基于ZigBee技术的电子货架系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.66MB 65 页 15积分
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目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 课题研究背景及意义 .................................................................................... 1
§1.2 国内外的发展现状 ........................................................................................ 2
§1.2.1 自动化立体仓库的研究现状 .............................................................. 2
§1.2.2 ZigBee 的研究现状 ..............................................................................3
§1.3 课题研究的主要内容 .................................................................................... 5
第二章 电子货架系统与 ZigBee 技术 ........................................................................6
§2.1 电子货架系统概述 ........................................................................................ 6
§2.1.1 自动化立体仓库简介 .......................................................................... 6
§2.1.2 自动化立体仓库的发展和优越性 ...................................................... 7
§2.2 RFID 技术 .................................................................................................... 10
§2.2.1 RFID 技术特点和发展 ...................................................................... 10
§2.2.2 RFID 系统的工作原理 ...................................................................... 12
§2.2.3 RFID 技术应用在物流系统上的优势 .............................................. 13
§2.3 ZigBee 技术 ..................................................................................................14
§2.3.1 ZigBee 技术特点和发展 ....................................................................14
§2.3.2 ZigBee 技术的应用领域 ....................................................................15
§2.3.3 ZigBee 技术应用在电子货架系统的优势 ........................................17
第三章 系统总体方案设计 ....................................................................................... 18
§3.1 系统设计原则 .............................................................................................. 18
§3.2 系统实现方案 .............................................................................................. 19
§3.3 系统网络拓扑结构选择 .............................................................................. 22
§3.4 系统设计流程 .............................................................................................. 23
第四章 软硬件设计与实现 ....................................................................................... 25
§4.1 硬件仿真与设计 .......................................................................................... 25
§4.1.1 硬件电路设计介绍 ............................................................................ 25
§4.1.2 串口通信模块和电源模块 ................................................................ 27
§4.1.3 天线理论 ........................................................................................... 28
§4.1.4 天线的仿真设计 ................................................................................ 33
§4.2 软件设计 ..................................................................................................... 38
§4.2.1 软件开发平台 .................................................................................... 38
§4.2.2 ZigBee 协议栈 ....................................................................................39
§4.2.3 ZigBee 数据通信实现过程 ................................................................39
§4.2.4 星型拓扑网络数据传输模式 ............................................................ 40
§4.2.5 两节点间通信的实现 ........................................................................ 42
§4.2.6 星型网络的组建 ................................................................................ 43
§4.3 无线通信算法 .............................................................................................. 46
§4.3.1 无线网络协调器软件设计 ................................................................ 46
§4.3.2 无线网络适配器软件设计 ................................................................ 46
§4.3.3 网络建立和节点入网流程 ................................................................ 47
§4.3.4 发送和接收数据程序模块 ................................................................ 49
§4.3.5 初始化程序和通信程序模块 ............................................................ 51
第五章 系统验证分析 ............................................................................................... 54
§5.1 系统稳定性测试 .......................................................................................... 54
§5.2 系统无线通信距离测试 .............................................................................. 54
§5.2.1 空旷环境测试 .................................................................................... 55
§5.2.2 有障碍环境测试 ................................................................................ 55
§5.2.3 网络的自愈合能力测试 .................................................................... 56
§5.3 ZigBee 丢包率和误码率测试 ......................................................................56
§5.3.1 测试环境建立 .................................................................................... 56
§5.3.2 测试结果分析 .................................................................................... 57
第六章 总结与展望 ................................................................................................... 59
参考文献 ..................................................................................................................... 61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 64
致 谢 ......................................................................................................................... 65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景及意义
在当前经济全球化的发展下，企业之间的竞争日趋激烈，物流系统的周转速
度将直接决定企业占领市场策略的成败和获得利润程度的高低，而物流系统的核
心和关键就是自动化立体仓库技术的使用。在第五次国际物流会议上，美国产业
界人士明确指出，当前美国全部生产过程中只有 5%的时间用于加工制造，95%
的时间在用于搬运、储存、调度等物流过程；
2005 年，我国物流费用占全国 GDP
的比率为 18.5%[1]。因此，无论是在流通领域还是在制造领域，对自动化立体仓
库技术的研究都已成为经济发展过程中的研究热点之一。
从对我国自动化立体仓库使用的行业分布情况分析，绝大多数自动化立体仓
库应用于制造工厂、流通企业和销售公司等领域。我国对物流系统的研究虽然己
经取得了较大的进展，但由于关注较晚，对自动化立体仓库仓储技术的研究成果
还比较少。以往在传统的自动化立体仓库中，读取所运货物的信息主要采取手工
输入方式、条码扫描方式、RFID 标签方式或这几种方式的组合。其中，手工输
入方式由于需要占用大量的人力资源，且书写错误率高、效率低，逐渐被条形码
技术取代。而条形码技术虽然大大改善了手工输入的强度，但在实际使用中具有
缺陷。具体表现为以下几个方面：一，需要使用光扫描，扫描器和条码之间不能
有物理遮挡，且所读取的数据仅仅是一个简单的身份 ID；二，读取距离有限，
同时只能采集到一个货物的信息，灵活性差；三，条形码易受污染，简单的污损
就会导致数据读取失败,制约了它在自动化立体仓库中的使用。
基于以上缺陷，RFID 技术从根本上对条形码技术进行了改进，具有以下优
点：一，RFID 可以实现非接触的自动读取大量标签的信息；二，可以在条件苛
刻的环境下使用，尘土、油漆和其它不透明的物质不会影响标签的识读性；三，
RFID 标签信息量大，可随意书写，也可以进行修改；四，能够轻易嵌入或附着
在不同形状、类型的产品上；五，标签的内容可以动态改变；六，标签的数据存
取有密码保护，安全性高；七，可以对 RFID 标签所附着的物体进行追踪定位等。
但在自动化立体仓库使用中存在以下缺点：一，仓库中金属质地货架容易屏蔽
RFID 标签信息；二，RFID 标签与阅读器识读距离较近；三，RFID 标签不能区
分阅读器，容易造成阅读器碰撞。这些因素都导致必须开发一种新技术，以解决
上述问题。
因此，为了解决上述技术的局限，本课题将新兴的短距无线通信协议 ZigBee
技术引入到自动化立体仓库中，每个网络节点间的通信距离可达几百米，实现远
基于 ZigBee 技术的电子货架系统的研究
2
距离货物信息读取、传输；采用 talk-when-ready 的碰撞避免机制，保证了信息传
输的可靠性，达到阅读器准确读取 RFID 标签信息。从而实现信息技术和电子货
架系统的充分融合，使物流管理更加数字化和自动化，全面提升企业的综合物流
处理能力。
研究自动化立体仓库的仓储问题不但能够优化自动化立体仓库的调度策略
和保证操作过程中准确无误，而且对其效率的提高具有积极的现实意义。不但在
现代物流领域起着非常重要的作用，而且在一定程度上体现着一个国家经济的发
展水平和现代化水平。
§1.2 国内外的发展现状
§1.2.1 自动化立体仓库的研究现状
自动化立体仓库是近年来迅速发展起来的新型仓储设施，作为现代物流的关
键技术，它在很大程度上体现了企业的发展状况。国内外研究机构在自动化立体
仓库系统的理论和技术研究方面投入了大量的人力物力，使得此项技术在硬件和
软件方面均有突飞猛进的发展。
国内，北京机械工业自动化研究所已为国内企业建立和完善 30 多座自动化
立体仓库，如济南第一机床厂、成都飞机制造公司、重庆长安汽车有限公司等。
据不完全统计，到 2005 年为止我国已建成的立体仓库已达 500 座[2]。现在我国
有多家单位研制和生产自动化立体仓库，如中国电子科技集团第二研究所、沈阳
飞机工业集团物流装备有限公司、太原双塔刚玉股份有限公司、上海爱鸥自动化
系统有限公司等。这些公司的产品主要侧重于无人运输车、立体货架、自动货柜
等仓储设备的研制和开发，还有少数公司将 RFID 技术和现场控制总线通讯方式
应用到自动化立体仓库中，但是将低功耗、短距离无线通信 ZigBee 技术应用到
自动化立体仓库中还未见使用，本课题将提出基于 ZigBee 技术的电子货架系统
的解决方案。
在仓储技术软件方面，山东大学的田国会等学者以某军械维修器材配送中心
为研究对象，针对一个多品种、小批量的大型、多功能自动化立体仓库，提出了
影响仓库运行效益的若干优化调度问题，并分别采用 Petri 网、时态逻辑、模拟
退火、遗传算法、神经网络等方法进行仿真研究[3] 。清华大学有学者研究自动
化立体仓库中的货位实时分配问题，对入库分配空货位和出库选择货位两方面问
题进行了研究。采用模拟退火的遗传算法，仿真结果表明可不同程度地减少堆垛
机的平均行程时间[4]。
自动化立体仓库在国外的发展也异常迅速。据不完全统计，至 80 年代中期，
美国拥有各种类型的自动化立体仓库 2000 多座；日本拥有 4000 多座；德国拥有
1000 多座[5]。其高度向 40 米以上的巨型立体仓库发展，普遍采用射频通信技术，
第一章 绪论
3
且实行网络化计算机管理，其研究与应用已经达到标准化、系列化、流水线生产
程度，并具有相当高的自动化水平。
Kim.Byung 等提出了一种基于调度和控制系统的混合智能 Agent 结构，并将
其应用于自动化立体仓库的货位拣选问题，仿真也证明这种方法可以优化货位库
存[3]；Byung-In Kim 等探讨了用智能 Agent 来对自动化立体仓库的调度和决策问
题进行建模[4]；Donald.Tepas 引入了一种知识信息系统来辅助决策立体仓库中的
调度问题并得到了应用[5]。
综合国内外自动化立体仓库的规划和设计制造水平而言，国外的立体仓库规
模大，功能完善，且已纳入企业的物流系统中，是企业整个物流系统的核心；而
国内的立体仓库除极少数外，大多数的规划设计还不够合理，只是将其孤立的作
为一个大设备来对待，而忽视它在整个物流系统中的位置和作用。这说明国内立
体仓库的规划设计水平有待进一步提高，尤其是立体仓库出入库货物调度的合理
设计等问题，需进一步加强研究工作。
近年来，国内高校逐渐涉及对物流领域的研究。上海海事大学的重点实验室
物流研究中心对库存优化、运输优化等领域有较多研究，成果显著。其中有上海
市曙光计划资助项目“现代物流产业经济理论与实践的研究”，浦东新区项目“现
代物流产业发展态势与加快推进浦东物流产业发展的对策研究”等。天津交通职
业学院的物流实训系统，培训学生自动化立体仓库、自动分拣货物系统、三位动
态仿真系统的实践，为物流行业培训大量实用型人才[6]。因此，对物流系统的研
究将成为一种趋势。那么，作为物流系统的核心自动化立体仓库，也将成为研究
的热点。
§1.2.2 ZigBee 的研究现状
近年来，随着通信和信息技术不断发展，出现了多种无线通信技术。它们各
有特色，发展迅速。下面对这些技术在不同场合的应用，通过表格做个对比。
表1.1 ZigBee 与其它无线通信方式的比较
市场名
红外
蓝牙
Wi-Fi
ZigBee
标准
IrDA
IEEE802.15.1
IEEE802.11b
IEEE802.15.4
主要用途
透明可见范围内的数
据传输，近距离遥控
电缆替代品，应用
于个人网络
Web,Email,图像
监测和控制网络、
家庭网络
传输速率(Mbps)
2左右
3
11
0.25
电池寿命(天)
100~1000
1~7
1~5
100~1000
网络大小
2
7
32
255/65000
数据/语音
只传播数据
数据、语音
数据
数据
基于 ZigBee 技术的电子货架系统的研究
4
传输距离(米)
1~2
1~>10
1~100
1~>100
优点
原理简单、功耗小、价
格低廉
价格较便宜，方便
速度，灵活性
可靠，低功耗，价
格便宜
从上表可以看出，相对于其他无线通信技术 ZigBee 更适用于仓库系统应用。
ZigBee 是刚刚发展起来的，很具有市场潜力的一种低速率、低功耗的近场
无线通信技术。在 2000 年12 月，IEEE（Institute of Electrical and Electronics
Engineers）标准委员会正式批准成立了 IEEE 802.15.4 工作组，它着手于开发一
个低数据率的 WAN(LR-WPAN)标准[7]。2001 年8月，ZigBee 联盟成立[8]。2002
年下半年，英国 Invensys、日本三菱电器、美国摩托罗拉以及荷兰飞利浦半导体
共同宣布加入 ZigBee 联盟，开始从事 ZigBee 技术研究，这一事件被业界称为
ZigBee 发展过程中的里程碑[9]。2003 年5月，IEEE802.15.4 的物理层、MAC 层
以及数据链路层标准公布[10]。目前，ZigBee 联盟的成员已经有 150 多家企业，
并且在迅速得发展壮大中。这些企业中包含了半导体的生产厂商、无线技术供应
商、消费类电子厂商等等，所有的公司都在致力于推动 ZigBee 的发展。
在国外，对芯片以及产品开发的最新研究成果有：飞思卡尔公司设计生产了
MC13191、
MC13192 和MC13193 无线射频收发器，这三个无线射频收发器可以
满足标准或非标准市场的不同需求。其中 MC13191 应对低成本应用， MC13192
可以满足用户组织自己非标准网络的需求，而 MC13193 是ZigBee 产品，用户可
以基于此建立起 ZigBee 网络[11]；Ember 公司提供了 EM250 系统晶片及 EM260
网络处理器。两款都嵌入了 Ember 现时第二代 ZigBee 通讯协定，专为使用包括
网状、星状及群树形等多种网络形态而设的自动组网及自动重构无线网络[12]；韩
国SK Telecom 公司在 2005 年10 月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术
为Ember 公司提供的 ZigBee 无线技术[13]；德州仪器(TI)在2006 年对 Chipcon 进
行收购，成为 ZigBee 芯片生产商的巨头。在 TI 推出的一系列芯片中，
CC2430/CC2431 由于采用标准的 8051 处理器，普遍受到业界的欢迎。最近 TI
宣布推出最新 Z-Accel 系列 2.4GHz ZigBee 认证网络处理器中的首款产品—
CC2480 以及业界集成度最高的 2.4GHz 射频前端 CC2591 ，TI 的MSP430 MCU
平台还将支持 Ember 的新一代 EM260™网络处理器；Atmel 公司生产的
AT86RF230 是ZigBee 与IEEE802.15.4 两种协议兼容的无线射频收发芯片。它能
减少网络中所需节点设备的总数，大大降低系统的组网成本；飞思卡尔与软件技
术集团共同开发了 SNI 芯片产品组合，它采用了飞思卡尔的 MC13193 射频收发
器和 HCS08 低压低功耗微控制器；英国捷力公司(Jennic)在2007 年举行的
“Wireless Japan 2007”上展出的 ZigBee 产品可以在 2mW 输出功率下实现 1km 传
输以及通过 ZigBee 模块将保存在 MP3 中的音乐数据经由 ZigBee 传输到扬声器
进行了播放；在 2007 年举行的 ZigBee Alliance 技术展示会上，Alektronna 公司
摘要：

目录摘要ABSTRACT第一章绪论.................................................................................................................1§1.1课题研究背景及意义....................................................................................1§1.2国内外的发展现状..............................................................

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