物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能物流配送系統(tǒng)

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能物流配送系統(tǒng)一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述1.1 物聯(lián)網(wǎng)的含義和基本結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng) (Internet ofthings ，簡(jiǎn)稱 lOT) ，目前國(guó)內(nèi)外普遍公認(rèn)的是MITAuto ID 中心主任KevinAshton教授于1999年在研究RFID時(shí)最早提出來的。在 2005年國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 及歐盟 2008 年發(fā)布的 (EPoSS，the European Technology platform on martSystems Information)IOT2020 報(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大 拓展，不再只是基于 RFID 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。從本質(zhì)上來說，物

2、聯(lián)網(wǎng)是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡(luò)，其核心是目前被大家廣泛 使用的互聯(lián)網(wǎng)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸和拓展以實(shí)現(xiàn)充分的互聯(lián)互通；其次，物聯(lián)網(wǎng)使 得物與物之間有了通信功能，可以進(jìn)行信息的交換和傳輸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和物物通信。物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別 (RFID) 裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系 統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。它是多學(xué)科高度交 叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信 技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知 和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理

3、，并通過隨機(jī)自組織 無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用。從體系結(jié)構(gòu)上來說，物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技 術(shù)及公共技術(shù)，如圖 1 所示。物聯(lián)網(wǎng)怙息共享交互平臺(tái)聯(lián)阿數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)叵用系統(tǒng)1云卄算與高 件施計(jì)算技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)<地Ji無線通信網(wǎng)絡(luò)1衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)據(jù)繪掘技術(shù) .RFJD機(jī)器人智能感知技 術(shù)遙駆測(cè)IC卡號(hào)條 形碼圖1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)(1) 感知層感知層將大范圍內(nèi)的現(xiàn)實(shí)世界中的各種物理量通過各種手段，實(shí)時(shí)并自動(dòng)化的轉(zhuǎn)化為虛擬世界可處理的數(shù)字化信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)智能感知功能，包括信息采集，物體識(shí)別等功能。感知層應(yīng)用的主要技術(shù)包

4、括傳感器、RFID、自組織網(wǎng)絡(luò)、二維碼和實(shí)時(shí)定位技術(shù)等。(2) 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞以及通信的處理，將感知層收集到的數(shù)據(jù)及信息快速安全的傳遞到信息需求方，方便他們對(duì)信息進(jìn)行處理，主要的傳輸手段包括無線通信和有線通信(例如GPRS7 SDMA網(wǎng)絡(luò)、2G/3G/ 4G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等)。(3) 應(yīng)用層應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)的最終融合，將感知層和網(wǎng)絡(luò)層的采集處理后的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于需要的行業(yè)，為最終的系統(tǒng)集成、協(xié)調(diào)、決策以及智能化提供服務(wù)。應(yīng)用層包括中間件層和應(yīng)用服務(wù)層。中間件層主要作用是將網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層對(duì)接，充當(dāng)了中間的接口作用，包括對(duì)業(yè)務(wù)的分析整合、共享、數(shù)據(jù)處理、管理等。具體實(shí)現(xiàn)為一

5、系列的業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)、管理平臺(tái)、信息處理化平臺(tái)。未來的發(fā)展越來越傾向于向云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)發(fā)展。目前應(yīng)用層包括很多行業(yè)，例如智能家居、智慧城市、智能電網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、智能物流等。1.2物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)來劃分，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括三大塊：感知技術(shù)；通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；智能技術(shù)。在物流配送中應(yīng)用比較廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如下：（1 ）感知技術(shù)物流配送中經(jīng)常用到的物流網(wǎng)感知技術(shù)主要包括RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）、GPS（全球衛(wèi)星定位技術(shù)）、傳感器技術(shù)等。其中，最核心的以及應(yīng)用最多的是RFID技術(shù)。目前主要應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)、物品信息采集、貨物分揀、車輛貨物追蹤及物品追溯等。RFID是一種“使能”技術(shù)

6、，它可以使常規(guī)的物成為“智能物件”，變成和物聯(lián)網(wǎng)的連接對(duì)象。主要工作原理是通 過視頻信號(hào)來識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并自動(dòng)獲取信息和數(shù)據(jù)。它的優(yōu)點(diǎn)在于讀寫方便、抗干擾能力 強(qiáng)等，并且能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，能夠替代人來完成很多復(fù)雜危險(xiǎn)的工作。RFID工作原理如圖2所示。主機(jī)系統(tǒng)圖2 RFID工作原理圖在物流配送中，RFID應(yīng)用比較成熟的領(lǐng)域在貨物分揀、自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)、車輛貨物追蹤以及 物品溯源。其應(yīng)用提高了物流配送安全性和效率的同時(shí)，減少了配送過程中的失誤率，促 進(jìn)了物流行業(yè)的信息化的發(fā)展。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System ， GPS）是美國(guó)歷經(jīng)20年，耗資超過300億美元，由

7、發(fā)射的 24顆衛(wèi)星組成的全球定位、導(dǎo)航及授時(shí)系統(tǒng)。可以實(shí)時(shí)的為目標(biāo)提供三維位置，三維速度和高精度的時(shí)間信息。在物流領(lǐng)域，GPS技術(shù)主要被用來進(jìn)行物流配送車輛的實(shí)時(shí)跟蹤、定位、導(dǎo)航以及監(jiān)控管理。結(jié)合RFID技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品狀態(tài)的實(shí)時(shí)查詢和監(jiān)管。 GPS應(yīng)用最廣泛的環(huán)節(jié)是在物流配送的運(yùn)輸環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)最重要的功能就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界沒有生命的物體的感知，而傳感器就是 實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵技術(shù)。它可以通過傳感器內(nèi)部的敏感元件感知到外界的變化和刺激， 并將這些刺激轉(zhuǎn)化為一定可輸出處理的信號(hào)，其工作流程如圖3所示。敏黑元轉(zhuǎn)換元i；1 ZIZ '.1;:敏辱舔 :劇肋電源:iI!圖3傳感器的工

8、作流程（2 ）通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線與無線局域網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)等。在區(qū)域性的物流管理信息系統(tǒng)主要采用有線和無線結(jié)合的方式，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無線技術(shù)的應(yīng)用空間會(huì)越來越大。大范圍的物流配送系統(tǒng)則通常集成了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPV GIS/GPRS技術(shù)等來保證對(duì)運(yùn)輸車輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)控與管理。具體應(yīng)用見圖4所示。(fWSM 關(guān):砂也：粉衲甬J躋申心：*iiIIIIiII I圖4通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流配送中的應(yīng)用無線傳感網(wǎng)(WSN是將系列在空間散布的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接, 從而將各自采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸匯總，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作 監(jiān)控，并

9、根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。其典型特征見表一所示。表一無線傳感網(wǎng)特征分類特征細(xì)離結(jié)構(gòu)通過大博恃感節(jié)點(diǎn)利少甲離站英聚節(jié)直幼感傳輸如介無線恂輸紐網(wǎng)方式移動(dòng)無紅網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)凱網(wǎng)系統(tǒng)功能物理和環(huán)境數(shù)撫采鑒，匚總及甘析處理技瞑特點(diǎn)大蒞圍、低成本、實(shí)時(shí)采堆、耀遼靈活M2MMachi ne to machi ne)是將數(shù)據(jù)從一臺(tái)終端傳遞到另一臺(tái)終端，實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的智能化、交互式的通信。廣義上M2M包括了機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machi ne to machi ne)、人對(duì)機(jī)器(Man to machine)、機(jī)器對(duì)人(Machine to man)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器(Mobile to machine)之間的連接于通

10、信，涵蓋了所有實(shí)現(xiàn)載人、機(jī)器、系統(tǒng)之間建立通信連接的 技術(shù)和手段。(3 )智能技術(shù)目前物流行業(yè)對(duì)于智能技術(shù)的應(yīng)用主要包括：智能計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、ERP技術(shù)等。物流配送對(duì)于智能技術(shù)的應(yīng)用正方興未艾，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)物流配送過程的智能化 控制與管理是發(fā)展的方向。二、物聯(lián)網(wǎng)在智能物流配送系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配送中心內(nèi)部作業(yè)中的應(yīng)用目前配送中心設(shè)備雖然多，但是整體技術(shù)水平不是很高，很多作業(yè)流程還處于半人工 化狀態(tài)，而且作業(yè)流程不連續(xù)，配送中心的信息采集、數(shù)據(jù)處理和動(dòng)態(tài)管理還無法實(shí)現(xiàn)， 配送中心的管理系統(tǒng)也僅限于內(nèi)部使用，很難實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的對(duì)接。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用 可以很好地解決上述問題。

11、(1) 收貨識(shí)刖器采樂£礙說明：傳統(tǒng)的配送中心的收貨工作大都是由人力完成，不僅效率低下，而且容易出錯(cuò)。但是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，特別是RFID技術(shù)和智能穿梭車技術(shù)，收貨工作就變得簡(jiǎn)單有效而且節(jié)省了大量的人力物力和時(shí)間，優(yōu)化了作業(yè)流程，提高了效率。具體的應(yīng)用過程 如上圖6所示：在貨物配送之前，每個(gè)貨物都會(huì)貼上相應(yīng)的RFID標(biāo)簽，上面記錄了貨物的目的地，種類，數(shù)量等信息。當(dāng)貨物配送到目的地之后，收貨人員只需要使用相應(yīng)的識(shí)別 設(shè)備，例如手持終端掃描每個(gè)貨物上的RFID標(biāo)簽，相應(yīng)的信息便會(huì)傳遞到物流配送系統(tǒng)，然后物流配送系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)改分配相應(yīng)的智能穿梭車完成貨物的收貨并更新數(shù)據(jù)。（2）分揀現(xiàn)代物

12、流配送不同于傳統(tǒng)的配送的每種貨物單獨(dú)配送的模式，現(xiàn)代物流的配送有共同性和混載性的特性，配送方式多樣，配送更多偏向于多品種、小批量。所以分揀這一環(huán)節(jié) 的工作內(nèi)容復(fù)雜而且工作量很大。而傳統(tǒng)的分揀作業(yè)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代物流的發(fā)展，既浪 費(fèi)人力物力，又浪費(fèi)時(shí)間，還容易出錯(cuò)。物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)和自動(dòng)分揀技術(shù)可以可以很好地解決這個(gè)問題。在收貨環(huán)節(jié)完成后，貨物被送到自動(dòng)分揀機(jī)上進(jìn)行分揀作業(yè)，分揀設(shè)備 通過讀取貨物上RFID標(biāo)簽的信息，對(duì)各類貨物進(jìn)行分揀，由配送系統(tǒng)對(duì)貨物的儲(chǔ)位進(jìn)行下 一步安排。（3）倉(cāng)儲(chǔ)由于“零庫(kù)存”在很多物流供應(yīng)鏈都很難實(shí)現(xiàn)，所以倉(cāng)儲(chǔ)也是配送中心不可或缺的環(huán)節(jié) 之一。現(xiàn)代物流配送中心倉(cāng)儲(chǔ)貨

13、物種類繁多而且流動(dòng)量非常大，因此傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)水平已經(jīng) 無法滿足現(xiàn)代物流配送的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)物流配送倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、 智能化和集約化的存儲(chǔ)。在物流配送中心可以用到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有以下：RFID托盤標(biāo)簽、RFID貨物標(biāo)簽、RFID儲(chǔ)位標(biāo)簽、工作人員 RFID終端、溫度傳感器標(biāo)簽、光傳感標(biāo)簽、讀 取設(shè)備等。通過這些技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)建立的物流配送系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)過 程的可視化、智能化與自動(dòng)化，完成貨物的合理調(diào)配，人員的合理分配，實(shí)現(xiàn)資源的合理 配置。在配送中心的每個(gè)儲(chǔ)位也可以應(yīng)用 RFID標(biāo)簽，通過 WM可以搜集每個(gè)儲(chǔ)位的信息數(shù) 據(jù)，并且通過配送中心的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)計(jì)算出儲(chǔ)位最佳利

14、用方案，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)位利用的優(yōu)化配置。對(duì)于一些對(duì)特殊貨物，像是生鮮易腐的產(chǎn)品或者易碎的產(chǎn)品，由于它們的保存對(duì)于溫 度、濕度和存放環(huán)境都有一定的要求，所隊(duì)可以通過一些傳感器來實(shí)時(shí)感知這些特殊貨物 的狀態(tài)，并將獲取數(shù)據(jù)傳遞至配送系統(tǒng)，保證貨物的安全完好。（4）出貨可以在配送中心的主要出貨大門處安裝RFID固定式識(shí)度系統(tǒng)，這樣可以保證在貨物經(jīng)過時(shí)，快速大批量的識(shí)別貨物上的 RFID標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的物品快速確認(rèn)、校驗(yàn)工 作。一般RFID固定式識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用于配送中心出入口、快速通道以及貨物裝卸點(diǎn)等。2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配送中心到配送點(diǎn)之間轉(zhuǎn)運(yùn)中的應(yīng)用配送中心到配送點(diǎn)之間運(yùn)轉(zhuǎn)的過程主要涉及配送路線的選擇，

15、配送過程對(duì)配送車輛貨 物的實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤，對(duì)配送車輛的調(diào)度指揮以及對(duì)整個(gè)配送過程的管理。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流運(yùn)輸過程中的集成應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)物流配送過程的可視 化、智能化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管。首先是 GPS技術(shù)在每個(gè)運(yùn)載工具上的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)獲取運(yùn) 載工具的位置和狀態(tài)，結(jié)合 GIS技術(shù)、GPRS技術(shù)以及RFID技術(shù)，可以對(duì)運(yùn)輸狀態(tài)、運(yùn)輸 線路和運(yùn)輸時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理，可以實(shí)現(xiàn)配送線路的調(diào)整優(yōu)化，對(duì)貨物到達(dá)的時(shí)間進(jìn) 行預(yù)估。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配送的過程中的具體應(yīng)用如下：車輛跟蹤：車載定位終端自動(dòng)進(jìn)行 GPS定位，并按照預(yù)設(shè)的發(fā)送間隔頻率進(jìn)行自動(dòng)上 傳定位信息，結(jié)合 GIS和GPRS術(shù)，準(zhǔn)確定位車輛所在位置

16、，記錄過去一段時(shí)期車輛行駛 路線，實(shí)施跟蹤車輛行駛情況。調(diào)度指揮：管理人員通過計(jì)算得出最有配送路線之后，可以通過物流運(yùn)輸系統(tǒng)給車輛 駕駛員發(fā)送調(diào)度指揮信息，駕駛員通過車載通信系統(tǒng)接受信息并執(zhí)行指令，可以確保運(yùn)輸 過程安全高效準(zhǔn)確。貨物運(yùn)輸狀態(tài)跟蹤：貨物的安全問題是現(xiàn)代物流配送要面臨的重要問題，所以利用物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)簽，這樣管理人員就技術(shù)，在車輛內(nèi)安裝無線數(shù)據(jù)采集器，同時(shí)在每一個(gè)貨物配備 可以通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)的獲取車載貨物的狀態(tài)，確保貨物的安全。三、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能物流配送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1框架設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流配送系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)共分為三層：感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。其整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖 7所示

17、:配送中右 運(yùn)犒調(diào)度果統(tǒng)通?；ヂ?lián)衛(wèi)星TCP/IPCDMAWi-FiGPRSInternet圖7基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流配送系統(tǒng)架構(gòu)感知層：物流配送系統(tǒng)架構(gòu)感知層包括信息采集和信息處理兩部分。信息采集是利用 多種傳感器技術(shù)、微波技術(shù)、視頻技術(shù)等多種物聯(lián)網(wǎng)信息采集技術(shù)，對(duì)結(jié)合無線射頻技 術(shù)、車在識(shí)別系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)等在途車輛檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物流配送中 心以及配送中心到配送節(jié)點(diǎn)過程中貨物的信息采集、配送車輛和人員的調(diào)度控制等。傳輸層：傳輸層主要由常用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（CDMA GPRS 3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)等）、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。應(yīng)用層：物流配送系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包括各個(gè)應(yīng)

18、用子系統(tǒng)：倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)物流配送中心內(nèi)部各種作業(yè)的智能化、機(jī)械化和自動(dòng)化。運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)車輛定位、運(yùn)輸物品監(jiān)控、在線調(diào)度與配送的可視化管理。要保證物流配送系統(tǒng)的高效、安全、準(zhǔn)確需要獲取很多信息，包括貨物信息、倉(cāng)儲(chǔ)信息、車輛信息、線路信息等。具體需要的信息見表二所示。2.1.1 射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)即是通常所講的電子標(biāo)簽（ E-tag ），一般由標(biāo)簽、讀寫器以及天線三部分組成，標(biāo)簽 附著在物體上，目的就是為了標(biāo)示目標(biāo)對(duì)象的各項(xiàng)信息，當(dāng)然，不必?fù)?dān)心標(biāo)簽碰撞或者重 疊，因?yàn)槊總€(gè)標(biāo)簽的電子編碼都是獨(dú)一無二； RFID 讀寫器用于接收并處理標(biāo)簽所傳遞出來 的承載豐富物體信息的數(shù)據(jù)

19、流。 目前， RFID 技術(shù)作為新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在我國(guó)迅速 被推廣開來，其主要應(yīng)用于與大眾生活、教育息息相關(guān)的各行各業(yè)中，如公交系統(tǒng)、地鐵 系統(tǒng)、校園一卡通、智能家居等方面。智能家居系統(tǒng)較以往的家庭系統(tǒng)最大區(qū)別在于，賦予了家庭里所有物品以“智慧”， 使它們能夠“自發(fā)”、“主動(dòng)”地與家庭網(wǎng)關(guān)、與人溝通并實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。因此，智能 家居系統(tǒng)的首要重要技術(shù)便是感知，也就是 RFID 技術(shù)。 RFID 在智能家居系統(tǒng)中的重要作 用體現(xiàn)在門禁控制、安防報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控、溫濕度智能控制、智能廚衛(wèi)、自動(dòng)抄表、智能 購(gòu)物、物品收納管理等諸多領(lǐng)域。放眼未來，家庭中的物品將充滿智慧，能夠?qū)崿F(xiàn)與人類 的“對(duì)話”和

20、“溝通”。2.1.2 Zigbee 技術(shù)在執(zhí)行 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開發(fā)的 Zigbee 技術(shù)，具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，是一 門新興的技術(shù)，是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。開發(fā)這一技術(shù)是為了使無線通信在一定區(qū)域內(nèi)降低成本和功耗，在這一基礎(chǔ)上通過軟件協(xié)議棧開發(fā)出容易布建的大容量、不依賴現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。Zigbee自身具備的這些優(yōu)點(diǎn)，所以可以用在多種領(lǐng)域，例如自動(dòng)控制以及潛入設(shè)備中。(1) Zigbee設(shè)備類型及工作頻段首先，依據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)“角色”的不同將Zigbee設(shè)備劃分為協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器，起到創(chuàng)建Zigbee 網(wǎng)絡(luò)、處理其它節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和

21、維護(hù)等功能；路由節(jié)點(diǎn)，用于擴(kuò)大Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等；終端節(jié)點(diǎn)，是各種應(yīng)用對(duì)象的最終載體，可以是任何一種設(shè)備。在同一Zigbee網(wǎng)絡(luò)中必須有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，但路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)則可以有N個(gè)(N > 0)。(2) Zigbee的技術(shù)參數(shù)Zigbee協(xié)議共有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物理層：2.4 GHz和868/915 MHz。這兩個(gè)物理層使用一模一樣的數(shù)據(jù)包格式，均是在擴(kuò)頻DSSS的基礎(chǔ)上的；主要的不同在于頻率不同，傳輸速率也不一樣。Zigbee無線信道的組成如表一所示；Zigbee的技術(shù)參數(shù)見表二所示。表一 Zigbee無線信道的組成表頻率敵M們道問隔 /Wlz速率/ Kbus調(diào)制方式

22、頻柬上限頻辜F限/.Wiz1門BOSK驅(qū)2H佩01021111.92亂0902.01652S00 QPSK24S3.52400.0表二Zigbee的技術(shù)參數(shù)組成表內(nèi)將ft輸H!離可達(dá)1O-75bi.依極功串輸出和壞境特ft適信時(shí)延15-30«s 典型捜索時(shí)延30由斗 幗民童活時(shí)延L5ns.活：接入時(shí)延15皿.2址時(shí)址tibi i的【EEEift址* 16bi t的啟地地址*一個(gè)和曲葉網(wǎng)琳可存納個(gè)本地尾址-星艷*點(diǎn)對(duì)點(diǎn)*網(wǎng)狀.左上機(jī)制握供數(shù)抑完廉忡檢優(yōu)必盤幟功能*加帶燈法衆(zhòng)用A ES12亂 同時(shí).井個(gè)陶用杲 活確啊用何種安全機(jī)制.粳塊叨始化陡本灼£兼元.隨著巾場(chǎng)成熟，會(huì)催快岸

23、到1+5-2. 5近兀） MZi Kboo 協(xié)誼免非利費(fèi).耗電惦況IF常低陶何住比，可小于0.1和 T作周明加收覽功覽魅；井且有休眠慢成+ 俶 而肓,兩粧號(hào)電池可便用竝牛月金兩年的時(shí)剛作為全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的ISM頻段，2.4 GHz波段的推廣更容易，而且降低成本的可操作性也更高。其物理層的特質(zhì)是，調(diào)制技術(shù)高階靈活，且有較高的傳輸速率，正因?yàn)?此，才能在獲得較小的通信時(shí)延，使得工作周期更短，從而達(dá)到更加省電的目的。（3）Zigbee協(xié)議棧Zigbee協(xié)議由下至上分為物理層PHY層、媒體接入控制層 MAC層、網(wǎng)絡(luò)層NWK層和應(yīng)用層APL層，如下圖1所示。應(yīng)用播口(APS Sub M VP APr

24、APSME SAP安全腔務(wù)提 供瞰P'JI.W： APEi罠huF設(shè)鼻時(shí)象應(yīng)用對(duì)険攙勒】應(yīng)用時(shí)單?VKA S SSffl林軸to府用層 <APS Lapre)AQSDE SAP 1IDE"乙堵層OWKLaW)【EH政)出15.1MIPS SAP JSR琢入控割辰LWACSub-Iayer)什F屈02.國(guó)$匚 PIMK-SAP(PHY Layer；lb 4圖1 Zigbee 的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)其中，PHY層和MAC層的標(biāo)準(zhǔn)由小組制定，而 NWK層和APL層的標(biāo)準(zhǔn)由Zigbee 聯(lián)盟來制定。相應(yīng)的 APL包含APS層、ZDO層、AF層以及自定義應(yīng)用等。PHY層Zigbee協(xié)議的P

25、HY層不但為物理信道和 MAC子層間的接口做出了明確定義，而且還為數(shù) 據(jù)的傳輸和管理提供了先行保障。數(shù)據(jù)庫(kù) PIB源自于物理層本身的數(shù)據(jù)以及道上接收和傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)，PHY層的重要職責(zé)就是該數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和管理。PLME物理層管理實(shí)體，處理物理層管理相關(guān)的原語。PHY PIB:物理層PAN信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)物理層PAN相關(guān)屬性。PD-SAP :物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)，為MAC層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，用于上傳下達(dá)幀信息。PLME-SA P物理層管理實(shí)體(PLME)服務(wù)接入點(diǎn)，為 MAC層提供物理層管理服務(wù)，具有 各項(xiàng)相關(guān)功能，但數(shù)據(jù)傳輸功能除外。RF-SAP :射頻服務(wù)接入點(diǎn)，射頻數(shù)據(jù)收發(fā)的接口。物理層任務(wù)描述

26、a 、RF收發(fā)器的開啟和關(guān)閉；b 、檢測(cè)信道的能量;c 、LQI(Link Quality Indieation)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包報(bào)進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示；d 、CCA(Clear Channel Assessment)，為 CSMA/CA 算法提供空閑信道評(píng)估；e 、選擇通信信道頻率；f、傳輸接收OTA數(shù)據(jù)包。MAC層Zigbee協(xié)議的MAC層協(xié)議需涵蓋以下幾項(xiàng)功能： a、首先對(duì)設(shè)備與設(shè)備之間的連接起 到橋梁的作用，對(duì)于各項(xiàng)開關(guān)的閉合可以用來進(jìn)行管理；b、能夠確認(rèn)模式的幀傳送與接收；c、能夠有效地進(jìn)行信道接入控制； d、能實(shí)現(xiàn)幀校驗(yàn)；e、能具備對(duì)于時(shí)延的長(zhǎng)短有管 理的功能；f、能實(shí)現(xiàn)廣播信息管理

27、。MAC層4種幀結(jié)構(gòu)指的是數(shù)據(jù)幀、標(biāo)志幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀，如圖2所示。N>Jtl2T7 節(jié)11字節(jié)Q兇*節(jié)可陽(yáng)a存節(jié)黑嘩崔人15制愿轉(zhuǎn)庠號(hào)蛾帶杯MAC旅逗數(shù)據(jù)單元j&JdjT字節(jié)TOY丟搟刖呈Vh丈晝搓單e標(biāo)柚圖2 Zigbee的幀結(jié)構(gòu)圖(4) Zigbee性能分析低速率：Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸速率有二種，能確保只能在低速率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠得到準(zhǔn)確傳送。因此在家庭使用數(shù)據(jù)量相對(duì)較小的情況下，可以滿足控制平臺(tái)與節(jié)點(diǎn)之間的 自有聯(lián)通。Zigbee節(jié)點(diǎn)非常省 低功耗：運(yùn)轉(zhuǎn)正常是，因?yàn)槠鋫鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量小所以收發(fā)時(shí)間的處理都比較短，在除 去收發(fā)時(shí)間外的其它時(shí)間基本上都休眠，在此模式下不需

28、要傳送數(shù)據(jù)。 電，因?yàn)?Zigbee 基本處于休眠模式，接收數(shù)據(jù)處理的時(shí)間非常短，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池 工作時(shí)間最短也可以達(dá)到半年時(shí)長(zhǎng)，最長(zhǎng)可以撐 24 個(gè)月。 低成本：簡(jiǎn)單的協(xié)議棧設(shè)計(jì)注定了Zigbee的研發(fā)成本不會(huì)太高，更何況一般的節(jié)點(diǎn)硬件只有 8 位微處理器；在這， Zigbee 協(xié)議是免費(fèi)開放的，軟件實(shí)現(xiàn)上不會(huì)產(chǎn)生額外 的費(fèi)用，研發(fā)人員可以隨意免費(fèi)地下周所需的開發(fā)資源。所以，有理由相信，隨著技術(shù)的 成熟， Zigbee 某塊的價(jià)格肯定會(huì)越來越低。 網(wǎng)絡(luò)的自組織，自愈能力強(qiáng)：在沒有任何人為操作的情況下，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可以 自發(fā)、主動(dòng)地互相感知，并自覺確定聯(lián)系關(guān)系和方向，從而形成網(wǎng)絡(luò)；盡管如

29、此，它也并 非完全盲目，在有節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化（如增刪，位置調(diào)整或故障）時(shí)，網(wǎng)絡(luò)便會(huì)自覺地在第一 時(shí)間進(jìn)行自我檢修，有效地確保了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 短時(shí)延：不管在何種狀態(tài)下，時(shí)延都十分給力，沒有后顧之憂。一些典型的搜索設(shè)備時(shí)延已經(jīng)被計(jì)算出來，最長(zhǎng)的狀態(tài)時(shí)延僅僅為短短的30ms，其它狀態(tài)的時(shí)間更短，僅為最長(zhǎng)時(shí)間的二分之一倍。 網(wǎng)絡(luò)容量大，每一個(gè)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)都具有可以容納1個(gè)主設(shè)備的超大容量以及二百多個(gè)從設(shè)備；更甚者，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)又可以作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入到其它設(shè)備相連，網(wǎng)網(wǎng)相連，容量則 以數(shù)量級(jí)的單位擴(kuò)容。當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多的Zigbee 節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到65000 個(gè)。如此巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)自然也

30、給控制提出了巨大挑戰(zhàn)。 有效范圍?。阂话闱闆r下有效覆蓋范圍在10到75米之間，基本上能夠覆蓋家庭環(huán)境。但在一定情況下可以擴(kuò)展達(dá)到數(shù)百米，像這種情況一般都是依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大 小和各種不同的應(yīng)用模式而定，用來滿足較大的場(chǎng)合例如公司辦公室。 數(shù)據(jù)傳輸可靠：MAC層選用的是talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。只要有數(shù)據(jù)傳送需求就會(huì)立刻被傳送，而且每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須在等到對(duì)方的反饋信息之后再次確認(rèn)回復(fù) 信息。否則的話就默認(rèn)前路徑發(fā)生了碰撞，將選擇二次傳送。這不僅確保了信息傳輸?shù)目?靠性，同時(shí)還給需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留了足夠的專門的空間時(shí)隙，簡(jiǎn)單有效地避免了多 個(gè)數(shù)據(jù)傳送時(shí)帶來的壓力。 安全：

31、 Zigbee 技術(shù)在安全方面很有保障，而且能夠靈活的運(yùn)用。它可以使數(shù)據(jù)得到 全面性的檢驗(yàn)，而且有專用的加密算法，使網(wǎng)絡(luò)安全方面的應(yīng)用能夠得到有效的保障。 工作頻段靈活：工作階段所用的頻段有全球通用的，在理論上可以擴(kuò)展為16個(gè)通信頻道。但也有某些地區(qū)自定的適用頻段，例如868MHz （歐洲適用）及915MHz （美國(guó)適用），均為免執(zhí)照頻段。2.2智能家居系統(tǒng)的組成與方案的選擇從功能結(jié)構(gòu)上來說，智能家居系統(tǒng)完全以居民體驗(yàn)為中心來打造，利用智能系統(tǒng)及家 庭設(shè)備向居民提供各項(xiàng)服務(wù)。簡(jiǎn)而論之，包括室內(nèi)燈光的調(diào)控、室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、 室內(nèi)音樂的控制、影院系統(tǒng)、家電智能操控、智能化購(gòu)物、看護(hù)報(bào)警安防系

32、統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表 及其他學(xué)習(xí)娛樂需求等都屬于這一范疇。智能家居的可貴之處就是能讓人們隨時(shí)隨地檢測(cè) 家中所發(fā)生的一切，操控家中的一切。智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)可以有效利用Zigbee技術(shù)的以下特點(diǎn): 傳輸數(shù)據(jù)量小，這就決定了它無需太大的傳輸速度；網(wǎng)絡(luò)的容量大，這就為它能 夠滿足家庭中的各種家電設(shè)備提供了有效保障；信息的實(shí)時(shí)性特別好，時(shí)延非常短。 Zigbee的技術(shù)特點(diǎn)決定了其能很好地滿足智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)需求，特別是塔具備自 組織、自愈能力，這樣的無線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。一般來說，一個(gè)完整的智能家居系統(tǒng)由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)關(guān)三個(gè)主要部分

33、構(gòu)成。如圖3所示。外部趙絡(luò) 了 g 一 " 彖旌網(wǎng)竊圖3智能家居系統(tǒng)框架圖內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)即是家庭網(wǎng)絡(luò)，它的主要存在價(jià)值是將家中的各項(xiàng)設(shè)備，例如門禁安防、家電設(shè)施、照明設(shè)備、窗簾、報(bào)警器等，連接到家庭網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中來。一般的實(shí)現(xiàn)方式是通過Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)。每個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備都具備自主收集數(shù)據(jù)并自發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)給家庭網(wǎng)關(guān)的功能；同時(shí)，還具備執(zhí)行家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的各項(xiàng)指令命令的功能。外部網(wǎng)絡(luò)外部網(wǎng)絡(luò)通過 Internet 實(shí)現(xiàn)與家庭網(wǎng)關(guān)的連接。外部網(wǎng)絡(luò)包含了醫(yī)院、超市、水電 煤機(jī)構(gòu)等社會(huì)機(jī)構(gòu)，家庭網(wǎng)關(guān)從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)感知到的數(shù)據(jù)信息可以自發(fā)或者定時(shí)發(fā)送至社會(huì) 機(jī)構(gòu)，必要時(shí)還可以向用戶反饋各機(jī)構(gòu)單位的信

34、息，如健康報(bào)告、消費(fèi)清單、抄表結(jié)算 等；同時(shí)，外部網(wǎng)絡(luò)還可以連接各遠(yuǎn)程終端，當(dāng)用戶不在家時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各設(shè) 備的操作；此外，智能家居系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)與小區(qū)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的互通，一方面用來及時(shí)接收 小區(qū)的電子公告、通知，另一方面，如果家中一旦發(fā)生緊急情況，在主人不在家的情況下 可以第一時(shí)間通過小區(qū)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)送求救信號(hào)。家庭網(wǎng)關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心控制部分，它的關(guān)鍵任務(wù)是負(fù)責(zé)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù) 據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，是內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)相互對(duì)話的重要轉(zhuǎn)換單元。家庭網(wǎng)關(guān)依賴于家庭控制計(jì)算 機(jī)，二者互相支撐，并且配備雙網(wǎng)卡。對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)與 internert 的連接，從而 將內(nèi)部發(fā)送的數(shù)據(jù)直接傳送給

35、Internet 及其機(jī)構(gòu)、終端和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行 讀取數(shù)據(jù)的操作，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)內(nèi)部各器件的指令命令操作。智能家居系統(tǒng)融合了 GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及目前已經(jīng)得到有效發(fā)展的智 能小區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)，來有效地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)信息的互聯(lián)互通。用戶即使不在家中，也可以通過 電腦終端或者手機(jī)終端等設(shè)備有效地對(duì)家里的電器或者照明裝置進(jìn)行檢測(cè)和控制；同 時(shí)，經(jīng)過程序設(shè)定，可以使系統(tǒng)自發(fā)定時(shí)或非定時(shí)地向主人報(bào)告家中防盜、防火、防煤氣 等警報(bào)情況。當(dāng)然，主人可以通過命令的發(fā)送，隨時(shí)隨地地查看這些容易發(fā)生隱患的各種 情況。用戶通過該系統(tǒng)可以直接與網(wǎng)絡(luò)以及小區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)相連接，查閱小區(qū)最新發(fā)布

36、的 各類信息，并配合相關(guān)信息發(fā)送指令，如抄表或者照明控制等；必要時(shí)，如果一旦出現(xiàn)某 些緊急情況，還可以直接與小區(qū)警衛(wèi)處等發(fā)送求救信號(hào)，保障家庭各項(xiàng)安全。系統(tǒng)主要由 一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)通過雙向控制，即能控制外部網(wǎng)絡(luò)相連的用戶或者各類機(jī)構(gòu)，也能準(zhǔn)確控制 內(nèi)部相連的各類設(shè)施和設(shè)設(shè)備。智能家居系統(tǒng)具體模型如圖3-2 所示：圖4智能家居的系統(tǒng)具體模型圖222基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)方案的選擇(1)系統(tǒng)方案概述所討論的智能家居系統(tǒng)以 Zigbee技術(shù)為基礎(chǔ)，并以家電控制子系統(tǒng)為研究的典型, 通過Zigbee協(xié)議棧及通信模塊，完成家電子系統(tǒng)的控制。并以此為開放性平臺(tái)，在安 防、醫(yī)療、抄表、購(gòu)物等子系統(tǒng)的拓展提供了

37、可靠依據(jù)。其重要子系統(tǒng)的功能論述如下： 家電控制：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦終端或 手機(jī)終端對(duì)家庭中家電設(shè)備的啟動(dòng)、關(guān)閉、調(diào)節(jié)等操作。如空調(diào)、電視機(jī)、洗衣機(jī)等； 照明系統(tǒng)：可以自動(dòng)控制燈光的開關(guān)以及明暗的調(diào)節(jié)； 窗簾控制； 防盜控制：包括智能門禁、安防報(bào)警、煤氣和電路等危險(xiǎn)情況報(bào)警等子模塊。 檢測(cè)系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)家庭的火災(zāi)、煤氣狀態(tài)的日常監(jiān)控以及緊急情況發(fā)生時(shí)的智能 報(bào)警； 其他功能：例如智能搜索、智能購(gòu)物、醫(yī)療跟蹤、智能抄表、學(xué)習(xí)娛樂等。2）系統(tǒng)的管理與控制系統(tǒng)軟件的功能需求： 系統(tǒng)操作；數(shù)據(jù)庫(kù)管理；輔助遠(yuǎn)程終端操作人員完成對(duì)內(nèi)部各項(xiàng)家電設(shè)備的監(jiān) 控和指令操作。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)原則：智能家居系統(tǒng)軟件的開發(fā)應(yīng)當(dāng)以軟件工程化為基本原則，建議采用螺旋模型開發(fā)模 式，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)手段，目的是為了保證其可構(gòu)造性和易維護(hù)性。根據(jù)軟件生命周期學(xué)方法，將軟件進(jìn)行分階段研究設(shè)計(jì)，堅(jiān)持開展階段性評(píng)估，便于 完善各階