Aplicação do sistema RFID ZigBee na logística de terceiros

Este artigo usa o armazém plano da crescente empresa de logística terceirizada na Tianjin Binhai New Area como ambiente de aplicação para estabelecer um conjunto de soluções de armazenagem inteligente com base no conceito da Internet das Coisas e com valor escalável. No sistema RFID de armazenagem inteligente, cada uma ou várias Etiquetas eletrônicas RFID precisam ter seu leitor/gravador correspondente para detecção de informações, e cada grupo de leitores de Cartão RFID também precisa trocar dados com o servidor. No entanto, em operações de armazenagem, a superfície da estrada para elevação de veículos precisa ser lisa para garantir uma operação suave, e o espaço do armazém é alto e tem um vão amplo, então o layout com fio é inconveniente. Redes sem fio devem ser usadas para obter interação de dados sem fio. Portanto, a tecnologia ZigBee cada vez mais madura é usada para conectar leitores de cartão RFID sem fio para obter troca dinâmica de dados.

1 demonstração de solução de rede ad hoc ZigBee

Com base nas características operacionais de armazenagem logística de terceiros e nos requisitos reais de distância de transmissão, após comparar horizontalmente vários métodos de transmissão sem fio, uma solução de rede ad hoc sem fio baseada na tecnologia ZigBee foi selecionada. A rede ad hoc ZigBee é uma plataforma de rede de transmissão de dados sem fio de alta confiabilidade baseada na tecnologia de comunicação sem fio IEEE802.1 5.4 e composta por até 65.535 módulos de transmissão de dados sem fio. Dentro de toda a rede, cada módulo de transmissão de dados ZigBee pode se comunicar entre si, e a distância entre os nós pode ser infinitamente expandida do padrão de 75 m. Ela tem as características de fácil uso, operação confiável e baixo preço.

Em comparação com outros métodos de rede, a tecnologia ZigBee adota primeiro um método de comunicação de rede ad hoc. Cada nó ZigBee pode trabalhar de forma independente. Quando ocorre um problema em um nó, os dados podem ser transmitidos por outros nós e o novo RFID pode ser transmitido a qualquer hora e em qualquer lugar. Quando o leitor se junta à rede, isso não afetará o uso de toda a rede; se a tecnologia Wifi for usada, uma falha de um AP fará com que todos os leitores RFID na área de cobertura não consigam trocar dados. Em segundo lugar, a pilha de protocolos ZigBee é simples e relativamente fácil de implementar. A execução do ZigBee requer um sistema. O recurso é de cerca de 28 Kb, enquanto a pilha de protocolos Bluetooth é relativamente complexa e requer cerca de 250 Kb de recursos do sistema. Além disso, o ZigBee é mais flexível do que o Bluetooth e é mais propício para controlar os custos do sistema.

Em operações de armazenagem, de acordo com o processo de operação, um grande número de nós de transmissão de dados são necessários, e o custo de um grande número de equipamentos de comunicação e custos de comunicação quando executados na rede afetam diretamente o custo do sistema; a tecnologia ZigBee não gerará mais além do custo do investimento inicial. Cobranças de uso diário. Embora a taxa de transmissão do ZigBee não seja rápida (a banda de frequência de 2,4 GHz é de apenas 250 Kb/s), considerando as características das operações de armazenagem, a etiqueta eletrônica no palete de carga grava apenas o número de identificação da carga, e o comprimento do byte geralmente está dentro de 32 B, portanto, não terá muito impacto na taxa de transmissão e atende às condições normais de trabalho. Além disso, o ZigBee tem baixo consumo de energia. Sob o mesmo ambiente de fonte de alimentação, o tempo de trabalho contínuo do Bluetooth e do WIFI é muito menor do que o ZigBee.

Os protocolos relacionados a RFID estipulam apenas interfaces de comunicação, enquanto o ZigBee tem um protocolo de rede de comunicação relativamente completo. O ZigBee pode escolher a banda de frequência ISM de 2,4 GHz (banda de frequência comum global) na banda de frequência de trabalho, enquanto o RFID pode trabalhar em 915 MHz ou outras bandas de frequência. Ambos não interferem um no outro na frequência de comunicação. Considerando que o armazém é um ambiente interno e a distância entre os nós é relativamente próxima, o módulo ZigBee pode penetrar obstáculos de uma certa espessura durante a operação, então a atenuação do sinal é insignificante. Por meio de protocolos de rede auto-organizados, os dispositivos na rede podem se comunicar direta ou indiretamente sem fio. A confiabilidade e a utilização da frequência da rede são muito altas, e o ZigBee tem um modo de autenticação de segurança relativamente completo.

Em resumo, é mais apropriado escolher a tecnologia ZigBee como a rede de transmissão de dados para o sistema RFID em armazenagem inteligente de logística de terceiros.

2 Princípios e estruturas de rede

Uma rede ZigBee precisa ser composta de um coordenador central (Coordinator) e um roteador (Router). Cada rede ZigBee requer e precisa apenas de um coordenador central para criar a rede. Quando um nó se junta, ele aloca endereços para cnós hild; o roteador é responsável por enviar, receber e encaminhar dados e encontrar o caminho de roteamento mais adequado. Quando um nó se junta, os nós recebem endereços ao se juntar, então uma rede ZigBee pode exigir vários roteadores. Quando uma rede consiste em um coordenador central e N roteadores, a rede é uma rede MESH real, e todos os dados enviados por cada nó são automaticamente roteados para o nó de destino.

Aplicação do sistema RFID baseado em ZigBee em armazenagem inteligente de logística de terceiros

O sistema RFID baseado na tecnologia de rede auto-organizada ZigBee adota a estrutura de rede MESH e consiste em um nó de controle principal e vários subnós (o número de subnós depende do número de leitores RFID no armazém), conforme mostrado na Figura 1. O nó de controle principal é composto pelo servidor e pelo coordenador central através da porta serial; o subnó é composto pelo leitor de cartão e pelo roteador através da porta serial. A porta serial seleciona o modo de comunicação bidirecional RS 232.

Após todos os dispositivos ZigBee serem iniciados, o nó mestre começará a construir uma rede ZigBee, adicionará todos os subnós à rede, atribuirá endereços de rede a cada subnó e armazenará as informações no banco de dados. Após o leitor de cartão coletar os dados da etiqueta, ele primeiro envia os dados para o roteador conectado a ele. O roteador então envia os dados da etiqueta junto com as informações do leitor de cartão para o nó de controle mestre por meio da rede ZigBee multi-hop para armazenamento. O nó de controle mestre envia o leitor para o leitor de cartão. O comando de configuração de parâmetro é enviado ao leitor por meio da comunicação com o roteador e, em seguida, o dispositivo do nó de localização entra no modo de economia de energia; quando o nó de controle principal emite um comando para o nó filho, o dispositivo do nó de localização pode ser despertado a qualquer momento, procurando a rede do endereço do nó filho e, em seguida, transmitir o comando para o roteador por meio da rede multi-hop de acordo com o endereço de rede e, em seguida, passá-lo para o leitor de cartão correspondente por meio do roteador. Finalmente, o roteador envia uma notificação de confirmação do recebimento do comando para o nó mestre.

3. Layout do hardware de rede

Tomando como exemplo um armazém plano de logística de terceiros, os leitores de cartão são instalados em cada espaço de carga e na entrada e saída do armazém. As mercadorias entram e saem do armazém com o palete. A etiqueta eletrônica é afixada no palete e a etiqueta armazena o número de identificação das mercadorias. O equipamento ZigBee usado para rede é baseado no chip CC2530F256 da empresa TI, executa o protocolo ZigBee2007/PRO e o circuito foi integrado ao módulo ZigBee. Ele tem todas as características do protocolo ZigBee. A vantagem de usar o módulo é que os usuários não precisam entender o complexo protocolo ZigBee. Todo o processamento do protocolo ZigBee é concluído automaticamente dentro do módulo ZigBee, e os programas de nó são gravados no módulo de forma incorporada. O usuário só precisa transmitir dados pela porta serial.

Entre eles, o módulo ZigBee, o leitor de cartão e o servidor seguem o formato de comunicação bidirecional serial assíncrona RS 232; todos os leitores de cartão RFID e seus sinais indicadores são conectados ao microcontrolador por meio do dispositivo hub e são uniformemente controlados pelo microcontrolador. O leitor de cartão também é conectado ao microcontrolador por meio da porta serial RS 232. As fontes de alimentação do módulo ZigBee, leitor de cartão RFID e microcontrolador estão todas entre 5 e 12 V, usando níveis TTL padrão.

O servidor e o módulo ZigBee de controle principal são instalados na sala de despacho geral do depósito e são usados para enviar e receber instruções e despacho normal de operações de depósito; todos os leitores de cartão e dispositivos ZigBee são instalados nos locais reais do depósito e entradas e saídas do depósito para se tornarem um único nó de rede. Todos os nós são compostos de sistema RFID com base na transmissão sem fio ZigBee. A luz indicadora de status do espaço de carga controlada pelo microcontrolador é instalada acima do espaço de carga para lembrar a equipe das operações normais de depósito; a interface visual convertida após o processamento pelo banco de dados é exibida no computador host na sala de despacho por um lado e, por outro lado, exibida no depósito. Uma tela grande é fornecida para a equipe navegar.

Aplicação do sistema RFID (ZigBee) na logística de terceiros

Quando outros fluxos de trabalho e emergências ocorrem durante as operações de armazenagem, como contagem de estoque, transferência de mercadorias para áreas de depósito, mercadorias perdidas ou etiquetas danificadas, etc., o Leitor RFID desperta o roteador ZigBee a tempo por meio do sinal detectado em tempo real e, em seguida, transmite as informações em ummaneira oportuna. Ele é entregue ao coordenador central para o banco de dados de backend para gerenciamento de armazenamento. Quase todos os processos liberam os trabalhadores dos métodos operacionais tradicionais. O modo de coleta de informações precisas melhora a confiabilidade do gerenciamento de dados do sistema e previne efetivamente erros humanos.

4 Conclusão

Após o teste de operação real, os módulos ZigBee são separados por cerca de 3 m um do outro em um ambiente interno, e o sinal é bom. Em condições normais de operação de armazenamento, o tempo que leva para o servidor receber pacotes de dados é de cerca de 20 a 40 ms, o que atende às condições normais de trabalho.

Um armazém terceirizado comum com cerca de 500 espaços de carga requer cerca de 500 módulos ZigBee. O preço unitário dos módulos ZigBee no mercado é basicamente de RMB 40 a RMB 60. Portanto, o custo de instalação de um sistema de rede auto-organizada ZigBee no depósito é entre 20.000 e 30.000 yuans. Para empresas de armazenagem de grande e médio porte, é econômico. No entanto, para algumas pequenas empresas de armazenagem que valorizam os lucros, ainda é difícil melhorar seus negócios imediatamente. Portanto, se os custos não puderem ser controlados de forma eficaz, o plano não será generalizável. De acordo com diferentes tamanhos de empresa e diferentes características de depósito, o número de módulos ZigBee pode ser reduzido adequadamente durante a implementação da solução real. Por exemplo, vários leitores de cartão RFID adjacentes podem compartilhar um módulo ZigBee por meio de um dispositivo hub, reduzindo efetivamente os custos. No entanto, o problema resultante é que a quantidade de dados transmitidos por cada módulo ZigBee por vez é muito limitada. Se o problema do método de transmissão sequencial de dados e do intervalo de transmissão não puder ser bem resolvido, a velocidade de resposta e a eficiência de trabalho do sistema serão bastante afetadas. No entanto, acredito que esses problemas serão resolvidos em um futuro próximo com o desenvolvimento contínuo da tecnologia ZigBee.