Zigbee技术在北京公共物流信息服务平台中的应用

前言

当前由于全球经济一体化进程日益加快，世界各国更加重视物流发展，我国也不例外。这一时代的物流业将呈现全球化、信息 化、网络化、智能化、柔性化、标准化和社会化的特征。大量的信息电子技术应用于物流业中。Zigbee 是一项无线网络的新技术。它是一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术。Zigbee技术的优点，使得全球的Zigbee市 场方兴未艾。Zigbee技术应用于很多领域。本文主要介绍Zigbee技术在公共物流服务中的一种应用。

Zigbee技术简介

ZigBee无线网络技术是新兴的一种低速率短距离无线通信技术，也是ZigBee联盟（ZigBee Alliance）所主导的无线传感器网络技术标准。是当前国际上备受关注的无线网络之一，是学科高度交叉的新兴前沿研究热点，其中包含了传感器技术、无 线通信技术和嵌入式技术等，具有信息采集、传输和处理的能力。ZigBee技术可以实现数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。而这些传感器只需要很少 的能量，以接力的方式通过无线的形式，将数据从一个网络节点传到另一个节点，它们的通信效率非常高。

ZigBee通讯协议概述

ZigBee并不是完全的独有的全新的标准，它的物理层和MAC子层采用了IEEE 802.15.4标准。完整的ZigBee协议栈由物理层、MAC子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层组成。ZigBee采用一般IEEE 802.15.4收发器技术与ZigBee协议栈的组合。ZigBee和IEEE 802.15.4正在快速发展，成为低功耗无线传输的标准。如前所述，Zigbee是IEEE 802.15.4与Zigbee Alliance 两个组织定义的标准。前者是针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点 到点通信的服务接口。Zigbee的协议体系架构参见图1。

Zigbee技术特点

① 低成本：因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。目前符合ZigBee的SoC/SIP单价已经降到3美元以下。并且Zigbee协议免收专利费；

② 低功耗：Zigbee的低数据传输速率，发射功耗不到1mw,在休眠状态下耗电量仅仅只有1μw，在距离短通信的工作状态下耗电为30mw，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上；

③ 短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，典型的搜索设备时延为30ms. 相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用；

④ 网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持6.5万个节点，一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活；

⑤ 体积小：ZigBee的SIP/SoC芯片尺寸已经可以缩小到7mm×7mm以下，和传感器组成的模块已经可以控制在2cm×2cm以下；

⑥ 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段，具有16个扩频通信信道；

安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴别功能，硬件本身支持CRC和AES-128。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。

优良的网络拓扑能力:ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔范围；

基于这些特点，ZigBee网络的应用范围非常广泛。可以融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。

公共物流信息服务平台简介

现代服务业是未来产业发展的重要趋势，是产业结构优化升级的主要方向，加快现代服务业发展已经成为我国国家发展的战略重 点。随着科技水平的提高和科学理念的普及，世界各国越来越重视科技基础条件与基础设施的建设，未来五年将是我国现代服务产业发展的关键时期。目前包括北京 市经济和信息化委员会、中关村管委会在内的各部门都在各自职能范围内搭建或正在搭建适合行业发展的各种政策和平台。

图1 Zigbee的协议体系架构

随着市场经济的发展，物流业已由过去的末端行业，上升为引导生产、促进消费的先导行业。现代物流业是以现代运输业为重 点，以信息技术为支撑，以现代制造业和商业为基础，集系统化、信息化、仓储现代化为一体的综合性产业。因而它的发展，必将对优化产业结构、增强企业发展后 劲、提高经济运行质量起到巨大的促进作用。为此，我国及北京地区均出台了相关政策鼓励现代物流业及其信息化发展。在这样的背景下，北京物流信息服务平台的 需求应运而生。北京物流信息服务平台既是一个物流相关信息互通共享平台，又是一个公共物流信息服务的业务平台。该平台首先实现物流相关单位的信息互联和一 站式查询。并提供面向市内物流企业的物流信息服务。

公共物流信息服务平台内容

公共物流信息平台是服务于现代物流的。既是一个物流相关信息互通共享平台，又是一个公共物流信息服务的业务平台。该平台 首先实现物流相关单位的信息互联和一站式查询。并提供面向市内物流企业的物流信息服务。同时此平台能够同业内的资深企业进行合作，在物流领域的现代化，信 息化服务上做一些有意的尝试。平台建设的内容包括：

（1）实现管理部门信息交换系统接口。形成北京物流信息服务平台与运输部门、生产企业、流通企业、第三方物流的信息采集和信息交换接口系统。

（2）实现物流信息服务系统。实现运力与货源网上在线配载，仓储资源供求信息的发布与查询，物流状态查询，最终实现物流信息服务过程的可视化。

（3）实现数据交换和信息接口。满足平台与外部公共信息平台进行数据交互共享，将极大提高信息交换效率。

（4）整合运输部门、生产企业、流通企业、第三方物流之间相关信息资源，利用平台整合各物流环节，为一站式办公构件技术基础，实现物流信息无障碍互联；向物流企业提供物流全过程的信息服务，加强货物在途情况掌握及对异常状况及时处理。

（5）形成北京物流信息服务平台服务体系，使平台贴合客户需求，定价计费合理，保障信息服务平台长效运营

（6）同相关企业合作，利用先进的科技手段。实现北京物流的现代化，信息化，数字化。

通过公共物流信息服务平台的建设，我们希望实现传统物流业向现代物流业的转变，不仅是物流业自身结构调整和产业升级的需要，也是整个国民经济发展的必然要求。

Zigbee技术在物流信息服务平台中建设中的应用

应用需求

现代物流的一项重要的表现之一就是系统的数字化。在物流管理链中仓储物流管理是非常重要的一环。目前最为流行的做法是引 入条码技术或者RFID技术。利用电子扫描条码或者RFID识别的技术实现对货物的信息化管理。通过科学编码，方便对物品的批次、保质期等进行管理。不过 只用条码或者RFID技术也存在技术局限。首先适用于短距离对商品的读写，由于条码和RFID的读取方式，都是通过条码和RFID标签微弱的反射或被动耦 合的信号来实现的，因而读取距离都非常有限,并且RFID读卡器须采用RS232/485有线连接方式通信，给系统架设和维护都带来了极大的不便。这些局 限性，大大限制了它的作用的发挥。而远距离的读写器价格比较高。也不能方便的组网。

网络架构

根据Zigbee的应用特点，我们在仓储管理信息系统中引入了Zigbee技术。利用Zigbee组成的无线传感器网络 低能耗、网络容量大、成本低的特点，开发基于Zigbee设备的无线传感器网。在每个库存的货物上安置一个Zigbee的终端设备，把设备对应货物的信息 以及采集到的货物的位置偏移和周围的环境温度、湿度等参数应用Zigbee无线通信的方式发送到终端设备的路由器。再由路由器转发到网络协调器，最后上传 至数据控制管理中心。

如图2所示， 系统采用Zigbee设备组成的树状网络，构成智能仓储管理。Zigbee网络协调器、路由器、终端设备组成了适合运用在仓储系统中的Zigbee树状网络。通过Zigbee的网络系统对出库，入库的产品进行管理。

功能描述

1） 货物入库

货物入库前置于货物上的Zigbee终端设备记录了货物的型号，出厂日期等信息。货物经过仓库入口，信息会自动加入到入口处的路由器网络中。并通过路由器将信息传给网络协调器。最后由网络协调器传给上位机。

2）货物出库

货物出库时，通过网络协调器，路由器，Zigbee终端设备指定要出库的货物，并确认出库信息正确，允许货物出库。

3） 库存数量清点

根据需要，上位机通过Zigbee网路系统可以定期对库存的物品进行清点。及时处理发现的问题。

4） 货物的区域定位、转移

仓库内的Zigbee网络可以实时读取货物的各种信息，控制中心据此判断货物的存放区域，统计仓库使用情况，并据此安排新货物的入库存放位置。

5） 温湿度检测与报警

Zigbee设备终端的温湿度传感器对货物周围的环境温湿度进行实时的监测。并根据预设置的环境参数的上下线。通过路由器向网络协调器报警。网络协调器将报警信息上传至上位机，通知管理人员及时处理。

小结

作为一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术，Zigbee是一种很好的短距离无线通信方式。Zigbee通信的技术特点，使它在短距离通信方面有着很大的发展空间。Zigbee在物流仓储信息系统的引入，提高了仓储物流的管理效率，消除了安全隐患，提高了企业竞争力。

图2 基于Zigbee的管理架构