基于ZigBee技术的物流监控设计

摘要：为了对物流行业快递实施有效监控，采用ZigBee技术与GPS、GPRS、RFID相结合的方法，给出了车载终端的整体硬件结构框架的设计方法，并对SPI接口和Z-stack协议等关键技术作了分析，从而实现了运输途中对快递的实时定位、跟踪和监控。
关键词：ZigBee；GPS；GPRS；RFID；SPI；Z-stack协议

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。