基于ZigBee物联网技术机房物料管理系统的设计

摘 要：传统机房物料管理模式存在人力劳动投入大、物料管理出错率高等问题，实现机房物料管理数字化和智能化是现代机房管理的必然趋势。本项目设计以ZigBee无线物联网技术为核心控制芯片，应用RFID射频识别技术、人体检测技术和液晶触摸屏技术组成局域机房物料信息检测、登记和数据显示系统，系统通过WiFi模块将数据上传到OneNET物联网云平台，实现物料与网络相连。系统能够实现物料存入和借出的实时记录，管理人员可以现场通过液晶屏观测物料信息，也可以通过手机或者电脑登录OneNET云平台远程观测机房物料信息，优化机房管理制度，减少机房物料出错率，降低机房管理人力投入，推进机房管理现代化建设。

关键词：物联网；数字化；智能化；ZigBee；RFID；云平台

中图分类号：TP277；TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.017

0 引 言

随着物联网技术的快速发展，社会建设以物联网技术为基础，突破了传统技术模式，创造了一批典型的智能化项目，如智慧城市、智慧交通、智慧医疗、智慧社区等。按照目前的物联网技术发展趋势，其应用范围将越来越广。依托物联网技术的技术特性，将其应用在机房物料管理中实现对物料的监控、跟踪、记录，将大大减少人力劳动。该系统能够精确跟踪物料的借出和放入，完成物料数量登记，管理人员可随时随地通过手机或者电脑查看，及时掌握当前机房物料状态。系统采用良好的人机交互模式，优化了机房物料管理程序，降低了机房物料的出错率，做到物料实时可监控、可检测，提高了机房物料管理的安全性，给机房物料管理带来的成效显而易见。

1 机房物料管理系统的总体设计框架

本系统主要由ZigBee物联网模块、RFID射频模块、人体检测模块、WiFi无线传输模块、液晶显示屏、OneNET物联网云平台组成。将机房中的每件物料都打上电子标签纸，RFID读卡器与ZigBee节点模块构成物料记录设备，实现物料数据读取登记。再利用ZigBee协调器模块与ZigBee节点模块构成局域网络实现局部通信，其中，由ZigBee协调器模块、人体检测模块、WiFi无线传输模块、液晶显示屏、OneNET物联网云平台构成物联网系统和人机交互系统，实现机房物料可视化和安全化管理。物联网机房物料管理系统总设计框架如图1所示。

2 系统硬件模块设计

2.1 系统主控制单元与网络拓扑结构选择

物联网机房物料管理系统主控制芯片采用TI公司研发设计的CC2530F256芯片，最小系统电路如图2所示[1]。该芯片具有丰富的片上资源，如256 KB的内存。芯片运行多种模式，能够实现超低功耗运行，工作稳定性强，内置增强型51内核，支持双串口通信，具有12位ADC采样模块等外设功能和接口。CC2530F256芯片综合了TI公司ZigBee协议栈（Z-StackTM）的功能，可提供强大的ZigBee无线通信网络的解决方案，在ZigBee无线通信网络中，支持多节点（65 536个）与多种网络拓扑结构，能够提供低复杂度、快速、可靠、安全的物联网技术解决方案。ZigBee无线局域网络拓扑有星形、树形、网状三种网络结构[2]，如图3、图4、图5所示。

以上3种ZigBee物联网拓扑结构的特点不同。

（1）星形拓扑特点：拓扑结构简单，节点间通信独立，数据处理简单；

（2）树形拓扑特点：拓扑延展性强，路由与节点实现数据融通分拣，数据传输距离远；

（3）网形拓扑特点：节点数据共享，数据传输距离远，控制快速。

综合机房物料管理系统的功能要求以及研发设计成本，基于ZigBee物联网技术机房物料管理系统设计网络无线拓扑结构建议选择星形拓扑结构，后面也可以转换成其他拓扑

结构[3-5]。

2.2 RFID标签读卡模块设计

RFID非接触式射频识别技术应用范围广，技术发展水平相对成熟，在门禁管理、停车场管制、自动化生产等方面都有很好的应用。RFID非接触射频识别技术的硬件主要由电子标签和RFID读卡器组成，电子标签存储有相应的可读写的卡号信息，在一定范围内，RFID读卡器能够通过天线读取电子标签的信息，RFID读卡器将卡号信息通过串口传输给ZigBee节点模块，完成机房每件物料信息的读取。RFID标签读卡系统构成如图6所示。

2.3 人体检测模块设计

人体检测模块系统采用HC-SR505人体感应模块，该模块基于红外线检测技术实现相关功能。模块检测灵敏度高，体积较小易安装，可靠性强，能工作在低电压工作模式，可广泛应用在各类自动感应和控制产品中。当人体进入传感器的感应范围时，传感器将输出高电平，人体离开或者超出传感器感应范围后，传感器将自动延时关闭高电平，输出低电平。通过人体检测模块，机房管理人员能够实时得知来访人员，并提高机房物料的安全性[6-7]。人体检测模块系统构成如图7所示。

2.4 液晶触摸屏显示模块设计

液晶触摸屏显示模块采用X5系列TJC1060×5A1_011C_l

型号液晶，该串口屏采用电容触摸模式，分辨率为

1 024×600，工作电压范围为4.65～6.5 V，拥有128 MB的FLASH和4 KB的串口指令缓存区，具有一组USART串口通信接口，液晶屏主控频率是200 MHz。该液晶屏集数据显示和控制触摸于一体，能够很好地适配系统人机交互应用，管理人员可以通过液晶屏的数据显示动态了解机房内的物料情况。液晶触摸屏显示模块系统构成如图8

所示。

2.5 WiFi和物联网OneNET云平台模块设计

机房物料管理系统要达到物与网络相连，实现物体数据与互联网通信，就要有能够让物与网络通信的桥梁。本系统采用ESP8266无线WiFi模块实现物与网络间的通信。ESP8266无线WiFi模块是一款性能优良的通信模块，具有串口通信接口，能够很好的与ZigBee协调器通信，控制命令简单，数据传输稳定性高，应用广泛。ESP8266无线WiFi模块通过连接机房存在的热点与物联网OneNET云平台进行数据传输，管理人员可通过手机或者电脑登录OneNET云平台远程查看或监控机房物料情况[8-10]。WiFi和物联网OneNET云平台模块构成如图9所示。

3 机房物料管理系统程序设计

本系统程序设计包括RFID标签读卡程序设计、基于协议栈ZigBee终端节点与ZigBee协调器局域网程序设计和ZigBee协调器与OneNET云平台数据交互通信程序设计。从前端物料数据监测到ZigBee模块组网进行数据互通，最后通过无线WiFi将数据传输至云平台进行分析和处理，三部分相应的程序函数设计如下：

（1）RFID标签读卡程序设计：

①串口发送读指令函数：UartTXDatastring（unsigned char *TData， int Tlen）；

②串口接收电子标签信息函数：UartRX_Get_String（Recdata，stringlen）；

（2）基于协议栈ZigBee终端节点与ZigBee协调器局域网程序设计：

①协议栈数据发送函数：SampleApp_SendPerio_Message（）；

②协议栈数据接收函数：SampleApp_Message

（afIncomingMSGPacket_t *pkt）；

（3）ZigBee协调器与OneNET云平台数据交互通信程序设计：

①WiFi连接无线路由函数：

void wf_Connect（） {

wf.config（）;//配置WiFi

wf.mode（）;//设置模式

wf.begin（）;//连接路由

while （status==0）;//等待连接成功

}

②WiFi收到数据发送到协调器串口函数：

void wfdata_send_USRAT（）{

for （i=0; ilt;strlen（wf_data）;i++） {

Wf_data[i] = serverdata[i].read（）;

Serial.println（data）;

delay（100）;

} }

③协调器串口数据通过WiFi发送到OneNET云平台：

void USRAT_send_wfdata（）{

for （n = 0;ilt;strlen（data_wf;n++） {

serverdata[i].write（）=data_wf[i];

delay（100）;

} }

4 结 语

本项目主要应用物联网技术、RFID射频识别技术和人体检测技术等，着重解决日常机房物料管理遇到的问题，降低机房物料管理的出错率，优化机房管理模式，便于管理人员通过手机或者电脑查询机房的物料情况。系统可二次开发，适应多种使用场景，有利于推进传统机房物料管理向数字化管理方向转型。

参考文献

[1]冼锂东，龙祖连.基于物联网技术智慧水产养殖系统的研究设计[J].物联网技术，2022，12（2）：67-68.

[2]德州仪器. 2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee®应用的CC253X片上系统解决方案[M].郑州新双恒信息技术有限公司，译.2009：12-248.

[3]张震宇，余林，黄文庆，等.智慧农业物联网系统[J].物联网技术，2019，9（5）：6-8.

[4]龙海燕，张天飞，丁娇，等.《ZigBee技术应用及无线传感网络

技术》课程改革探索[J].物联网技术，2017，7（12）：119-120.

[5]邓明明. RFID技术在仓储信息化管理中的应用[J].铁路采购与物流，2008，27（5）：28-29.

[6]李桂林. RFID技术在国外图书馆的应用研究[J].现代情报，2010，30（11）：156-158.

[7]曾频，高飞，宁璐.基于RFID技术的图书馆管理系统的分析与评价[J].图书情报工作，2013，57（9）：75-80.

[8]陆克涛，张海辉，张永猛，等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2014，42（5）：183-188.

[9]郑晓坤.基于RFID的数据采集系统关键技术研究[D].青岛：青岛科技大学，2013.

[10]张敏.基于RFID的物流追踪信息系统研究与开发[D].武汉：武汉理工大学，2008.

收稿日期：2023-04-10 修回日期：2023-05-17

基金项目：2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：基于NB-IoT组网的校园智慧照明控制系统研究与开发（2022KY1100）