RFID ZigBee süsteemi rakendamine kolmanda osapoole logistikas

See artikkel kasutab Tianjin Binhai uues piirkonnas asuva kasvava kolmanda osapoole logistikaettevõtte laopinda rakenduskeskkonnana, et luua asjade interneti kontseptsioonil põhinev ja skaleeritava väärtusega intelligentsete laolahenduste komplekt. Nutika laosüsteemi RFID-süsteemis peab igal või mitmel RFID-elektroonillisel sildil olema vastav lugeja/kirjutaja teabe tuvastamiseks ning iga RFID-kaardilugejate rühm peab samuti serveriga andmeid vahetama. Laotoimingutes peab aga sõidukite tõstmiseks kasutatav teepind olema sujuva töö tagamiseks sile ning laopind on kõrge ja laia ulatusega, mistõttu on juhtmega paigutus ebamugav. Traadita andmeside saavutamiseks tuleb kasutada traadita võrke. Seetõttu kasutatakse dünaamilise andmevahetuse saavutamiseks RFID-kaardilugejate traadita võrgustamiseks üha küpsemat ZigBee-tehnoloogiat.

1 ZigBee ad hoc võrgulahenduse demonstratsioon

Kolmandate osapoolte logistikaladude tööomaduste ja tegelike edastuskauguse nõuete põhjal valiti pärast mitme traadita edastusmeetodi horisontaalset võrdlemist välja ZigBee tehnoloogial põhinev traadita ad hoc võrgulahendus. ZigBee ad hoc võrk on suure töökindlusega traadita andmeedastusvõrgu platvorm, mis põhineb IEEE802.1 5.4 traadita sidetehnoloogial ja koosneb kuni 65 535 traadita andmeedastusmoodulist. Kogu võrgu piires saavad iga ZigBee andmeedastusmoodulid omavahel suhelda ja sõlmede vahelist kaugust saab tavapärasest 75 meetrist lõputult laiendada. Sellel on omadused, nagu lihtne kasutamine, usaldusväärne töö ja madal hind.

Võrreldes teiste võrgustusmeetoditega kasutab ZigBee tehnoloogia esmakordselt ad hoc võrgusidemeetodit. Iga ZigBee sõlm saab töötada iseseisvalt. Kui ühes sõlmes tekib probleem, saab andmeid edastada teiste sõlmede kaudu ning uut RFID-d saab edastada igal ajal ja igal pool. Kui lugeja võrguga liitub, ei mõjuta see kogu võrgu kasutamist; kui kasutatakse WiFi-tehnoloogiat, siis pääsupunkti rike põhjustab kõigi leviala RFID-lugejate võimetuse andmeid vahetada. Teiseks on ZigBee protokollipakk lihtne ja suhteliselt hõlpsasti rakendatav. ZigBee käitamiseks on vaja süsteemiressurssi umbes 28 kb, samas kui Bluetoothi protokollipakk on suhteliselt keeruline ja vajab umbes 250 kb süsteemiressurssi. Lisaks on ZigBee paindlikum kui Bluetooth ja soodustab süsteemikulude kontrollimist. Ladustamistoimingutes on vastavalt tööprotsessile vaja suurt hulka andmeedastussõlmi ning tohutu hulga sideseadmete maksumus ja võrgus töötamise sidekulud mõjutavad otseselt süsteemi maksumust; ZigBee tehnoloogia ei genereeri peale esialgse investeeringukulu rohkem igapäevaseid kasutustasusid. Kuigi ZigBee edastuskiirus ei ole kiire (2,4 GHz sagedusriba on vaid 250 Kb/s), siis arvestades laotegevuse iseärasusi, salvestab kaubaalusele kinnitatud elektrooniline silt ainult kauba ID-numbri ja baitide pikkus on tavaliselt 32 B, seega ei mõjuta see edastuskiirust oluliselt ja vastab tavapärastele töötingimustele. Lisaks on ZigBee energiatarve madal. Sama toiteallika keskkonnas on Bluetoothi ja WiFi pidev tööaeg palju lühem kui ZigBee-l.

RFID-ga seotud protokollid määravad kindlaks ainult sideliidesed, samas kui ZigBee-l on suhteliselt täielik sidevõrgu protokoll. ZigBee saab töösagedusribas valida 2,4 GHz ISM-sagedusriba (globaalne ühine sagedusriba), samas kui RFID saab töötada 915 MHz või muudes sagedusribades. Mõlemad ei sega teineteist sidesagedusel. Arvestades, et ladu on sisekeskkond ja sõlmede vaheline kaugus on suhteliselt väike, suudab ZigBee moodul töötamise ajal tungida läbi teatud paksusega takistuste, seega on signaali sumbumine tühine. Iseorganiseeruvate võrguprotokollide abil saavad võrgus olevad seadmed suhelda otse või kaudselt juhtmevabalt. Võrgu töökindlus ja sageduskasutus on väga kõrged ning ZigBee-l on suhteliselt täielik turvalisuse autentimisrežiim.

Kokkuvõttes on kolmanda osapoole logistika nutika laonduse RFID-süsteemi andmeedastusvõrguna kõige sobivam valida ZigBee tehnoloogia.

2 Võrgu põhimõtted ja struktuurid

ZigBee võrk peab koosnema keskkoordinaatorist (Coordinator) ja ruuterist (Router). Iga ZigBee võrk vajab võrgu loomiseks ainult ühte keskset koordinaatorit. Kui sõlm liitub, eraldab see aadressid c-lehild-sõlmed; ruuter vastutab andmete saatmise, vastuvõtmise ja edastamise ning sobivaima marsruutimistee leidmise eest. Kui sõlm liitub, määratakse sõlmedele liitumisel aadressid, seega võib ZigBee võrk vajada mitut ruuterit. Kui võrk koosneb keskkoordinaatorist ja N ruuterist, on võrk tõeline MESH-võrk ja kõik iga sõlme saadetud andmed suunatakse automaatselt sihtsõlme.

ZigBee-põhise RFID-süsteemi rakendamine kolmanda osapoole logistika nutikas ladustamine

ZigBee iseorganiseeruval võrgutehnoloogial põhinev RFID-süsteem võtab omaks MESH-võrgu struktuuri ja koosneb peamisest juhtimissõlmest ja mitmest alamsõlmest (alamsõlmede arv sõltub laos olevate RFID-lugejate arvust), nagu on näidatud joonisel 1. Peamine juhtimissõlm koosneb serverist ja keskkoordinaatorist jadapordi kaudu; alamsõlm koosneb kaardilugejast ja ruuterist jadapordi kaudu. Jadaport valib kahesuunalise RS 232 side režiimi.

Pärast kõigi ZigBee seadmete käivitamist hakkab peasõlm ehitama ZigBee võrku, lisab võrku kõik alamsõlmed, määrab igale alamsõlmele võrguaadressi ja salvestab teabe andmebaasi. Pärast seda, kui kaardilugeja on sildiandmed kogunud, saadab see andmed kõigepealt sellega ühendatud ruuterile. Seejärel saadab ruuter sildiandmed koos kaardilugeja teabega mitme hüppega ZigBee võrgu kaudu peajuhtimissõlmele salvestamiseks. Peajuhtimissõlm saadab lugeja kaardilugejasse. Parameetrite konfiguratsioonikäsklus saadetakse lugejale ruuteriga suhtlemise kaudu ja seejärel lülitub asukohasõlme seade energiasäästurežiimi. Kui peamine juhtsõlm annab alamsõlmele käsu, saab asukohasõlme seadme igal ajal äratada, otsides alamsõlme aadressi võrku, ja seejärel edastada käsu ruuterile mitme hüppevõrgu kaudu vastavalt võrguaadressile ning seejärel edastada selle ruuteri kaudu vastavale kaardilugejale. Lõpuks saadab ruuter peasõlmele kinnitusteate käsu kättesaamise kohta.

3. Võrgu riistVara paigutus

Näitena kolmanda osapoole logistika laohoone puhul on kaardilugejad paigaldatud igasse lastiruumi ning lao sisse- ja väljapääsu juurde. Kaubad sisenevad ja lahkuvad laost koos kaubaalusega. Elektrooniline silt kinnitatakse kaubaalusele ja silt salvestab kauba ID-numbri. Võrgustamiseks kasutatav ZigBee seade põhineb TI ettevõtte CC2530F256 kiibil, töötab ZigBee2007/PRO protokolli alusel ning vooluring on integreeritud ZigBee moodulisse. Sellel on kõik ZigBee protokolli omadused. Mooduli kasutamise eeliseks on see, et kasutajad ei pea keerulist ZigBee protokolli mõistma. Kogu ZigBee protokolli töötlemine toimub automaatselt ZigBee moodulis ja sõlmeprogrammid kirjutatakse moodulisse manustatud viisil. Kasutaja peab andmeid edastama ainult jadapordi kaudu.

Nende hulgas järgivad ZigBee moodul, kaardilugeja ja server RS 232 asünkroonset jadapordi kahesuunalist sideformaati; kõik RFID-kaardilugejad ja nende indikaatorsignaalid on mikrokontrolleriga ühendatud jaoturiseadme kaudu ning neid juhib ühtlaselt mikrokontroller. Kaardilugeja on mikrokontrolleriga ühendatud RS 232 jadapordi kaudu. ZigBee mooduli, RFID-kaardilugeja ja mikrokontrolleri toiteallikad on kõik vahemikus 5 kuni 12 V, kasutades standardseid TTL-tasemeid.

Server ja peamine ZigBee juhtimismoodul on paigaldatud lao üldisesse dispetširuumi ning neid kasutatakse juhiste saatmiseks ja vastuvõtmiseks ning laotoimingute tavapäraseks dispetšimiseks; kõik kaardilugejad ja ZigBee seadmed on paigaldatud tegelikesse lao asukohtadesse ning lao sisse- ja väljapääsudesse, moodustades ühtse võrgusõlme. Kõik sõlmed koosnevad ZigBee traadita ülekandel põhinevast RFID-süsteemist. Mikrokontrolleri juhitav lastiruumi oleku indikaatortuli on paigaldatud lastiruumi kohale, et tuletada töötajatele meelde tavapäraseid laotoiminguid; andmebaasi poolt töödeldud visuaalne liides kuvatakse ühelt poolt dispetširuumi hostarvutis ja teiselt poolt laos. Töötajatele on sirvimiseks ette nähtud suur ekraan.

RFID (ZigBee) süsteemi rakendamine kolmanda osapoole logistikas

Kui laotoimingute ajal tekivad muud töövood ja hädaolukorrad, näiteks varude loendamine, kaupade üleviimine laoruumidesse, valesti paigutatud kaubad või kahjustatud sildid jne, äratab RFID-lugeja reaalajas tuvastatud signaali abil ZigBee ruuteri õigeaegselt üles ja edastab seejärel teabeõigeaegselt. See antakse üle kesksele koordinaatorile taustsüsteemi andmebaasi salvestamise haldamiseks. Peaaegu kõik protsessid vabastavad töötajad traditsioonilistest töömeetoditest. Täpne teabe kogumise režiim parandab süsteemi andmehalduse usaldusväärsust ja hoiab ära inimlikud vead.

4 Kokkuvõte

Pärast tegeliku töö testimist on ZigBee moodulid sisekeskkonnas üksteisest umbes 3 m kaugusel ja signaal on hea. Tavapärastes lao töötingimustes on serveril andmepakettide vastuvõtmiseks kuluv aeg umbes 20–40 ms, mis vastab tavapärastele töötingimustele.

Tavaline kolmanda osapoole ladu, kus on umbes 500 lastiruumi, vajab umbes 500 ZigBee moodulit. ZigBee moodulite ühikuhind turul on põhimõtteliselt 40–60 RMB. Seega on ZigBee iseorganiseeruva võrgusüsteemi lattu paigaldamise maksumus 20 000–30 000 jüaani. Suurte ja keskmise suurusega laoettevõtete jaoks on see kulutõhus. Mõne väikese laoettevõtte jaoks, kes hindavad kasumit, on aga endiselt keeruline oma äritegevust koheselt parandada. Seega, kui kulusid ei suudeta tõhusalt kontrollida, ei ole plaan üldistatav. Sõltuvalt ettevõtte suurusest ja lao omadustest saab ZigBee moodulite arvu tegeliku lahenduse rakendamise ajal asjakohaselt vähendada. Näiteks saavad mitu kõrvuti asetsevat RFID-kaardilugejat jagada ZigBee moodulit jaoturi kaudu, vähendades seeläbi tõhusalt kulusid. Sellest tulenev probleem on aga see, et iga ZigBee mooduli poolt korraga edastatavate andmete hulk on väga piiratud. Kui andmete järjestikuse edastusmeetodi ja edastusintervalli probleemi ei suudeta hästi lahendada, mõjutab see oluliselt süsteemi reageerimiskiirust ja töö efektiivsust. Usun siiski, et need probleemid lahendatakse lähitulevikus ZigBee tehnoloogia pideva arenguga.