近年来, 电子商务已成为我国经济增长的重要引擎, 并已经进入密集创新和快速发展的新阶段。2015年, 我国的电子商务交易额为16.2万亿元, 同比增长21.2%。电子商务市场的快速发展, 也带来了快递业爆发式增长。据统计, 2015年, 快递企业业务量达到2 016.7亿件, 同比增长48%[1]。因此, 随着目前网络购物的快速增长, 特别是“互联网+”的新型消费模式提出, 可以预见未来物流业务量还将进一步增长。然而物流交易量的增加, 也给物流仓库存储带来较大的管理成本, 制约着物流企业的进一步发展。因此, 迫切需要进一步提高物流企业的自动化管理水平, 从而可以有效地降低企业的运营管理成本。而利用传感信息技术监测物流仓库的温湿度是一种有效的管理手段。有研究人员利用无线网络技术实现了对果蔬产品全程冷链的监控, 使得果蔬产品的保鲜品质得到有效控制[2,3]。李勤国[4]提出了利用冷藏集装箱对冷链产品进行保鲜。但传统的冷链方法主要在运输中对产品状态进行监测, 而未能有效地对仓储环境进行自动化监测。

在这种背景下, 本文提出了一种基于Zig Bee技术的物流仓库温湿度监控系统。该系统将常用的温湿度传感器和无线传感器网络相结合, 利用无线传感器网络移动性强、实时性好、组网方便等优点, 可以对物流仓库中的温度和湿度的监测数据进行无线传输, 并通过控制程序对温控和湿控设备进行自动控制。本文设计的系统可以有效地降低仓库的管理成本, 系统快速部署, 减少布线的成本。

基于Zig Bee技术的物流仓库监控系统设计方案如图1所示。具体可以分为三部分, 第一部分是温湿度传感器采集节点, 第二部分是汇聚节点和嵌入式设备, 第三部分是监控中心。传感器采集节点负责温度和湿度采集, 其包括美国德州仪器公司 (TI) 生产的CC2530芯片模块和温湿度传感器。汇聚节点负责对采集节点的数据进行汇聚, 其包括CC2530芯片模块。嵌入式网关设备负责将汇聚节点的数据信息进行解析处理、存储和转发至监控中心, 其包括1 GHz Cortex TM-A8 ARM处理器、androids 2.3操作系统和相关外接设备。节点之间的通信方式采用Zig Bee协议进行无线传输, 汇聚节点和嵌入式网关采用RS232串口通信方式, 嵌入式网关与监控中心采用485总线方式进行数据通信。监控中心可以实时显示部署在物流仓库中每一处位置的传感器监测状态。图1中, 序号1、2、3代表Zig Bee网络路由跳数步长。

图1 基于Zig Bee技术的物流仓库温湿度监控系统框图Fig.1 Temperature and humidity monitoring system for logistics warehouse based on Zig Bee technology   下载原图

本系统的硬件设计包括两部分, 分别为采集节点硬件设计、汇聚节点及嵌入式网关的设计。

采集节点采用TI公司生产的CC2530芯片, 其特点是低成本、近距离、低复杂度、自组织、低功耗[5,6]。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4和Zig Bee协议的芯片, 该芯片包括射频收发器、增强型8051 CPU、可编程flash、8 k B RAM和许多其他辅助功能模块。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短, 使其进一步降低能源消耗[7,8]。

采集节点的传感器使用SHT10温湿度传感器[9,10]。传感器SHT10既可以采集温度数据也可以采集湿度数据, 通过写入不同命令分别进行温度和湿度的采集与发送。SHT10传感器用于采集周围环境中的温度和湿度, 其工作电压为2.4~5.5 V, 25℃时测温精度为±0.5℃, 测湿精度为±4.5%。传感器封装采用贴片封装, 具有体积小的特点。图2中J12为传感器模组与CC2530的接口, C25为滤波电容, R36和R37为电阻, 传感器的2引脚为输出引脚。

图2 SHT10温湿度传感器硬件连接电路图Fig.2 Hardware circuit diagram for SHT10 temperature and humidity sensor   下载原图

嵌入式网关硬件设计如图3所示。嵌入式网关采用Tiny 210开发板, 该开发板中央处理器 (CPU) 采用基于Cortex-A8的三星CPU, 运行主频1 GHz。其存储空间包括512 MB的RAM和512 MB NAND flash。7寸液晶显示器 (LCD) 支持触屏操作, 用于androids程序显示和输入[11]。外部接口支持两个串口, 联合测试工作组 (JTAG) 接口和通用串行总结 (USB) 接口。两个串口分别用于CPU和汇聚节点的232通信、CPU和监控中心通信的485通信。汇聚节点采用TI公司的CC2530芯片, 通过RS232串口通信方式与嵌入式网关进行数据传输。

图3 嵌入式网关硬件设计Fig.3 Hardware design of embedded gateway   下载原图

本系统的软件设计包括三个部分, 分别为采集节点的程序设计、汇聚节点的程序设计、嵌入式网关的程序设计。采集节点的程序设计用于完成数据采集和发送, 汇聚节点的程序设计用于转发采集的数据至嵌入式网关, 嵌入式网关的程序设计用于数据存储、解析和转发。

由图4可以看出, 采集节点的程序主要完成CC2530和SHT10传感器的命令写入和数据读取。采集节点工作流程为:首先对SHT10内部寄存器进行初始化, 接着设置测量精度, 之后写入温度测量或者湿度测量命令, 最后将温度或者湿度测量数据转换并将其读出。

图4 温湿度传感器程序流程图Fig.4 Program flow diagram of temperature and humidity sensor   下载原图

SHT10采集节点传感器数据读取关键代码如下所示:

汇聚节点通过开发板的串口1实现CC2530芯片与嵌入式网关设备的232通信。由图5可以看出, 汇聚节点首先进行初始化, 扫描无线信道内的数据通信帧, 如果查询到有采集节点加入至Zig Bee网络, 则建立相应的路由信息。汇聚节点向已加入网络的采集节点发送握手命令, 如果汇聚节点收到采集节点的握手反馈消息, 则握手成功, 采集节点可以上传数据至汇聚节点。反之, 汇聚节点继续定时发送握手命令, 直到收到反馈消息。

图5 汇聚节点程序流程图Fig.5 Program flow diagram of sink nodes   下载原图

本系统的嵌入式网关采用androids平台进行开发[12], 主要包括界面显示, 数据接收、发送和解析处理功能, 通过调用底层封装库函数进行双串口通信, 一个为RS232, 另一个为RS485。RS232用于嵌入式网关与汇聚节点的短距离通信, RS485用于嵌入式网关和监控中心的长距离可靠通信。

为验证本文所设计的检验系统的可行性和正确性, 对本系统进行实际运行测试。本系统采用基于androids系统的开发板进行网关软硬件开发, 充分利用androids系统界面的友好性和便捷性, 同时节点软件设计采用C语言开发, 进行信号采集和传输。本系统的开发板系统如图6所示, 采集节点如图7所示。

图6 系统开发板Fig.6 System development kit   下载原图

图7 传感器采集节点Fig.7 Sensor acquisition node   下载原图

本文对本系统的Zig Bee网络传输性能进行了测试和分析, 以不同节点数量和不同传输距离进行了网络传输时间的测试。试验性能如图8所示。在试验中, 以200帧/s的速率传输数据帧, 在汇聚节点对采集节点的传输时间进行测试统计。通过试验分析可知, Zig Bee协议的网络性能主要受节点数量和传输距离影响。随着加入网络的节点增加, 导致在汇聚节点接受数据的时间增加。另外传输距离的增加, 也会导致传输时间的增加。从输出时间上可以看出, 本系统的传输时间保持在毫秒级, 可以较好地满足实时的需求。

图8 Zig Bee网络性能对比Fig.8 Comparison of network performance for Zig Bee   下载原图

监控中心可以实时显示由嵌入式网关转发来的传感器采集到的温度和湿度数据, 其实际运行效果如图9所示。显示信息包括每一处位置传感器的设备值、地址、采集时间、温度值和湿度值。同时, 当检测到的传感器数据超过正常值时, 系统可以自动报警和开启相关的控制设备, 对物流仓库进行温度和湿度调整。

图9 监控中心实际运行效果Fig.9 Actual operation results of monitoring processing center   下载原图

本文提出了一种基于Zig Bee技术的物流仓库温湿度监控系统设计方案, 对物流仓库的温度和湿度状态进行监测, 并通过Zig Bee技术将传感器数据传输至汇聚节点和嵌入式网关设备, 并由嵌入式网关设备将数据转发至监控中心;同时监控中心可以根据仓库状态自动开启相关控温和控湿设备。结果证明, 本文设计的系统可以有效提升物流企业的仓库状态监控效率, 降低仓库的管理成本, 达到智能化管理要求。