基于ZigBee航材管理系统的设计

程丽霞

【摘 要】本文采用低成本、低功耗、低复杂度和低速率的ZigBee无线通信协议，设计包含信息采集系统、网络通信系统和数据分析及管理系统三层结构的航材管理系统。利用无源RFID标签和有源ZigBee标签对航材进行标识，通过三边定位算法对重要航材和固定航材进行定位，实现航材的管理和查询。另外，针对传输距离短、短地址冲突、其它2.4GHz信号干扰等问题，提出解决方案。

【关键词】ZigBee;航材管理系统;三边定位;短地址冲突

中图分类号： TP311.52文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）08-0193-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.084

【Abstract】This paper adopts ZigBee wireless communication protocol with low cost， low power consumption， low complexity and low rate to design a three-tier air materiel management system including information acquisition system， network communication system and data analysis and management system. The passive RFID tag and active ZigBee tag are used to identify the aircraft materials， and the trilateral location algorithm is used to locate the important and fixed aircraft materials， so as to realize the management and query of the aircraft materials.

【Key words】ZigBee; Aircraft Material Management System; Trilateral Location; Short Address Conflict

0 引言

目前一些单位航材管理仍采用传统的以纸张文件为基础的系统来记录和追踪管理，航材数量庞大、品种繁多、地点分散，造成管理单据众多、统计工作繁重，不但浪费了人力物力，还可能造成航材流失。另外，此管理方法效率较低，缺乏对航材定位、数量统计等业务环节的有效控制和精细管理。因此有必要在单位范围内利用物联网技术构建智能管理系统，为航材统计和资源调配提供可靠的依据。

智能管理系统的重点是设计信息传输网络，由于单位的航材和库房分布范围较广，网络布线复杂和施工困难，因此适合采用组网简单、扩展性强的无线传输技术。ZigBee是一种低成本、低功耗、低复杂度和低速率的无线通信技术[1]，设备辐射功率小于5mW，对其他设备的电磁干扰影响较小，且采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）直接序列扩频传输方式，无线抗干扰能力较强，信号有效传输距离最大可达100米，可用来设计智能航材管理系统，实时获取航材位置、数量等状态信息。

1 航材管理系统组成

本设计的航材管理系统分为三个子系统：信息采集系统，网络通信系统，数据分析及航材管理应用系统，如图1所示。

1.1 信息采集系统

信息采集系统对终端进行信息采集和标识，是航材管理系统的设备基础。航材的静态属性存储在标签中，动态属性由传感器实时探测[2]。根据航材在管理系统中不同的属性，终端将使用无源和有源两种标签。

（1）无源标签采用RFID射频识别技术，包括RID标签和读写器，用来标识静态属性。其中，RFID标签固定在航材上，本身无电源，每个标签都含有唯一的识别码，以便关联到相应的航材。读写器由RFID识别模块和ZigBee模块组成，RFID识别模块对在其识别范围内的RFID标签进行扫描，当标签收到读写器发来的信号时，标签被唤醒，通过射频耦合的方式获取足够的能量，同时，将收到的信号进行解调，从载波中还原出数字信号，然后根据其中包含的指令完成相应的操作，并将应答信息通过反向散射回送给读写器。当同时有多个标签出现时，读写器通过启动防冲突算法，逐个识别标签[2]。读写器的RFID识别模块可以在被标识的物体高速运动的情况下工作，读写距离在10米以上。读写器的ZigBee模块为FFD（Full-function Device）全功能设备，实现多个读写器之间联网，实现数据的多点无线采集和远距离传输。

（2）有源标签采用ZigBee的RFD（Reduced-function Device）精简功能设备，标识航材的动态属性。每个ZigBee标签在网络中有唯一的ID号，并关联到相应的航材。標签定时向系统上报信息，在空闲时进入休眠模式以降低功耗。资产管理是一个动态管理性工作。为提高管理效率，根据航材自身的重要性、消耗情况，将航材分为三类进行分级管理。

1.2 网络通信系统

网络通信系统采用ZigBee无线网络。ZigBee支持星形、树状、网状三种网络类型。对于仓库等室内空间，可以被Zigbee无线信号的通讯半径覆盖，不需要节点的中继，采用星形网络结构，便于远程管理和节点的增加和删减;对于室外空间，超过Zigbee无线信号的通讯半径覆盖，需要节点的中继，在仓库和建筑物的边界、门岗等区域部署ZigBee的FFD全功能设备（包括RFID读写器）作为路由器，在系统控制中心和数据汇聚中心配置ZigBee网络协调器，构建具有冗余链路和自愈能力的网状网。ZigBee网络的建立过程如下：

（1）网络协调器扫描所有的信道，选择一个合适的空闲信道，广播带有网络标识符的信标帧，以初始化网络;（2）接收到这个信标帧的节点，如果是FFD，则作为网络的路由器，建立网络连接，并接受其他设备加入网络的请求。如果是RFD，即信息采集终端，则通过ZigBee路由器或协调器连接到网络;

（3）如果需要加入网络的节点监听到多个信标帧时，它将选择一个距离协调器的最少跳数，作为自己的潜在父节点，发送连接请求，等待回应;（4）作为发送信标帧的节点在收到设备的连接请求后，将根据网络节点的参数设置和自身的连接能力决定是否接收这个父节点作为自己的子节点;（5）如果一个节点的连接请求被接收后，其父节点就会发送带有一个16位短地址的连接响应给其子节点。此时父节点的类型中对应的节点数目减1，并将已经加入网络的子节点记录在自己的邻居表中;相应的子节点将收到的短地址设置为自己的网络地址，并将自己的网络深度大小设置为其父节点网络深度增加1的值。这样节点间父子关系确立，节点成功加入网络。

2 系统可靠性设计

2.1 设计可靠传输距离

ZigBee工作在2.4GHz 频段，其传输范围会受到输出功率和信道环境的影响，信号穿越障碍物能力较弱，会导致ZigBee信号传输距离变小，经过测试发现信号稳定性较好的范围在30米左右。选用高性能的全向天线的ZigBee路由器，按照间隔30米的距离进行部署，并尽量避开障碍物阻挡。同时在ZigBee发射功率管制标准范围内，尽量增大发射功率，使无线信号可靠传输距离增大，同时发射功率不能调节过大防止带来ZigBee节点之间的信号相互干扰。

2.2 解决短地址冲突

ZigBee终端加入网络后，从协调器或者路由器得到一个16位短网络地址[3]。如航材离开单位后很快又返回，网络中可能会出现短地址冲突现象。原因是该设备有沿用其原有短地址的优先权，但此短地址很可能已经被分配给了其他ZigBee设备，从而导致其中一个设备无法正常通信[2]。因此系统设计时，增加ZigBee终端节点脱离网络的检测功能和终端节点在脱离网络后的复位重连网络功能，来有效避免短地址冲突。

2.3 减少其他2.4GHz信号的干扰

ZigBee技术与蓝牙、WiFi等无线技术共用免费的2.4GHz频段，可能会存在相互干扰。

（1）蓝牙采用跳频扩频（FHSS）方式将2.4GHz频段分成79个1MHz的信道，并在这79个信道间每秒钟跳1600次;而ZigBee采用直接序列扩频（DSSS）方式，所以蓝牙在79次通信中只有1次和ZigBee的通信頻率产生重叠，而且又迅速跳到另一个频率。所以蓝牙对ZigBee影响很小[4]。

（2）ZigBee与无线局域网技术WiFi在很多场合处于共存状态，且二者都使用直接序列扩频方式，信号干扰严重。所以部署ZigBee节点时，应尽量远离WiFi设备。

3 结束语

本文采用低成本、低功耗、低复杂度和低速率的ZigBee无线通信协议，设计包含信息采集系统、网络通信系统、数据分析及管理系统三层结构的航材管理系统。利用无源RFID标签和有源ZigBee标签对航材进行标识，通过三边定位算法对重要航材和固定航材进行定位，实现航材的管理和查询。另外，在可靠通信距离部署ZigBee路由器，增加ZigBee终端节点脱离网络的检测功能和终端节点在脱离网络后的复位重连网络功能，以及选用ZigBee通信频率重叠较少的通信信道组网，保证系统的稳定性和可靠性。

【参考文献】

[1]吕志安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[2]彭力.物联网技术概论[M].北京航空航天大学出版社，2011.