CN110035387A - 一种基于ZigBee和LoRa的仓库物品定位系统 - Google Patents

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王刚
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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee和LoRa的仓库物品定位系统，属于物联网技术领域。本发明公开了一种基于ZigBee和LoRa技术的仓库物品定位系统，这种系统由ZigBee固定节点(内含温度、湿度、烟雾等传感器)、ZigBee移动节点、ZigBee‑LoRa信号中转网关、LoRa基站以及云服务器构成，不仅能够大幅降低定位设备的成本、加大传输距离使系统能应用到远离管理人员的仓库中去，还能做到三维定位，更加方便于管理人员实时监控及把握货物入库、移库及仓库内实时状况等数据。

Description

一种基于ZigBee和LoRa的仓库物品定位系统
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于ZigBee和LoRa的仓库物品定位系统。
背景技术
物联网在中国已经发展了多年，无论是智能工业、车联网、智能家居、可穿戴设备等都面临全面爆发的趋势。物联网有三个关键要素：感知、智能、互联。物联网在感知和智能方面已有新的进展，而在互联上，却依然依赖适用于互联网和移动互联网的网络连接方式。从无线应用开发和工程运维人员角度来看，一直以来都存在这样一个两难问题：即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一，所以互联已成为制约物联网大规模普及的因素。采用LoRa技术之后，设计人员可以最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗，同时还可节省额外的中继器成本。以LoRa为代表的低功耗、远距离网络技术的出现，有机会打破物联网在互联方面的瓶颈，基于该技术的测距和定位功能将会推动它在物联网领域的大规模应用。
ZigBee是一种适用于低功耗，低成本，较低的报文吞吐率，支持太量网络节点，提供可选择的安全等级的是活的无线通信协议。ZigBee技术基于优秀的IEEE802.15.4的物理层和媒体访问层标准，与其他短距离无线协议相比，有着显著的优点。
(1)短时延：设备入网和数据传输的延迟时间短，适合用于实时监测和控制应用。
(2)高可靠度：ZigBee协议栈在MAC层引入了CSMA.CA(载波监听多路访问/冲突防止)冲突避免策略。并且为了避免发送数据时的竞争与冲突，ZigBee还预留了专用时隙给需要固定带宽的通信业务。ZigBee网络节点具有自动动态组网功能，信息在整个网络中以自动路由的方式传送，从而保证了信息传输的可靠性。
(3)高安全性：为保证ZigBee设备间数据通信的安全性，ZigBee技术使用了AES.128加密算法对所传输的数据进行加密，并且为数据提供了完整性检查。
(4)可容量大：一个ZigBee网络最大可容纳65000个ZigBee网络节点，可满足大面积网络节点的布建需求。
(5)网络自组织：ZigBee网络节点可自动发现网络中的其它节点，进行连接并构成结构化网络。个别节点因故障或其它原因退出网络时，ZigBee网络可自动修复，并相应的调整拓扑结构从而保证网络的正常工作。尤以低功耗、高可靠性和低复杂度见长。开放的协议降低了开发成本和加快了开发进度，在工业、家居、民用、军事等很多领域有着广阔的前景。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于ZigBee和LoRa的仓库物品定位系统。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于ZigBee和LoRa的定位系统，包括定位终端、ZigBee协调器、ZigBee-LoRa信号中转网关和云服务器；定位终端包括固定终端和移动终端；ZigBee-LoRa信号中转网关包括ZigBee路由模块、ZigBee-LoRa信号转换模块、LoRa通信模块和LoRa路由模块；
定位终端通过ZigBee路由模块和ZigBee协调器接入ZigBee网络，用于采集数据；
固定终端放置于仓库地面，其中放置有传感器的采集模块，采集仓库内的实时温度、湿度、二氧化碳浓度及烟雾浓度；固定终端实时向ZigBee路由模块上传传感器采集的信息及自身编号；移动终端放置于货物表面，有货物入库、出库或移库时，首先使用信息录入机记录货物的种类以及入库、出库或移库信息，移动终端将货物的种类、自身编号传送给固定终端，再上传至ZigBee路由模块；
ZigBee-LoRa信号中转网关中，ZigBee路由模块将定位终端加入ZigBee网络并完成各个定位终端之间数据信息的路由工作和数据存储功能；ZigBee-LoRa信号转换模块用于将ZigBee路由模块接收的定位终端信号转换为LoRa信号；LoRa通信模块将LoRa信号上传至LoRa路由模块，LoRa路由模块将LoRa信号上传至云服务器；
云服务器，分别与LoRa路由模块和计算机连接，用于接收LoRa信号并传送至计算机；
ZigBee协调器，用于ZigBee网络的组建、维持和管理。
ZigBee-LoRa信号转换模块将ZigBee路由模块接收的定位终端信号转换为LoRa信号的具体过程为：
去除ZigBee数据包中的同步头标志(SHR)、物理头标志(PHR)部分，保留MAC层数据帧(MPDU)部分；去除MAC层数据帧的帧头和帧尾得到MAC层的数据载荷(MSDU)；将MAC层的数据载荷打包成LoRa信号。
在上述定位系统的基础上，固定终端还包括高度固定终端，放置于仓库的货架的不同高度；高度固定终端接收移动终端传送的货物的种类、自身编号信息，固定终端通过ZigBee-LoRa信号中转网关将信息传送至云服务器；计算机通过云服务器读取信息，利用三维定位算法(极大似然估计法、四边测量法等)计算货物的三维位置信息。
本发明的有益效果是：
本发明所述定位系统一方面由于ZigBee和LoRa技术都具有低功耗，低成本的特性，这样布局若与传统蓝牙、WiFi技术等相比，可以显著减少布局定位系统的预算开销，另一方面由于此系统既可以实时监测仓库中烟雾浓度、温度、湿度等指标，还可以随时获取到货物的分布信息以及入库、出库、移库等操作，所以也可以做到仓库管理效率的提升以及确保安全性。其次，ZigBee和LoRa工作在不同频段，ZigBee技术的工作频率在2.4G频段，而LoRa技术的工作频率在433MHz频段，两种技术的通信频率不会相互干扰。
附图说明
图1为固定终端的结构示意图；
图2为ZigBee-LoRa信号中转网关的结构示意图；
图3为ZigBee协议中网状网拓扑结构示意图；
图4为定位工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于ZigBee和LoRa的定位系统，包括定位终端、ZigBee协调器、ZigBee-LoRa信号中转网关和云服务器；定位终端包括固定终端和移动终端；ZigBee-LoRa信号中转网关包括ZigBee路由模块、ZigBee-LoRa信号转换模块、LoRa通信模块和LoRa路由模块；
定位终端通过ZigBee路由模块和ZigBee协调器接入ZigBee网络，用于采集数据；
固定终端放置于仓库地面，其中放置有传感器的采集模块，采集仓库内的实时温度、湿度、二氧化碳浓度及烟雾浓度等，其示意图如图1所示；固定终端以一定时间间隔实时向ZigBee路由模块上传传感器采集的信息及自身编号；移动终端放置于货物表面，有货物入库、出库或移库时，首先使用信息录入机通过扫描电子条形码等方式用来记录货物的种类以及入库、出库或移库信息，移动终端将货物的种类、自身编号传送给固定终端，再上传至ZigBee路由模块；
ZigBee-LoRa信号中转网关的结构示意图如图2所示；其中，ZigBee路由模块将定位终端加入ZigBee网络并完成各个定位终端之间数据信息的路由工作和数据存储功能，是系统中数据通信的中继设备；ZigBee-LoRa信号转换模块用于将ZigBee路由模块接收的定位终端信号转换为LoRa信号；LoRa通信模块将LoRa信号上传至LoRa路由模块，LoRa路由模块将LoRa信号上传至云服务器；
云服务器，分别与LoRa路由模块和计算机连接，用于接收LoRa信号并传送至计算机；
ZigBee协调器，用于ZigBee网络的组建、维持和管理，通过ZigBee协调器构建的ZigBee网络中任何定位终端之间都可以相互通信；想要加入ZigBee网络的定位终端需要先向ZigBee协调器发送请求命令，获得ZigBee协调器回复的确认帧(ACK)以及ZigBee协调器介质访问控制(MAC)层上接收到连接指示后，会给定位终端介质访问控制(MAC)层发送响应并为其分配地址以确保终端节点连接到ZigBee网络中进行通信；组网时ZigBee协调器会优先选择空闲的信道，配置不与其他网络冲突的个域网标志符(PAN ID)以缩短网络时延。
ZigBee协议中定义了三种网络拓扑结构：星形网(Star)、树形网(Cluster Tree)和网状网(mesh)，本实施例采用网状网结构，其结构示意图如图3所示。网状拓扑结构是三种拓扑结构中最复杂的，但是它在树形网络拓扑结构的基础上允许网络中的所有路由节点直接互联，网状网络拓扑结构的路由机制灵活，鲁棒性强，网络中存在数量众多的路由。终端节点可通过任意一个路由发送数据，它可以实现网络中节点之间的完全点对点通信。
ZigBee-LoRa信号转换模块将ZigBee路由模块接收的定位终端信号转换为LoRa信号的具体过程为：
去除ZigBee数据包中的同步头标志(SHR)、物理头标志(PHR)部分，保留MAC层数据帧(MPDU)部分；去除MAC层数据帧的帧头和帧尾得到MAC层的数据载荷(MSDU)；将MAC层的数据载荷打包成LoRa信号。
由于部分大型仓库可能分为多层，同层仓库中因为货架的高低等也有高度上的不同，本实施例在上述定位系统的基础上增加了高度的定位，形成三维定位。在上述定位系统的基础上，固定终端还包括高度固定终端，放置于仓库的货架的不同高度；高度固定终端接收移动终端传送的货物的种类、自身编号信息，固定终端通过ZigBee-LoRa信号中转网关将信息传送至云服务器；计算机通过云服务器读取信息，利用三维定位算法(极大似然估计法、四边测量法等)计算货物的三维位置信息；将货物三维位置信息中的高度信息与高度定位终端的高度信息进行对比，取最短相对距离即可对应于货架的层数。

Claims (4)

1.一种基于ZigBee和LoRa的定位系统，其特征在于，包括定位终端、ZigBee协调器、ZigBee-LoRa信号中转网关和云服务器；定位终端包括固定终端和移动终端；ZigBee-LoRa信号中转网关包括ZigBee路由模块、ZigBee-LoRa信号转换模块、LoRa通信模块和LoRa路由模块；
定位终端通过ZigBee路由模块和ZigBee协调器接入ZigBee网络，用于采集数据；
固定终端放置于仓库地面，其中放置有传感器的采集模块，采集仓库内的实时温度、湿度、二氧化碳浓度及烟雾浓度；固定终端实时向ZigBee路由模块上传传感器采集的信息及自身编号；移动终端放置于货物表面，有货物入库、出库或移库时，首先使用信息录入机记录货物的种类以及入库、出库或移库信息，移动终端将货物的种类、自身编号传送给固定终端，再上传至ZigBee路由模块；
ZigBee-LoRa信号中转网关中，ZigBee路由模块将定位终端加入ZigBee网络并完成各个定位终端之间数据信息的路由工作和数据存储功能；ZigBee-LoRa信号转换模块用于将ZigBee路由模块接收的定位终端信号转换为LoRa信号；LoRa通信模块将LoRa信号上传至LoRa路由模块，LoRa路由模块将LoRa信号上传至云服务器；
云服务器，分别与LoRa路由模块和计算机连接，用于接收LoRa信号并传送至计算机；
ZigBee协调器，用于ZigBee网络的组建、维持和管理。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和LoRa的定位系统，其特征在于，ZigBee-LoRa信号转换模块将ZigBee路由模块接收的定位终端信号转换为LoRa信号的具体过程为：
去除ZigBee数据包中的同步头标志、物理头标志部分，保留MAC层数据帧部分；去除MAC层数据帧的帧头和帧尾得到MAC层的数据载荷；将MAC层的数据载荷打包成LoRa信号。
3.一种基于ZigBee和LoRa的三维定位系统，其特征在于，在权利要求1所述定位系统的基础上，固定终端还包括高度固定终端，放置于仓库的货架的不同高度；高度固定终端接收移动终端传送的货物的种类、自身编号信息，固定终端通过ZigBee-LoRa信号中转网关将信息传送至云服务器；计算机通过云服务器读取信息，利用三维定位算法计算货物的三维位置信息。
4.根据权利要求3所述的基于ZigBee和LoRa的三维定位系统，其特征在于，所述三维定位算法为极大似然估计法或四边测量法。
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