基于ZigBee和RFID技术的仓库货物定位系统设计

李苗苗+杨伟东+杨泽青+郭志刚+张极

摘 要： 针对现在仓库管理系统中货物存放混乱、查找困难等问题，基于RFID技术和ZigBee无线通信网络技术，设计了由RFID无源标签、RFID读写器、智能节点和网关组成的仓库货物定位系统。重点阐述基于空间三点定位算法的RFID网络定位系统；搭建基于ZigBee低速短距离传输的无线网络协议的低功耗、自组织数据传输网络；研究RFID数据传输和控制技术。经验证该系统可精确实现货物自动定位，有利于促进现代物流业向系统化、成本最小化、信息化、电子化方向发展，具有一定的理论研究意义和实际生产价值。

关键词： RFID； ZigBee； 自动定位； 自组织网络

中图分类号： TN95?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0103?04

Design of warehouse cargo positioning system based on ZigBee and RFID technologies

LI Miaomiao， YANG Weidong， YANG Zeqing， GUO Zhigang， ZHANG Ji

（Hebei University of Technology， Tianjin 300000， China）

Abstract： Since the available warehouse management systems has the problems of the disordered cargo storage and difficult finding， a warehouse cargo positioning system based on RFID technology and ZigBee wireless communication network technology was designed， which is composed of the RFID passive tag， RFID reader?writer， intelligent node and gateway. The RFID network positioning system based on spatial three?point location algorithm is described emphatically. The low?power consumption and self?organizing data transmission network based on wireless network protocol ZigBee with low speed and short?distance transmission was constructed. The RFID data transmission and control technologies are studied. The verification results indicate that the system can locate the cargo accurately and automatically， and promote the logistics industry development towards systematization， cost minimization， informatization and electronization.

Keywords： RFID； ZigBee； automatic positioning； self?organizing network

0 引 言

近年来我国物流业发展迅速，已经成为支撑国民经济发展的基础性、战略性产业，加快发展现代物流业，对于促进产业结构调整、转变经济发展方式、提高国民经济竞争力具有重要意义[1]。仓库存储作为现代物流运作中一个必不可少的重要环节，严重影响着物流业的发展。传统的仓库货物存放、管理技术已经无法满足现在大批量、快速流动和智能化盘点的市场需求。

本文将ZigBee技术和RFID技术结合起来，充分利用了ZigBee 无线传感网络自组织、灵活和低成本的技术优势[2]和RFID标签与读写器质量轻、体积小、成本低和寿命长的优点，实现了仓库内货物的自动精确定位。有助于仓库货物的快速盘点和智能监管，大大缩短了货物查找、整理和出库时间，节省了人力资源，提升了市场竞争力，具有一定的理论意义和实用价值。

1 系统总体设计

该仓库货物定位系统是将ZigBee技术与RFID技术相融合，通过合理的设计搭建整个控制系统从而实现对货物的定位，系统整体结构如图1所示。系统主要由二部分组成：RFID读写器和RFID标签组成的射频识别模块和基于ZigBee网络的无线信号通信模块。RFID定位技术和ZigBee自组网技术是系统设计的核心部分。

系统的工作过程如下：

（1） 对每个库房进行分区管理，把RFID读写器布置在每个区域的指定地点。

（2） 分别给货物配置RFID无源标签，标签还可携带货物的基本信息如：生产日期、保质期、产商和入库时间等。

（3） 系统开机上电后进行初始化，首先由协调器发起网络，分布在不同库房的路由器形成覆盖仓库全部范围的无线ZigBee网络。

（4） RFID读写器读取RFID无源标签的基本信息和位置信息，通过ZigBee网络将经过处理的数据传输给监管中心，实现对货物的监管和定位。

2 RFID射频识别模块设计

2.1 RFID射频识别模块的硬件设计

RFID（Radio Frequency Identification）是一种智能非接触自动射频识别技术，它通过射频信號自动识别目标对象并获取相关数据，具有非接触、安全性高、传输速度快、支持多目标识别的特点[3]。

RFID射频识别系统主要由两个部分组成：电子标签和读写器，如图2所示。

在整个 RFID 射频识别系统硬件电路结构中，电子标签和RFID 读写器模块中的主读写模块和从读写模块的电路中都由主控射频芯片、时钟模块、无线收发射频天线、电源模块和外围阻抗匹配电路等组成，主读写模块和从读写模块电路结构相似，不同之处在于，主读写器模块要通过其串口模块与ZigBee线通信网络中的ZigBee路由器进行信息通信，而从读写模块主要负责通过射频天线与电子标签进行数据传输[4]。主读写模块和从读写模块是通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）进行数据交换。射频天线是电子标签与 RFID 读写器之间数据信息传输的发送和接收装置。

综合考虑系统的通信速率、射频芯片的通信方式、数据处理能力，兼容性和扩展性等要求，同时结合市场上现有射频芯片的功能、成本造价和应用范围，选取了nRF24LE1作为主控射频芯片。同时采用了Nordic最新的无线和超低功耗技术，在一个极小封装中集成了包括2.4 GHz无线传输，增强型51 FLASH高速单片机，丰富的外设及接口等；外接电源接口通过USB?TTL模块来给RFID读写器底板供电；串口接口用型号为HL?340的USB转串口连接线；RFID射频模块中的电源转换芯片选择MAX3232；射频天线选择的是收发频率为2.4 GHz的无线收发天线。

2.2 RFID定位技术

本文中所采用的RFID定位技术是基于测距的定位，通过测量待定位RFID标签到已知位置坐标的RFID读写器之间的距离来计算目标位置。

测量RFID标签到RFID读写器的距离，一般可以依据信号到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）、信号到达角度（Angle of Arrival，AOA）和接收信号强度指示（Received Signal Strengh Indication，RSSI）等信息来进行判断[5?6]。利用信号强度法来测距不需要添加额外的硬件，并且信号强度的采集和计算都相对简单，故考虑成本和数据处理等因素，本货物定位系统选用基于RSSI的定位算法。

为节约空间，仓库货物存储时一般把货物置于货架上，故对于货物的定位为三维立体空间定位。如图3所示每个库房都以房间的一个顶点为原点建立三维坐标系，计算出库房内分布的RFID读写器的坐标，以及每个货位的坐标；当带有RFID标签的货物进入系统后，RFID读写器利用接收信号的强度来估计货物与自己距离，系统通过对比选取离货物最近的3个RFID读写器作为参考节点来计算货物位置，如图4所示。

假设三个RFID读写器的位置坐标分为：

A（），B（），C（）；待测货物的坐标为D（）；参考节点 A，B，C到定位节点D的距离分别为，，；则有：

（1）

通过对式（1）进行求解就可以得到货物D的坐标，然后查找坐标相对应的货位编号，从而实现在三维立体空间对货物的定位[7]。

3 ZigBee无线通信模块

3.1 ZigBee无线通信模块的硬件设计

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能，具有低功耗、低成本、安全、工作频段灵活等优点[8]。

本文中ZigBee的协调器或路由器采用相同的硬件设计，其硬件模块由CC2530通信模块、天线和外围阻抗匹配电路、电源转换模块、串口模块、USB通信接口、DEBUG 测试接口和时钟复位模块等组成。ZigBee 模块电路板实物图，如图5所示。采用美国TI/Chipon公司的ZigBee产品CC2530无线射频芯片作为系统的主控芯片，它的的工作频率为 2.400～2.485 GHz，传输的可视距离在外接 9 dBi天线时为1 600 m，在板载内置PCB天线的情况下为600 m，具有高抗干扰能力和低误码率，能很好地匹配滤波抑制谐波且能将杂散降到最低。系统可采用外接电源或USB 接口两种方式供电。由于PC使用的是RS 232接口标准，故串口模块设计时选择的是RS 232标准通信方法，传输速率为9 600 b/s，选用MAX3232实现CC2530与RS 232之间的LVTTL电平和RS 232电平的转换。电路板的编程接口设计为DEBUG接口，DEBUG接口可通过JTAG线连接CC Debugger仿真器便于对CC2530芯片进行实时在线仿真和调试。

3.2 ZigBee网络组建

ZigBee网络支持精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）和全功能设备（Full Function Device，FFD），在同一物理信道的个人工作范围的通信范围内，两个或者两个以上的设备可构成一个无线个人局域网通信技术（Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN）。ZigBee 协议标准中定义了星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑三种网络拓扑形式[9]，不同的拓扑结构决定了系统成本、运行速度和功能实现等。

综合仓库定位系统的需要采用网状拓扑结构组建无线传感器网络。系统设计ZigBee协调器为整个定位系统最终的数据收集节点，ZigBee路由器作为全功能设备，RFID读写器为精简设备仅具有网络接入和数据传输功能。ZigBee协调器是通信系统中最核心和最重要的设备，负责启动和管理整个网络， 也是网络的第一个设备，一个 ZigBee无线网络中只能设置惟一的一个 ZigBee协调器，它是无线网络的建立者和管理者、信息存储和网络指令的发送设备以及路由选择模块[10]。ZigBee协调器必须随时监听整个网络中各个设备的运行状况，所以要一直保持正常的工作狀态，否则可能会导致整个通信网络的崩溃。协调器通过RS 232串口线与上位机（PC）通信。

ZigBee路由器是数据传输的中继设备，功能是允许其他设备加入网络，并协助其子设备的通信，其数量随网络规模的加大而增多，ZigBee路由器具有终端设备的所有功能，同时具有终端设备所没有的路由功能和数据信息存储功能，是终端节点的父设备。所以系统中可以省去终端设备，转而用路由器来代替。路由器通过 RFID?ZigBee串口互联线与 RFID 射频模块相连接。系统网络通信结构如图6所示。

4 上位机查询系统

ZigBee无线通信网络采集来的信息经处理后会自动录入数据库，上位机查询系统可以对货物位置进行查询，同时可查询货物基本信息。上位机软件管理平台采用LabVIEW编程，通过LabVIEW 软件中的 SQL Toolkit工具包来实现对数据库的访问。

LabVIEW SQL Toolkit 支持所有ADO所支持的数据库引擎，与SQL兼容，与ODBC或OLE DB数据库驱动程序兼容。在任何情况下，用户通过改变DB Tools Open Connection VI 的输入参数Connection String就可以更换数据库，也可以将数据库中Column Values的数据类型转换为标准的LabVIEW Database Connectivity Toolset的数据类型。上位机查询系统如图7所示，可通过入库时间、货物编号、货物名称对货物进行查询，也可以通过入库时间范围对货物进行模糊查询。货物的位置编号如下：1?P?418，最前面的数字为库房编号，中间为库房内区域编号，最后的数字为货架货位编号。

5 结 语

本文给出了基于ZigBee技术和RFID技术的货物定位系统的设计方法，并对统统中RFID射频识别模块和ZigBee无线通信模块两大重要组成部分进行了详细介绍。实现了ZigBee网络的自组织和货物的自动定位。有效地解决了仓库系统中不适合有线部署、故障率高的问题；实现了对于货物的自动定位，并可精确到相应的货位号。同时可移植性强，投资成本低、组网快，能够根据仓库的具体规模进行灵活部署，具有一定的实际应用价值，对现代新型仓库管理体系的开发具有一定的借鉴意义。

注：本文通讯作者为杨伟东。

参考文献

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[9] 李瑞，赵晓军，袁颖，等.基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系统的研究[J].微型机与应用，2015（19）：60?63.

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