c s m a c a i r d a w i f i 亿a n e t s i d e c t u w b c r c f f d i 强d m a c l q i c c a f c s a i b s p i s c i i i c i r q i i k b i p c b 山东大学硕士学位论文 缩略词注释表 r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s - c o l l i s i o na v o i d a n c e i n f r a r e dd a t a w h - e l e s sf i d e l i t y w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r di n s t i t u t e d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n u l t r aw i d e b a n d c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e m e d i aa c c e s sc o n t r o l l i n kq u a l i t yi n d i c a t o r c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t f r a m ec h e c ks e q u e n c e a p p l i c a t i o ni n f o r m a t i o nb a s e s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e r r u p tr e q u e s t r e a l - t t m ei n t e r r u p t k e y b o a r di n t e r r u p t p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 无线射频识别系统 免冲突载波检测多路接入 红外数据 无线保真 无线局域网 欧洲电信标准协会 数字增强型无绳通讯 超宽带 循环冗余检验 全功能设备 简化功能设备 介质访问控制层 链路质量指示 空闲信道评估 帧检验序列 应用信息基础 串行外围接口 串行通信接口 内部总线 中断请求 实时中断 键盘中断 印刷电路板 i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鱼生金叠日期：丕! 星：生鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：驻垒师签名：论文作者签名：盐篁赞师签名：硐专日 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 仓储是现代物流的核心环节，是企业物资流通供应链中的一个重要环 节。在仓储管理活动过程中，会产生大量的仓储物流信息，这种信息常伴随 着仓库订货、货物入库、货物管理、货物出库的发生而产生，一般具有数据 量大、数据操作频繁、信息内容复杂等特点。高效合理的仓储能够对货物进 行有效的管理和控制，调节供应和需求，降低成本。随着自动化技术、计算 机技术和信息技术的发展，仓储水平有了突飞猛进的提高。但是，随着业务 量的不断增长和客户需求的不断提升，仓储也面临着越来越大的挑战，如何 降低存货投资，加强存货控制与监管，降低物流和配送费用，提高空间、人 员和设备的使用率，缩短入库流程和查货时间，成为企业降低成本，提高自 身竞争力的关键。 仓储的发展经历了人工和机械化仓储、自动化仓储、智能化仓储三个发 展阶段。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱，自动化仓储与信息采 集决策系统的结合以及无线射频技术的运用使仓储朝着智能化的方向发展， 目前，智能仓储还处在初级阶段，2 l 世纪智能仓储将具有广阔的应用前景【1 ， 2 1 o 智能仓储管理系统能够监测货物的位置偏移和周围环境的温度，以及货 物进库、移库、出库等过程，通过对货物所处环境的信息进行采集和对货物 的存储、进出信息进行统一调配管理，具有较好的系统可扩展性和可重复性。 本文研究了基于z i g b e e 技术的智能仓储系统，利用z i g b e e 无线传感器网络， 能够使仓储管理人员快速查验进货货物，在已存储货物中快速、准确地找到 目标货物，对货物进行有效的调配，并运用三轴加速度传感器和温度传感器 对存储物品的位置偏移和周围环境的温度进行检测，发现越限情况后立刻通 知上位机的管理人员迅速对所发生情况进行处理。z i g b e e 技术是一种新兴的 短距离、低速率无线网络技术。z i g b e e 设备价格低廉，一旦建立无线传感器 网络，其维护工作非常简单，仅需要隔几个月更换钮扣电池，分配少数的管 理人员来对整个智能仓储系统进行检查、管理和维护，极大地节省了企业开 支，提高了仓储的效率，消除了仓储隐患，提高了企业竞争力。 山东大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，r f i d 主要被用于对货物标签的识别。u n i f i e db a r c o d e & r f i d 公 司开发的仓储管理软件，支持r f i d 阅读、移动计算和r f ( w i f i ) 网络，功 能包括便携数据采集应用、循环计数、多设备测量单元、无纸采集和接收、 实物库存、s q l 服务能力、串行数据能力、条码标签和货物跟踪【3 】；i n t e l l t r a c k 公司开发的i n t e l l i t r a c k 仓储管理系统，能够实现仓储空间管理、批量订单管 理、货物满载和进货撞车报警等，实现条码扫描和r f i d 识别，并通过无线网 络传输【4 】；i n t e r n a t i o n a lp a p e r ( i p ) 开发了采用r f i d 的仓储追踪系统， 该系统管理、分配中心内的一切库存、仓储、运输、销售【5 】；食品零售商克 罗格采用o a t 系统公司的r f i d 定位系统来跟踪已包装的食品，进行食品“保 鲜”管理，有效保持产品的新鲜度，准确识别已经腐烂变质的商品【6 1 ；另外， 国外沃尔玛仓储公司在仓储管理系统中使用r f i d 技术的同时，还使用了温度 传感器网络，通过网络温度检测可以使管理人员了解在货物运送期间物品的 融化情况【4 】；惠普公司( h p ) 在美国田纳西州孟菲斯的一家仓库中试验无线 传感器，用以改进公司物流的管理办法，这个实验性无线网络由采用图像识 别软件的小型印象传感器与r f i d 相结合，用以确保货物摆放到目标位置【_ 7 1 。 1 2 2 国内研究现状 我们国家的研究机构和研究人员也相继开展了射频识别技术在仓储中 的应用研究。如d c 软件公司实施r f i d 技术的对象是白沙物流信息管理系统， d c 软件公司的技术人员针对白沙物流的运作特点并结合国内物流业的发展现 状，巧妙地将r f i d 技术运用到了入货、盘点、调整、出货等仓储环节，实现 了技术上的突破【8 】；上海石化物流系统把r f i d 技术与b p m 相融合，扩展了信 息系统的应用层面和管理幅度f 9 】；西安电子科技大学通讯工程学院针对仓储 的现状，提出了一种基于r f i d 技术的仓储管理系统的优化设计方案，并详细 描述了系统设计原理和工程实现【1 0 】；也有公司将r f i d 应用在蔬菜供应链中， 然后结合蔬菜供应链的生产、加工、仓储、运输、销售等各环节，阐述了r f i d 技术的具体应用l l 。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 对基于z i g b e e 技术的智能仓储系统的研究，作者主要做了以下工作： 1 搭建硬件平台调试了8 位单片机m c 9 s 0 8 g t 6 0 、1 6 位单片机 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 、射频芯片m c l 3 1 9 3 、加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 、温度传感 器t m p l 7 5 和液晶模块o c m 4 x 8 c ； 2 研究了2 4 g h z 高频设计的规范，设计并开发t z i g b e e 的终端设备、路 由器和网络协调器；研究了i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议和z i g b e e 规范，编写了系 统程序并运用所开发的z i g b e e 设备组成树状网； 3 定时唤醒安置在货物上的终端设备，把货物自身信息和采集到的货物 的位置偏移和周围环境的温度等信息通过z i g b e e 无线网络发送到路由器并在 液晶模块上显示，路由器再把信息发送到网络协调器，网络协调器再通过串 1 2 1 上传到上位机；上位机通过z i g b e e 网络协调器向终端设备发送命令信息； 采用v i s u a lc + + 6 0 编写了上位机的监控软件，用s q ls e r v e r2 0 0 0 对信息进行 存储； 4 研制了m c 6 8 h c s 0 8 系列8 位单片机和m c 9 s 1 2 系列1 6 位单片机的程序 下载和调试工具b d m ，用于m c 9 s 0 8 g t 6 0 和m c 9 s 1 2 d g l 2 8 的程序烧写和在 线调试； 5 对降低z i g b e e 设备功耗进行了研究，利用芯片自有的省电模式实施低 功耗设计，使系统在3 v 钮扣电池供电的情况下尽量延长无线传感器网络的寿 命； 6 使用c s m a c a 算法，确保了数据通讯的有效性；采用数据融合技术 减少了无线网络中传输的信息量，增强了通信质量，减少了系统功耗。 1 4 论文结构 本文分六章对课题的研究工作进行阐述： 第一章阐述了课题研究的背景与意义，对比了国内、外的研究现状，归 纳了本文的主要研究内容，说明了本文的结构； 第二章通过对比z i g b e e 和其他无线通讯技术，介绍tz i g b e e 的应用领域； 详细阐述t z i g b e e 的网络类型，协议的层结构及其功能，以及z i g b e e 帧结构， 最后阐述t z i g b e e 设备建立网络的过程及z i g b e e 的路由； 山东大学硕士学位论文 第三章首先用整体系统框图的形式说明了智能仓储系统的架构，随后阐 述了智能仓储系统的功能和工作流程； 第四章总结t z i g b e e 的典型开发配置方案，然后对作者开发的z i g b e e 终 端设备、路由器和网络协调器进行了详细地阐述，接着介绍了射频电路的设 计原则，最后介绍了程序下载和调试工具b d m 的制作方法； 第五章了阐述了数据融合的提出及其作用，列举了数据融合的典型方 法，具体阐述了自适应加权法； 第六章介绍了系统软件的总体流程及开发环境，详细地阐述了z i g b e e 设 备初始化及建立网络的程序流程和z i g b e e 设备运行的程序流程，接着阐述了 z i g b e e 网络的路由成本及路由基本算法，讲解了系统软件的底层函数，最后 讲解了上位机监控软件； 第七章对本文的工作进行了总结，同时指出了本文工作存在的不足以及 对下一步工作进行了展望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术分析 2 1 z i g b e e 与无线通讯 2 1 1z i g b e e 的产生 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无 线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现 通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将信息从 一个传感器传到另一个传感器，因此有着非常高的通信效率。z i g b e e 是i e e e 8 0 2 1 5 4 技术的商业名称，该技术的核心协议由2 0 0 0 年1 2 月成立的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组制定，高层应用、互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年8 月组成 的z i g b e e 联盟负责。z i g b e e 联盟由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美 国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等组成，其中涵盖了半导体生产 商、i p 服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，例如h o n e y w e l l 等工业控制 和家用自动化公司，甚至还有m a t t e l 这样的玩具公司。所有这些公司都参加 了负责开发z i g b e e 物理和m a c 层技术标准的i e e e8 0 2 1 5 4 - 1 - 作组【1 2 。1 4 1 。 2 1 2z i g b e e 与其他无线技术的比较 无线技术可以分为高速率无线技术和低速率无线技术两类。高速率无线 技术主要包括i r d a 、w i f i 、h o m er f 、b l u e t o o t h 、d e c t 、h i p e r l a n 和u w b 等，低速率无线技术主要包括z i g b e e 和z w a v e ，具体技术特性如下【1 5 】： 1 i r d a i r d a 只支持点对点的连接，无法实现点对多点的连接，并且两个互相通 讯的设备必须对准，中间不允许有物体阻隔。由于以上几点限制，其应用前 景很大程度上受到限制。 2 w i f i 一两年之内，w i f i 仍然是无线接入的主流标准。用户可以用支持无线 l a n 的笔记本电脑或p d a 通过w i f i 技术实现无线上网，其成本相对其他无线 技术较高。 3 h o m er f 5 山东大学硕士学位论文 因其标准不公开，后续研发与技术升级较慢、缺少众多大公司的支持， 并且在与w i f i 等技术的竞争中并不占优势等，h o m er f 的前景普遍不被业界 看好。 4 b l u e t o o t h b l u e t o o t h 主要用做手持终端之间的链接，不过越来越多的p c 、m p 3 播放 器以及数码相机也在采用b l u e t o o t h 。2 0 0 5 年5 月，蓝牙小组s i g 宣布了和u w b 开发商的结盟，以满足同步大容量传输以及实现便携式设备的高质量视频应 用等方面的需求，但一台蓝牙设备最多同时和7 个其他的蓝牙设备相连，网 络容量受到限制。 5 h i p e r l a n h i p e r l a n 标准提供了类似于i e e e8 0 2 1 1 无限局域网协议的性能和能力， 分为两种规格：h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 。h i p e r l a n 1 标准采用5 g 射频频 率，可以达至u 2 0 m b p s 的上行速率。h i p e r l a n 2样采用5 g 射频频率，上行 速率可以达至u 5 4 m b p s 。h i p e r l a n 2 系统n 3 g 标准兼容。w l a n 系统可以用来 传送接受数据、图像以及实现语音通讯。h i p e r l a n 2 网络协议栈具有灵活的 体系结构，很容易适配并扩展不同的固定网络。 6 d e c t d e c t 是由e t s i 带i j 定的增强型数字无绳电话系统标准，是一个开放型的、 不断演进的标准，可为高用户密度的小范围通信提供话音和数据高质量服 务。 7 u w b 超宽带技术u w b 主要应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁和地面的 雷达系统和图像系统，适用于高速率传输场合。 8 z w a v e 传输速率只有9 6 k b s ，虽然z w a v e 又另增了一个可达4 0 k b s 速率的模 式，但主要应用领域还是家庭自动化。 无线技术特性比较见表2 1 ，对比其他无线通讯技术，z i g b e e 的主要优势 有： 1 成本低：模块的成本只有几美金，并且协议免收专利费。 2 能耗小：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月。 3 网络容量大：一个z i g b e e n 络内可以容纳6 5 0 0 0 个设备。 6 山东大学硕士学位论文 _ 4 可靠性高：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。采用完全确认的数据传输模 式，每个发送的数据包都需要接受方的确认。 5 安全：z i g b e e 提供了基于c r c 的数据包检查功能，采用了a e s 1 2 8 的 加密算法。 表2 1 无线技术特性比较 支持通讯 技术名称业务类型速率成本方向性安全性能 网络 距离( m ) i r d a数据否 21 6 m b s 较低 3 0 0较低 w i f i 数据、多媒体是 5 01 1 m b s 较高全方位低 h o m er f多媒体是l o o1 0 m b s适中全方位较低 b l u c t o o t h 数据和话音 否 1 0l m b s 适中全方位好 d e c t数据和话音否5 0 3 0 01 1 5 m b s低全方位好 h i p e r l a n数据、多媒体 是 3 0 1 5 05 4 m b s适中 全方位 好 u w b数据、多媒体否 卫j 面 是 进入省电模式并开启警戒功能 是否报警 飞 ，、 是否移库 、5 上 是否出库 是 否库是否正磊、! 蛐 越要苎三三哆 i 垄 图3 2 智能仓储系统整体流程 具体流程如下： 1 在每个货物上放置相应的z i g b e e 终端设备； 2 货物靠近仓库入1 2 1 时，自动力l l , k z i g b e e 无线传感器网络，通过无线网 络向上位机发送货物信息，由上位机智能分配库区； 3 叉车把货物送入对应库区，终端设备重新把库区路由器作为父设备， 并通过无线网络向上位机发送信息，上位机校验库区分配正确后，存储信息， 终端设备进入省电模式； 4 货物需要转移库区时，上位机决定转移调配方案，将货物终端设备上 的小灯点亮，指示叉车把货物转移到指定库区，到达指定库区后，终端设备 通过无线网络向上位机发送信息，上位机校验货物转移正确后，存储信息； 5 货物出仓时，上位机根据现有库存货物的信息，如货物类型及生产日 期等制定出货单，并通过无线网络点亮出库货物终端设备上的小灯，叉车到 指定库区按指示小灯取货出仓，上位机校验取货正确后，货物出仓； 6 货物存储在库区时，当货物上装置的终端设备检测到货物位置偏移超 过限度或周围温度超出限度时报警； 2 4 山东大学硕士学位论文 7 取下安置在出库货物上的终端设备，可以循环使用。 3 4 本章小结 本章对基哥：z i g b e e 技术的智能仓储系统进行了说明，给出了智能仓储系 统的整体架构图，阐述了智能仓储系统的具体功能，详细阐述了智能仓储系 统的工作流程。 山东大学硕士学位论文 第四章智能仓储系统的硬件设计 4 1 z i g b e e 开发配置方案 随着z i g b e e 技术的迅速发展，越来越多的公司开始关注并进行相关产品 的开发。新的z i g b e e 芯片和模块陆续问世，对z i g b e e 的学习与开发带来了极 大的便利，现在广泛使用的开发模块或套件有飞思卡尔推出的 m c l 3 1 9 3 + m s 9 s 0 8 g t 6 0 、m c l 3 1 9 3 + c o l d f i r e 套件、m c l 3 2 0 x 1 3 2 1 x 套件等 套件2 1 - 2 3 1 ，e m b e r 公司开发的e m 2 4 2 0 、e m 2 5 2 0 及e m 2 6 2 0 t 2 4 1 ，德州仪器公司 推出的c c 2 4 2 0 、c c 2 5 2 0 产品【2 5 ，2 6 1 。此外，富士通的无线方案w i l e k i t 、a t m e l 公司的a v rz l i n k 、j e n n i e 公司的j n 5 1 3 9 、r a d i o p u l s e 公司的m g 2 4 5 5 等也占 有一定的市场份额【2 7 ，2 8 1 。 考虑至l j f r e e s e a l e 公司有着比较成熟的z i g b e e 开发方案，提供协议栈， c p u 和射频芯片都有着比较好的稳定性，且编程调试器b d m ( b a c k g r o u n d d e b u gm o d e ) 可以自制，极大地降低了成本，所以本文选用了f r e e s c a l e 的开 发方案。 4 2 z i g b e e 设备硬件设计 z i g b e e 设备硬件设计包括z i g b e e 终端设备硬件设计、z i g b e e 路由器硬件 设计和z i g b e e 网络协调器硬件设计，射频芯片都使用m c l 3 1 9 3 ，终端设备和 路由器的主控芯片采用m c 9 s 0 8 g t 6 0 ，网络协调器的主控芯片采用的是 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 。 4 2 1z i g b e e 终端设备硬件设计 z i g b e e 终端设备包括m c 9 s 0 8 g t 6 0 、m c l 3 1 9 3 、m m a 7 2 6 0 q 、t m p l 7 5 、 l e d 、电源电路等。 1 m c 9 s 0 8 g t 6 0 终端设备单片机采用f r e e s e a l e 公司的q f p 4 4 封装的m c 9 s 0 8 g t 6 0 【2 9 - 3 1 ， m c 9 s 0 8 g t 6 0 是h c s 0 8 系列8 位单片机中的一款，功耗很低，片内集成4 k b r a m 和6 0 k b 的f l a s h ，另外还集成了8 个通道1 0 位a d 转换器，2 个s c i ，1 2 6 山东大学硕士学位论文 个s p i ，1 个i i c 等，还有相应的b d m 接口。该单片机的最突出特点是具有多 电源管理模式，在超低功率的s t o p l 模式下，内部电流为2 5 h a ；在局部低功 率的s t o p 2 模式下，内部电流为5 5 0 n a ；在正常功率的s t o p 3 模式下，内部 电流为6 7 5 n a 。复位( r e s e t ) 和中断请求( i r q ) 都能使m c 9 s 0 8 g t 6 0 从三 种s t o p 模式下唤醒；内部时钟模块提供1 k h z 的r t i ，可以在s t o p 2 和s t o p 3 模式下运行，以定时唤醒c p u ；k b i 还可以把m c 9 s 0 8 g t 6 0 从s t o p 3 模式下唤 醒。由于需要移植专用的通信协议栈，所以对单片机提出了较高的要求，另 外，为了降低系统的功耗，大部分时间需要单片机处在休眠状态，所以当数 据采集端没有接收到采集数据的请求时，就将数据采集端置于s t o p 模式下， 大大降低了系统的功耗。 2 m c l 3 1 9 3 射频芯片m c l 3 1 9 3 t 3 2 ，3 3 1 采用q f n 3 2 封装【3 4 ，3 5 1 ，外形尺寸只有5 m m x 5 r a m ，供电电压为2 0 3 4 v ，其内部结构如图4 1 所示： 图4 1m c l 3 1 9 3 内部结构 m c l 3 1 9 3 包含低噪放大器，1 0 m w 的功率放大器，压控振荡器，片上电 源供给调节单元，全扩频编解码单元，以及用来控制数据接收和发送的s p i 和中断请求输出，在2 4 g h z 采用o q p s k 的调制方式，最大传输速率为 2 5 0 k b p s 。m c l 3 1 9 3 提供了低成本高效率的短距离数据链路及网络解决方案。 m c l 3 1 9 3 的主要特点有： 2 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据i e e e8 0 2 1 5 4 标准设计，全频谱编码和译码； ( 2 ) 经济高效的c m o s 设计几乎不需要外部组件，可编程的时钟，供m c u 使用； ( 3 ) 标准的4 线s p i ( 以4 m h z 或更高频率运行) ； ( 4 ) 超低功率模式，7 条g p i o ( 通用输入输出) 线路。 m c l 3 1 9 3 的功耗如下： 在停止模式( o f f ) 下为0 2 p a ，在休眠模式( h i b e r n a t e ) 下为1 o “a ，在 瞌睡模式( d o z e ) 下为3 5 1 a a ，在空闲模式( i d l e ) 下为5 0 0 p a ，在发送模式 ( t r a n s m i t ) 下为3 0 m a ，在接收模式( r e c e i v e ) 下为3 7 m a 。 m c l 3 1 9 3 有两种数据传输模式：数据包模式和数据流模式，两种模式下 接收数据的过程如图4 2 所示： 图4 2 数据包模式和数据流模式下接收数据过程 发送数据的过程和接收数据的过程正好相反。 ( 1 ) 数据包模式 数据包模式使用了片上缓冲r a m ，数据发送时先把数据从m c 9 s 0 8 g t 6 0 通过s p i 传输到m c l 3 1 9 3 的片上缓冲r a m ，等一包的数据发完后( 一包数据 2 8 山东大学硕士学位论文 最多为1 2 8 b ) ，再打开m c l 3 1 9 3 的发送机把数据发送出去，发送完毕后， m c l 3 1 9 3 通过i r q 引脚给m c 9 s 0 8 g t 6 0 - - 个中断，表示发送完成。接收时， m c l 3 1 9 3 将接收的一包数据存在片上缓冲r a m 里，然后通过i r q 引脚给 m c 9 s 0 8 g t 6 0