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基于ZigBee技术的物流监控设计

基于ZigBee技术的物流监控设计

0 引言
目前,我国快递行业高速发展,但是,面对重大节日出现的快递压仓以及遗失的现象层出不穷。在这种情况下,快递的安全、遗失问题以及人们对自己网购物品的信息关注度就变得越来越突出。相对应的,科学技术事业也在不断地向前发展。近年来,在无线个域网WPAN技术领域,各种标准的技术在竞相发展,而这些不同技术的产品之间既有竞争又有互补。ZigBee正是在这种无线技术蓬勃发展的环境中应运而生的。在其他无线通信技术不断追求高速率、远距离的今天,ZigBee却向着低速率、近距离的方向迈进,其目的就是为了大幅度降低无线终端的成本及功耗。
ZigBee/IEEE 802.15.4标准为无线传感器网络提供了互联互通的平台。所以,应用ZigBee技术既可以通过对车辆的监控来有效加强对快递的跟踪及监控,又能大大降低功率消耗和开发成本。

1 ZigBee硬件方案
ZigBee显著的特J点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。ZigBee系统一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。其中,传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换,采集的信息包括温度、湿度、光强度、位置信息等;数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;数据传输模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收取采集数据;电源管理模块可以采用蓄电池,以方便节点的布置。
本文设计的方案采用串行通信模块,把RFID读取快递的标签信息、GPS模块收集到的经纬度信息以及其他节点发来的信息,通过GPRS以联网方式发送出去,或者接收服务器端发来的控制命令监控快递。通过ZigBee的协议栈架构,用SPI接口把GPS、GPRS、RFID等通信模块与数据处理单元MCU连接起来,设计出的方案具有物流的定位、防盗防遗失、报警等功能,既可以很好地跟踪监控快递,缓解人们心理上对自己财产的担忧,又可以大幅度地降低系统功耗,从而使得无线传感器网络平台的产业化成为可能。

2 车载终端硬件设计与实现
车载终端采用RFID技术实现对车厢内物品的智能监控。通过GPRS联网和GPS定位,服务器端可对物品进行定位查询与报警。图1所示为本终端的整体硬件结构框图。


2.1 MCU的选用
CC2530是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议。CC2530片上系统的功能模块集成有CC2530RF收发器,并增强了工业标准的8051MCU,256 KB的FLASH,64 KB的SRAM等高性能模块,同时内置了ZigBee协议栈。加上超低能耗,使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点,具有很强的市场竞争力。
2.2 电源模块
本系统电源采用LM2576S系列的稳压器,LM2576S系列的稳压器是单片集成电路,能提供降压开关稳压器的各种功能,可以驱动3 A的负载,并具有优异的线性和负载调整能力。图2所示为系统电源接口电路。


该电源的输入为12 V蓄电池,并能够将输出电压调节为3.3 V和5 V。其中,3.3 V给CC2530供电,而5 V则提供给GPS,GPRS模块使用。2.3 GPRS模块接口
GPRS采用分组交换技术,并对无线资源和网络资源的利用进行了优化,可灵活地分配GPRS无线信道分配。目前,GPRS为每个用户提供了较快的数据传输速率,数据传输速率甚至可以高达171.2 Kb/s,而当前的GSM网的数据传输速率只有9.6.Kb/s。
车载GPS设备主要完成系统通信。通过GPS接收机计算得到运动车辆的经纬度坐标位置,然后通过GPRS模块把物品的坐标位置以及RFID信息和报警发送到监控中心。本设计选用的模块为ZHD122AX,可以根据外界设置定时检测是否处于通讯状态。如果长时间停止通讯,设备将重新复位连接。图3所示为系统中的GPRS接口电路。


2.4 GPS模块
GPS模块采用台湾品牌公司(Holux)长天出的GR-87型号芯片。GR-87系列产品采用美国瑟孚(SiRF)第三代芯片组,并采用低噪声放大器技术和专用软件。
图4所示是GPS的接口电路图,GPS提供的外部接口是串口。由于CC2530既要与GPS通讯,还要和GPRS、RFID和FLASH交换数据,所以,GPS使用的USART1要在串口模式和SPI模式间切换达到复用目的。SC16IS752可以将SPI接口转换成两个串口,其中一个供GPS使用,另外,当GPS
工作时,还需要通过三态缓冲器SN74HC125n来控制输入输出。因此,当输出使能(OE)端为高时,对应的输出端将被禁用。本设计就是采用此特性来控制GPS的输入和输出的。


GPSGR-87模块发送数据采用异步串行方式。字符长度为8位,1位停止位,无奇偶校验位,波特率为9 600 b/s。其中,波特率是进行串行通信的一个关键参数,为确保串行通信的成功,通信双方必须使用相同的波特率。如果传输速率的误差超出允许的范围,将产生接收数据的错码和漏码,从而导致整个通信的失败。
2.5 RFID模块
终端采用泰格瑞德公司研制的RFID FR1001读写器。FR1001读写器是主要面向消费类市场的产品,它能以HF读写器同样的价格水平和体积提供完整的UHF读写器功能,可支持主要的UHF RFID标准,并支持读写、抗冲突等操作,同时提供用户API函数库。
上位机的请求或设置指令通过GPRS模块发送到CC2530进行集中处理,然后采集相应的RFID数据,这样,快递就能被实时监控了。一旦RFID查询不到快递上贴的标签号,则表明该快递已经遗失。
2.6 扩展的FLASH接口
为了更好地管理信息,系统中还增加了一个日志功能,能够查询近期的所有操作。由于ZigBee内部的51单片机的内存不能满足车载终端日志的存储量,因而需要外加一个FLASH来存储操作日志。
2.7 报警电路
如果上位机通过GPRS发送命令查询物品的标签号或者经纬度坐标,读取不到该物品的信息或者物品的位置不在指定的地理区域内,则会报警提醒工作人员注意。图5所示为系统报警电路。

3 关键技术分析
由于CC2530只有两个串口,所以,本设计利用SPI接口主设备可以与多个从设备同步通讯的特性,使用CC2530作为主设备,GPS、RFID和FLASH作为从设备来完成数据的交换。
ZigBee的协议架构是建立在IEEE 802.15.4标准之上的,基于Z-stack协议栈,底层中是各个设备的驱动程序,如GPS、GPRS、RFID、报警电路等模块的驱动程序。应用层用于完成各个模块的应用信息处理,如GPRS、GPS数据的解析等。
3.1 SPI接口
SPI接口由SDI(串行数据输入)、SDO(串行数据输出)、SCK(串行移位时钟)和CS(从使能信号)四种信号构成。CS决定了唯一的与主设备通信的从设备,主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时,数据由SDO输出,SDI输入,数据在时钟的上升或下降沿由SDO输出,在紧接着的下降或上升沿,由SDI读入,这样,经过8/16次时钟的改变,就可以完成8/16位数据的传输。
考虑到GPS可以隔一定时间采集一次位置信息,因此,GPS的串口与SPI接口可进行切换,SPI接口用于主控器与FLASH之间的通信,或者与RFID读写器之间通信。当GPS工作时,CPU的UART串口接到GPS的接口上,用于采集位置数据;当CPU需要存储信息时,CPU将该接口切换为SPI,与FLASH进行数据传输;当RFID模块工作时,CPU通过SPI接口采集RFID读取的标签信息。
3.2 Z-Stack协议
Z-Stack采用操作系统的思想来构建,可采用事件轮循机制。当各层初始化之后,系统进入低功耗模式;当事件发生时,唤醒系统,开始进入中断处理事件;结束后,继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生,则判断优先级,逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。整个Z-stack的主要工作流程,大致可以分为系统启动、驱动初始化、OSAL初始化和启动、进入任务轮循等几个阶段,图6所示为Z-stack系统流程图。



系统上电后,首先执行硬件的初始化,初始化完成之后,执行函数开始运行OSAL系统。事先应当安排好GPS、GPRS、RFID、报警事件的优先级。该任务调度函数按照优先级检测各个事件是否就绪。如果存在就绪的任务,则调用相应的任务处理函数去处理该事件,直到执行完所有就绪的任务。而如果任务列表中没有就绪的任务,则可使处理器进入睡眠状态实现低功耗。

4 结语
将ZigBee技术与GPS、GPRS、RFID等通信技术相结合设计的车载终端系统简单可行,体积小、功耗低,运行稳定。结合上位机软件,并根据快递对应的标签号,不仅可以管理快递,而且每个用户都可以登录系统查看快递的具体地理位置,在心中有个大致印象,从而给人们的生活习惯带来便利。
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