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。