Ứng dụng hệ thống RFID ZigBee trong hậu cần của bên thứ ba

Bài viết này sử dụng nhà kho phẳng của công ty hậu cần bên thứ ba đang phát triển ở Khu vực mới Thiên Tân Binhai làm môi trường ứng dụng để thiết lập một bộ giải pháp kho bãi thông minh dựa trên khái niệm Internet vạn vật và có giá trị có thể mở rộng. Trong hệ thống kho thông minh RFID, mỗi hoặc một số Thẻ điện tử RFID cần có đầu đọc/ghi tương ứng để cảm nhận thông tin và mỗi nhóm đầu đọc Thẻ RFID cũng cần trao đổi dữ liệu với máy chủ. Tuy nhiên, trong hoạt động kho bãi, mặt đường cho xe nâng cần phải bằng phẳng để đảm bảo vận hành thông suốt, đồng thời không gian kho cao, có nhịp rộng nên bố trí dây bất tiện. Mạng không dây phải được sử dụng để đạt được sự tương tác dữ liệu không dây. Do đó, công nghệ ZigBee ngày càng hoàn thiện được sử dụng để kết nối mạng không dây với các đầu đọc thẻ RFID nhằm đạt được khả năng trao đổi dữ liệu động.

1 Trình diễn giải pháp mạng đặc biệt ZigBee

Dựa trên đặc điểm vận hành của kho hậu cần của bên thứ ba và yêu cầu khoảng cách truyền thực tế, sau khi so sánh theo chiều ngang một số phương thức truyền không dây, giải pháp mạng ad hoc không dây dựa trên công nghệ ZigBee đã được chọn. Mạng ad hoc ZigBee là nền tảng mạng truyền dữ liệu không dây có độ tin cậy cao dựa trên công nghệ truyền thông không dây IEEE802.1 5.4 và bao gồm tới 65.535 mô-đun truyền dữ liệu không dây. Trong toàn bộ mạng, mỗi mô-đun truyền dữ liệu ZigBee có thể giao tiếp với nhau và khoảng cách giữa các nút có thể được mở rộng vô hạn từ tiêu chuẩn 75 m. Nó có đặc điểm là dễ sử dụng, vận hành đáng tin cậy và giá thành thấp.

So với các phương thức kết nối mạng khác, công nghệ ZigBee lần đầu tiên áp dụng phương thức giao tiếp mạng ad hoc. Mỗi nút ZigBee có thể hoạt động độc lập. Khi sự cố xảy ra trên một nút, dữ liệu có thể được truyền qua các nút khác và RFID mới có thể được truyền mọi lúc, mọi nơi. Khi đầu đọc tham gia mạng sẽ không ảnh hưởng đến việc sử dụng toàn bộ mạng; nếu sử dụng công nghệ Wifi, việc AP bị lỗi sẽ khiến tất cả đầu đọc RFID trong vùng phủ sóng không thể trao đổi dữ liệu. Thứ hai, ngăn xếp giao thức ZigBee rất đơn giản và tương đối dễ thực hiện. Chạy ZigBee yêu cầu hệ thống Tài nguyên khoảng 28 Kb, trong khi ngăn xếp giao thức Bluetooth tương đối phức tạp và cần khoảng 250 Kb tài nguyên hệ thống. Ngoài ra, ZigBee linh hoạt hơn Bluetooth và thuận lợi hơn trong việc kiểm soát chi phí hệ thống.

Trong hoạt động kho bãi, theo quy trình vận hành cần có một số lượng lớn các nút truyền dữ liệu và chi phí cho một số lượng lớn thiết bị liên lạc và chi phí liên lạc khi chạy trên mạng ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành hệ thống; Công nghệ ZigBee sẽ không tạo ra thêm gì ngoài chi phí đầu tư ban đầu. Phí sử dụng hàng ngày. Mặc dù tốc độ truyền dẫn của ZigBee không nhanh (dải tần 2,4 GHz chỉ 250 Kb/s) nhưng xét đặc điểm hoạt động kho bãi, thẻ điện tử trên pallet hàng hóa chỉ ghi số ID của hàng hóa và độ dài byte. thường nằm trong khoảng 32 B nên sẽ không ảnh hưởng quá nhiều đến tốc độ truyền và đáp ứng điều kiện làm việc bình thường. Hơn nữa, ZigBee có mức tiêu thụ điện năng thấp. Trong cùng một môi trường cung cấp điện, thời gian hoạt động liên tục của Bluetooth và WIFI ngắn hơn nhiều so với ZigBee.

Các giao thức liên quan đến RFID chỉ quy định giao diện truyền thông, trong khi ZigBee có giao thức mạng truyền thông tương đối hoàn chỉnh. ZigBee có thể chọn dải tần ISM 2,4 GHz (dải tần chung toàn cầu) trong dải tần làm việc, trong khi RFID có thể hoạt động ở dải tần 915 MHz hoặc các dải tần khác. Cả hai đều không can thiệp lẫn nhau về tần số liên lạc. Xét rằng nhà kho là môi trường trong nhà và khoảng cách giữa các nút tương đối gần nhau, mô-đun ZigBee có thể xuyên qua các chướng ngại vật có độ dày nhất định trong quá trình hoạt động nên độ suy giảm tín hiệu là không đáng kể. Thông qua các giao thức mạng tự tổ chức, các thiết bị trong mạng có thể giao tiếp không dây trực tiếp hoặc gián tiếp. Độ tin cậy và tần số sử dụng của mạng rất cao và ZigBee có chế độ xác thực bảo mật tương đối hoàn chỉnh.

Tóm lại, lựa chọn công nghệ ZigBee làm mạng truyền dữ liệu cho hệ thống RFID trong kho thông minh hậu cần của bên thứ ba là phù hợp nhất.

2 Nguyên tắc và cấu trúc mạng

Một mạng ZigBee cần phải bao gồm một bộ điều phối trung tâm (Điều phối viên) và một bộ định tuyến (Router). Mỗi mạng ZigBee yêu cầu và chỉ cần một điều phối viên trung tâm để tạo mạng. Khi một nút tham gia, nó sẽ phân bổ địa chỉ cho ccác nút hild; bộ định tuyến có trách nhiệm gửi, nhận và chuyển tiếp dữ liệu và tìm đường dẫn định tuyến phù hợp nhất. Khi một nút tham gia, các Nút được chỉ định địa chỉ khi tham gia, do đó mạng ZigBee có thể yêu cầu nhiều bộ định tuyến. Khi một mạng bao gồm bộ điều phối trung tâm và N bộ định tuyến, mạng đó là mạng MESH thực sự và tất cả dữ liệu được gửi bởi mỗi nút sẽ tự động được định tuyến đến nút đích.

Ứng dụng hệ thống RFID dựa trên ZigBee trong kho thông minh hậu cần của bên thứ ba

Hệ thống RFID dựa trên công nghệ mạng tự tổ chức ZigBee áp dụng cấu trúc mạng MESH và bao gồm một nút điều khiển chính và một số nút phụ (số lượng nút phụ phụ thuộc vào số lượng đầu đọc RFID trong kho), như trong Hình 1. Nút điều khiển chính bao gồm máy chủ và bộ điều phối trung tâm thông qua cổng nối tiếp; nút phụ bao gồm đầu đọc thẻ và bộ định tuyến thông qua cổng nối tiếp. Cổng nối tiếp chọn chế độ giao tiếp hai chiều RS 232.

Sau khi tất cả các thiết bị ZigBee được khởi động, nút chính sẽ bắt đầu xây dựng mạng ZigBee, thêm tất cả các nút phụ vào mạng, gán địa chỉ mạng cho từng nút phụ và lưu trữ thông tin trong cơ sở dữ liệu. Sau khi đầu đọc thẻ thu thập dữ liệu thẻ, trước tiên nó sẽ gửi dữ liệu đến bộ định tuyến được kết nối với nó. Sau đó, bộ định tuyến sẽ gửi dữ liệu thẻ cùng với thông tin đầu đọc thẻ đến nút điều khiển chính thông qua mạng ZigBee nhiều bước để lưu trữ. Nút điều khiển chính gửi đầu đọc đến đầu đọc thẻ. Lệnh cấu hình tham số được gửi đến đầu đọc thông qua giao tiếp với bộ định tuyến, sau đó thiết bị nút vị trí sẽ chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng; Khi nút điều khiển chính phát lệnh đến nút con, thiết bị nút vị trí có thể được đánh thức bất cứ lúc nào bằng cách tìm kiếm mạng của địa chỉ nút con, sau đó truyền lệnh đến bộ định tuyến thông qua mạng nhiều bước theo đến địa chỉ mạng, sau đó chuyển nó đến đầu đọc thẻ tương ứng thông qua bộ định tuyến. Cuối cùng, bộ định tuyến sẽ gửi thông báo xác nhận đã nhận được lệnh đến nút chính.

3. Bố trí phần cứng mạng

Lấy nhà kho phẳng hậu cần của bên thứ ba làm ví dụ, đầu đọc thẻ được lắp đặt trong từng khoang hàng hóa và tại lối vào và lối ra của nhà kho. Hàng hóa ra vào kho bằng pallet. Nhãn điện tử được dán vào pallet và nhãn lưu trữ số ID của hàng hóa. Thiết bị ZigBee được sử dụng để kết nối mạng dựa trên chip CC2530F256 của công ty TI, chạy giao thức ZigBee2007/PRO và mạch đã được tích hợp vào mô-đun ZigBee. Nó có tất cả các đặc điểm của giao thức ZigBee. Ưu điểm của việc sử dụng mô-đun là người dùng không cần phải hiểu giao thức ZigBee phức tạp. Tất cả quá trình xử lý giao thức ZigBee được tự động hoàn thành trong mô-đun ZigBee và các chương trình nút được ghi vào mô-đun theo cách nhúng. Người dùng chỉ cần truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp.

Trong số đó, mô-đun ZigBee, đầu đọc thẻ và máy chủ tuân theo định dạng giao tiếp hai chiều nối tiếp không đồng bộ RS 232; tất cả các đầu đọc thẻ RFID và tín hiệu chỉ báo của chúng được kết nối với bộ vi điều khiển thông qua thiết bị trung tâm và được bộ vi điều khiển thống nhất điều khiển. Đầu đọc thẻ Nó cũng được kết nối với vi điều khiển thông qua cổng nối tiếp RS 232. Nguồn điện của mô-đun ZigBee, đầu đọc thẻ RFID và bộ vi điều khiển đều nằm trong khoảng từ 5 đến 12 V, sử dụng các mức TTL tiêu chuẩn.

Máy chủ và mô-đun ZigBee điều khiển chính được lắp đặt tại phòng điều phối chung của kho và được sử dụng để gửi, nhận các hướng dẫn và điều phối thông thường các nghiệp vụ kho bãi; tất cả các đầu đọc thẻ và thiết bị ZigBee được lắp đặt tại các vị trí kho thực tế cũng như lối vào và lối ra kho để trở thành một nút mạng duy nhất. Tất cả các nút đều bao gồm hệ thống RFID dựa trên đường truyền không dây ZigBee. Đèn báo trạng thái khoang hàng hóa do vi điều khiển điều khiển được lắp đặt phía trên khoang hàng hóa để nhắc nhở nhân viên về các hoạt động nhập kho thông thường; giao diện trực quan được cơ sở dữ liệu chuyển đổi sau khi xử lý được một mặt hiển thị trên máy tính chủ trong phòng điều phối, mặt khác hiển thị trong kho. Một màn hình lớn được cung cấp để nhân viên duyệt qua.

Ứng dụng hệ thống RFID (ZigBee) trong hậu cần của bên thứ ba

Khi các quy trình công việc và trường hợp khẩn cấp khác xảy ra trong quá trình vận hành kho bãi, chẳng hạn như kiểm kê hàng tồn kho, chuyển hàng hóa đến khu vực kho, hàng hóa bị thất lạc hoặc nhãn bị hư hỏng, v.v., đầu đọc RFID sẽ đánh thức bộ định tuyến ZigBee kịp thời thông qua tín hiệu được cảm nhận trong thời gian thực và sau đó truyền thông tin trong mộtkịp thời. Nó được bàn giao cho điều phối viên trung tâm tới cơ sở dữ liệu phụ trợ để quản lý lưu trữ. Hầu như tất cả các quy trình đều giải phóng người lao động khỏi các phương pháp vận hành truyền thống. Chế độ thu thập thông tin chính xác giúp cải thiện độ tin cậy trong quản lý dữ liệu của hệ thống và ngăn ngừa hiệu quả các lỗi của con người.

4. Kết luận

Sau khi thử nghiệm hoạt động thực tế, các mô-đun ZigBee cách nhau khoảng 3 m trong môi trường trong nhà và tín hiệu tốt. Trong điều kiện vận hành kho thông thường, thời gian để máy chủ nhận các gói dữ liệu khoảng 20 đến 40 ms, đáp ứng điều kiện làm việc bình thường.

Một nhà kho thông thường của bên thứ ba có khoảng 500 chỗ chở hàng cần khoảng 500 mô-đun ZigBee. Đơn giá của các mô-đun ZigBee trên thị trường về cơ bản là từ 40 RMB đến 60 RMB. Do đó, chi phí lắp đặt hệ thống mạng tự tổ chức ZigBee trong kho là từ 20.000 đến 30.000 nhân dân tệ. Đối với các công ty kho bãi lớn và vừa, nó mang lại hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên, đối với một số công ty kho bãi nhỏ coi trọng lợi nhuận, vẫn khó có thể cải thiện hoạt động kinh doanh ngay lập tức. Vì vậy, nếu không kiểm soát được chi phí một cách hiệu quả thì kế hoạch sẽ không thể khái quát hóa được. Theo quy mô doanh nghiệp khác nhau và đặc điểm kho khác nhau, số lượng mô-đun ZigBee có thể được giảm một cách thích hợp trong quá trình triển khai giải pháp thực tế. Ví dụ: một số đầu đọc thẻ RFID liền kề có thể chia sẻ mô-đun ZigBee thông qua một thiết bị trung tâm, do đó giảm chi phí một cách hiệu quả. Tuy nhiên, vấn đề tiếp theo là lượng dữ liệu được truyền bởi mỗi mô-đun ZigBee tại một thời điểm rất hạn chế. Nếu không thể giải quyết tốt vấn đề về phương thức truyền tuần tự dữ liệu và khoảng thời gian truyền thì tốc độ phản hồi và hiệu quả làm việc của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng rất lớn. Tuy nhiên, tôi tin rằng những vấn đề này sẽ được giải quyết trong tương lai gần với sự phát triển không ngừng của công nghệ ZigBee.