物联网仓储实时监测关键技术的研究与实现＊

罗　剑

(浙江经济职业技术学院数字信息技术学院，浙江 杭州 310018)

0　引言

仓储环境监测是面向物流园区、仓库等各类物品存放现场，通过收集敏感数据辅助管理人员全面把握库存质量现状和发展趋势，消除安全隐患的作业过程，是物流供应链中非常重要的业务环节[1]。传统企业仓储现场环境监测主要采取人工巡检的方式开展[2]，既安排专人每隔一定时间巡检一次并做记录。这种操作方法劳动强度很大，不仅费时费力且容易出纰漏，工作质量难以保证，对于大型库区基本只能做到一日一检。随着国民经济的快速发展，运用信息技术改造和完善仓储管理过程，成为现代化企业的选择。

有线在线监测技术主要借助光电信号等作为传输介质，利用双绞线、电缆和光纤等媒介在计算机局域网、电话网等专用网络线路上传输信号，具有信号失真度小、无明显噪声污染、工作稳定的优点[3]。但是如果现存库区堆放货物过多，则一次性线路改造投入成本高昂，再行布线的可操作性不强。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由部署在监控区域内大量传感器节点互相通信形成的多跳自组织网络，是物联网感知层的重要技术形式[4]。随着无线通信、传感器制造、嵌入式应用等技术的日益成熟，WSNs可以在任何地点、任何时间、任何环境条件下获取敏感数据。由于WSNs具有自组织、快速部署、容错性高和无需布线等技术优势，因此非常适合环境数据收集、目标定位和野外探测等众多领域。本文采用无线在线监测方法，综合运用WSNs、嵌入式开发、串口通信和面向对象编程等多种信息技术，实现笔者参与实施的某化工企业仓储智能监测改造项目。

1　建设规划

目标企业本期投入改造的3号仓库共有两层，每层面积2308m2，包括3个主要存放区和1个配件区，放置有大量有机化工类产品，要求温度和光照度等参数保持在恒定范围之内。一旦温度或者光照等超出产品的承受范围，可能引发火灾爆炸等安全事故。项目实施前现场安装有温度计和照度计等简单设备，采用人工巡检方式，无法做到对仓储各点实时监测。因此需要一套完整、全面的监测系统，即仓储管理人员可以通过软件界面实时观察仓库环境参数的动态变化，当内部某处的温度或光照数据超出正常范围时，监测人员可以马上看到并采取相应措施。经过对现场堆放区域布局的充分了解，确定上位机和WSNs协调器安置于库房办公室。考虑到货架对无线信号的遮挡，系统设计确保必要的冗余度。在每层对应的主通道分别安放1个路由节点，多个终端感知节点分布于不同的货架区域，保证节点信号经过0～1次路由中转即可汇聚到协调器。根据库房条件，协调器和路由节点提供有源接入，终端节点使用电池供电，系统要求实现的技术性能指标有以下。

⑴ 使用寿命：终端节点电池维持工作6个月以上。

⑵ 反应时间：网络拓扑更新时间＜2秒，采集数据响应时间＜1秒。

⑶ 数据可靠性：监测温度误差＜1℃，光敏值正负偏差＜2%。

⑷ 系统稳定性：节点故障/月＜1次。

2　关键技术

2.1　ZigBee技术[5]

ZigBee协议是行业公认的WSNs标准协议，提供传感器节点间网络通信的短距离无线接入，是一种低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、低时延的无线网络通信技术。2.4GHz工作频段数据传输速率为250kb/s，节点间通信时延30ms，休眠状态激活时延15ms。低耗电休眠模式无源节点两节电池可以使用6个月以上。经过实际测试，空旷区域节点之间最大通信距离可达200米，如遇障碍物最大通信距离缩减至20米以内。鉴于ZigBee技术上述特点能够满足仓储监测系统的性能指标要求，故选择其作为系统网络传输协议。开发过程使用基于CC2530片上系统和ZigBee Pro协议的半开源代码库Z-Stack[6]实现。

2.2　嵌入式硬件

协调器内置ZigBee模块CC2530和其他WSNs节点无线通信，与上位机通过USB接口有线连接。节点板主要包括温度传感器、光敏传感器、ZigBee无线模块CC2530等，由电源或者2节5号电池供电。根据写入Z-Stack程序的不同，既能够作为路由节点，也可以作为终端感知节点。现场采集的温度和光敏数据源自节点板上的温度传感器TC77和光敏传感器TPS851。TC77是串行通信数字温度传感器，分辨率0.0625℃，利用SPI和MICROWIRE兼容接口将信号传送到CC2530处理。TPS851是一款超小型表面贴装光照度传感器，内部集成光电二极管和电流放大器电路，光谱灵敏度接近发光效率，输出信号具有波动小和线性程度高的特点。

2.3　串口通信技术

协调器通过USB接口和上位机之间数据交互的实质是串口通信技术，常见于外设和计算机间通信。通过数据信号线、地线、控制线等按位传输数据，不再赘述。

3　系统实现

3.1　组网结构

Z-Stack支持星状、树状、串状和网状等网络，可以完成多种形式的组网模式。考虑适用性和拓展性，本系统网络拓扑选择为网状网。在协议栈文件nwk_globals.h和nwk_globals.c中定义网络参数，包含五级深度路由，设置每级最多挂载6个路由节点和20个终端节点。监测系统含上位机、网关(协调器)、路由节点和终端节点等4种设备类型。其中，终端节点负责控制现场设备和采集现场数据；路由节点实现网络动态路由，兼备终端节点功能；网关负责建立ZigBee网络，存储和管理在网节点信息，兼备路由节点功能，并通过串口与上位机通信；上位机负责接收网关数据和发送用户操作指令，实现可视化和形象化的人机界面。

3.2　Z-Stack协议栈

协议栈原型程序是德州仪器公司提供的SampleApp案例，协议栈出厂时在NWK层已经实现了WSNs网络AODV路由协议[7]。系统功能在此基础上修改完成，包括协调器端和节点端应用层开发，分别叙述如下。

3.2.1　协调器软件

协调器软件作为用户监控端和无线传感器网络连接的纽带，其功能流程如图1。在网络建立过程中，协调器启动后发送NLMENETWORK-FORMATION.request原语完成网络初始化工作。随机选择一个个域网标识符(PAN_id)，将协调器网络地址置为0X0000启动和建立网络。PAN_id等过程参数保存在协调器的非易失性存储器(NV)中，只有人为重启才会恢复出厂设置。因此，如果协调器掉电重启直接从NV中读取上述参数建立网络，由此加快网络建立过程，缩短设备重新联网时间。在建立ZigBee网络之后，监测网络数据以完成两个主要任务，通过串口收发事件SPI_INCOMING_ZTOOL_PORT接收上位机指令发往目标节点；通过无线接收事件AF_INCOMING_MSG_CMD将目标节点返回的数据包发回上位机。

3.2.2　节点软件

路由节点和终端感知节点软件流程如图2。待入网设备主动发送NLMENETWORK-DISCOVERY.request原语扫描备选频道，在返回的信标帧中收集附近网络的技术参数，包括频道号、PAN_id、允许加入标志等。如果有可以加入的网络则调用NLME-JOIN.request原语请求加入该网络，步骤包括在网络层邻居表中搜索合适的父节点和发送MLME-ASSOCIATE.request原语的MAC层关联等。成功入网后刷新父子节点的邻居表，更新网络层信息库(NIB)中的网络参数，并将网络分配的PAN_id等参数保存在设备的NV中。利用轮询触发的ZDO_STATE_CHANGE事件将自身网络拓扑信息经协调器发回上位机。利用无线接收事件AF_INCOMING_MSG_CMD处理接收到的上位机指令执行相应传感器读写操作后返回结果。

图2　节点软件流程

3.3　上位机监控软件

监控软件采用VS2017.net环境开发，程序设计语言为c#。在网络自动刷新状态下将实时的WSNs拓扑图显示在操作界面中；用户可以通过上位机发出命令读取WSN网络中任意节点的传感数据，同时软件提供超限报警功能，图3展示了软件操作界面。

图3　上位机监控软件操作界面

3.3.1　数据存储结构

系统存储的在线数据主要有两类，一类用于构建WSNs网络拓扑，另一类是实时传感器监测数据，两类数据使用不同的数据结构。网络拓扑信息保存在DataTable平面表的实例中，每行存储一个节点，包括节点地址、父节点地址和节点类型信息；每个在网传感器监测数据均保存在PointPairList（点对链表）实例中，包括和时间相关的温度和光敏数据，提供导出到磁盘文件功能。

上位机和协调器通信有固定的数据格式，该数据包含32个字节，如表1。数据头分配1个字节；通过发送3个字节命令头告诉对方执行何种操作；物理地址是64位IEEE地址，即全球唯一的MAC地址，设备在生命周期中一直拥有该地址，通常由制造商或者被安装时设置；网络地址是每个节点入网后按照WSNs网络协议分配的2字节地址，类似于IP地址；数据缓冲区定义了16字节的内存空间存放传输数据；校验位采用加和方式进行，占据1个字节；帧尾是数据的结尾符，其与数据头相对应占用1个字节。考虑到WSNs的低功耗要求和Z-Stack协议栈自带数据传输识别和校验功能，协调器、路由器和终端节点中任意两个设备间传输的数据包去掉了数据头、加和校验位和帧尾3个字段。

表1　数据包格式

3.3.2　系统运行时序

监控软件两个主要功能分别为：建立网络拓扑和数据采集。用户打开串口与协调器相连后，发送广播搜索WSNs在网节点，随后在该节点上传响应信息存入DataTable平面表，完成建立网络拓扑功能，操作时序如图4所示。接着可以启用自动刷新功能完成节点的动态更新，根据节点返回的信号强度进行删除失联节点和加入新增节点的操作。在网络拓扑界面(图3)选中某个在网节点发送传感数据采集命令，相应目标节点接收指令采集感知信息返回后存入PointPairList点对链表，实现用户实时查看现场环境数据的功能。

图4　建立网络拓扑

4　结束语

利用物联网关键技术实现仓储环境实时监测能够使管理者更有效地对库区进行管理，具有投入少、见效快的优点。经过试运行测试，系统实际技术性能指标均达到或超过设计指标，可以满足用户当前的需求。下一步将从三个方面改进：首先，无线传感器网络节点能量受限，特别是功耗较大的路由节点如果因为环境限制无法满足有源条件，故需要改进AODV路由协议实现全体在网节点能耗同步；其次，多个近邻传感器发送的信息具有时空相关性和数据相关性，如何进行数据融合以进一步减少网络传输能耗是值得研究的问题；最后，使用云服务，将采集的实时数据汇总到云端，应用多样的数据挖掘技术为用户提供更为智能化的定制服务是必由之路。

参考文献(References):

[1]申悦,刘军,王程安.仓储环境监测的研究和进展[J].物流技术,2015.34(8):265-268

[2]张焕国.Wi_Fi和WSN技术在奶制品生产企业仓储管控系统中的应用[J].物流技术(装备版),2014.12:91-93

[3]庞庆范,罗建,崔亮,罗二平.一种医院供氧监测数据的有线传输技术[J].医疗装备卫生,2004.25(3):22-23

[4]钱志鸿,王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报,2013.35(1):215-227

[5]ZigBee Standards Organization,"ZigBee Specification(ZigBee Document 053474r20)",http://www.zigbee.org,2012.

[6]Texas Instruments Inc,"Z-Stack Developer's Guide(Document Number:SWRA176)",http://www.ti.com/,2011.

[7]InternetEngineeringTaskForce(IETF),"Ad hoc On-Demand Distance Vector(AODV)Routing",https://datatracker.ietf.org/doc/rfc3561/,2013.