“赛佰特杯”全国大学生物联网应用设计竞赛设计报告——基于物联网技术的仓库管理自动化系统.doc

2013“赛佰特杯”第三届全国大学生物联网创新设计应用大赛2013“赛佰特杯”第三届全国大学生物联网创新设计应用大赛作品设计报告基于物联网技术的仓库管理自动化系统store management automatic system based on internet of things technology设计报告队伍编号：cyb-js-083参赛学校：河海大学作 者：谢昱勃 朱前明 赵沛然 胡晓飞 指导教师：蔡昌春 倪建军组别：本科组 高职组 15目 录课题摘要1第一章 绪 论1第二章 系统方案2第三章 功能与指标2第四章 实施原理及过程4第五章 硬件框图7第六章 系统方案论证与比较7第七章 调试与结果8第八章 软件设计9第九章 特色与创新点11结 论11参考文献12附录：各模块硬件电路原理图13课题摘要基于rfid技术、蓝牙技术、红外发射机及接受技术、射频ic识别技术，构建基于无线传感网络的仓库管理自动化系统。系统由上位机信息处理和下位机信息采集两大部分构成。其中下位机由货柜信息模块、车载无线设备识别模块、小车行驶控制模块、蓝牙无线信号传输模块等构成，利用红外技术实现小车行驶控制，利用小车自动跟踪货柜信息并利用无线rfid技术采集货柜信息，并通过无线蓝牙技术将信息处理并上传。上位机由信号接收模块、信息处理模块，并实现信息的存储、查询、校验等功能；另外可以通过上位机对智能小车进行信息采集控制。本系统设计思路清晰，硬件结构简单，系统稳定性好，适用范围广。关键词：物联网 rfid 蓝牙技术 无线传感网络第一章 绪 论1.1 概 述随着经济的迅猛发展，全世界范围内贸易量的不断加大，对企业的生产经营效率提出了更高的要求。企业必须利用各种先进制作技术，在网络和信息技术的支持下，不断改进现有生产经营模式套路和组织结构，才能适应不断提高的生产节奏，赢得更多的市场份额。仓储在企业的整个供应链中起着至关重要的作用，特别是如今随着经济的发展规模的扩大，全球化的趋势日益加深。如果不能保证正确的进货和库存控制及发货，将会导致管理费用的增加，服务质量难以得到保证，从而影响企业的竞争力。传统、简单与静态的仓储管理已无法保证企业各种资源的高效利用，仅靠人工记忆和手工录入，不但费时费力，而且容易出错，给企业带来巨大损失。此项作品的出现恰好解决了此问题。本项目设计的仓库管理自动化系统能够有效地实现企业产品管理的系统化、规范化和智能化，从而提高企业管理效率。它可以完全取代原来一直人工检查校验仓库各项货物库存量的方式，避免由于工作人员的工作疏忽以及管理质量问题所造成的各种错误，为及时、准确、高效的完成仓库管理提供了强有力的工具和管理手段。整个系统由硬件部分和上位机数据库软件两部分构成。下位机硬件部分主要货柜信息模块、车载无线设备识别模块、小车行驶控制模块、蓝牙无线信号传输模块构成。以单片机为控制核心，利用无线红外技术识别货柜位置及行车线路，在行车过程中，就是发现货柜位置，利用无线射频技术识别货柜现有信息模块，并通过蓝牙技术及时上传至上位机，上位机通过无线通信模块接收信息并处理信息。小车可以于任意时间通过接收到上位机发送的启动指令开始运行。上位机通过c#开发信息系统，一方面将采集信息及时存入基于mysql的数据库系统，同时利用serialport控件实现上位机与硬件设备之间的通信。在运输工人对货物进行存取时，可通过基于单片机的手持设备更改相应ic卡中的相应信息。本设计可实现对仓库信息的快速、高效、省时、省力的检查校验。在完成了一次全库检查之后，只需在终点处防止标志物车辆就可以自动掉头、停车并且进入空闲模式，在下次需要检查全库时，可通过上位机发送指令将其唤醒，便可进入正常运行，符合低功耗要求。本设计程序思路清晰，硬件结构简单，系统稳定性高，适合大多数情况下的仓库信息管理。第二章 系统方案2.1 系统方案结构实验模拟环境为我们自行制作模拟的仓库环境，考虑到实际仓库中规模和具体环境上的差异，所以这里的方案只是一个大体流程。根据不同仓库的不同环境，行车路线设计可能会有所不同。图1 系统整体方案 由图1所示，循迹车通过红外蔽障模块识别路径，沿固定路线行驶做到遍历货物，行驶过程中当无线射频识别设备寻卡成功时，循迹车停车并读取卡中数据。读取成功后，车辆启动继续行驶，同时将读取到的货物信息传送至上位机，当车辆检测至终点时可以自动停车，整个系统进入空闲状态以尽量减小功耗。上位机收到的货物信息可以存入数据库中，并生成excel格式报表，管理员可以在任意时刻阅览某一日期或者某一周的报表信息。在货物进出存取时，运输工人可通过手持设备更改ic卡中的信息。第三章 功能与指标3.1 电源模块系统需要统一的5幅的直流稳压电源，利用蓄电池提供7.2v直流电源，并利用lm2940稳压芯片和滤波电路，实现系统稳定的5v直流稳压电，为单片机、射频电路以及无线传输电路提供电源。3.2 蓝牙通讯模块利用蓝牙技术实现对传统串口线的代替，室内50米范围内实现0误差信息传输，蓝牙核心模块不加任何外围电路（比如led，max3232等），室内10米范围内，无明显隔离障碍（比如密封墙，金属墙），无强烈电磁干扰（比如超过100个蓝牙同时工作的环境），蓝牙模块与适配器频点标准一致（假设厂家的蓝牙适配器的频点是非常统一精准的情况下，一般正规的手机蓝牙以及正品的蓝牙适配器的蓝牙频点认为是符合标准的），蓝牙模块天线附近无吸收信号的走线、装置等（如天线下方pcb板有铺地的情况是不在测试范围内的）。3.4 非接触式读卡器mfrc522可以随时对mifare 1型ic卡进行读写操作，在循迹车行驶时，经过存储着对应货物信息的ic卡时在50ms内读出相应数据，其数据格式为：六位字符货物编号 六位字符货物名称 三位字符仓储量3.5 电机驱动模块驱动芯片为l9110两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，输入信号电流为150ma，最大输出电流为800ma。微控制器与其信号端连接需加10k强上拉电阻，信号为pwm（脉冲宽度调制）信号，做到对小车行驶动作的控制。3.6 红外对管检测模块可实时监控模块发射方向中物体的出现及消失，比较器参考电压可调节的特点使之可以改变其要监测的距离，信号为ttl电平。3.7 循迹车行驶控制使车在不同的仓库环境中根据货物摆放有着不同的固定行驶路线，小车中线与车辆两端货柜的距离不超过10cm，以保证无线射频读写模块准确无误的读取ic卡内信息。本设计中我们模拟的仓库环境如图所示。货柜货柜货柜货柜图 2 行车线路3.8 软件上位机可以将收到的数据保存到数据库中。其后，为了方便管理，添加了一个可以生成报表的模块，即生成一个data.xls文件。然后，通过进一步的思考，我们认识，既然是做一个仓库管理系统，那么我们就应该可以准确的获取仓库库存量的信息，最终我们决定以时间为参考，基于每天的时间来对数据进行分开处理。第四章 实施原理及过程4.1 非接触式读卡技术mc rc522是应用于13.56mhz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员，是nxp公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是只能仪表和便携是手持设备研发的较好选择。mc rc522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了13.56mhz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。支持iso1443a的多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线与iso 1443a/mifare卡和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理iso1443a兼容的应答器信号。数字部分处理iso1443a帧和错误检测（奇偶&crc），此外，它还支持快速crypt01加密算法，用于验证mifare系列产品。mfrc522支持mifare更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。作为13.56mhz高集成度读写卡系列芯片家族的新成员，mf rc522与mf rc500和mf rc530有不少相似之处，同时也具备诸多特点和差异，它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求选取spi、i2c或串行uart模式之一，有利于减少连线，缩小pcb板体积，降低成本。特性：高集成度的调制解调电路；采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线；支持 iso/iec 14443 typea 和mifare®通信协议；读写器模式中与 iso 14443a/mifare®的通信距离高达50mm，取决于天线的长度和调谐。支持 iso 14443 212kbit/s 和424kbit/s 的更高传输速率的通信。支持 mifare® classic 加密；支持的主机接口：10mbit/s 的spi 接口i2c 接口，快速模式的速率为400kbit/s，高速模式的速率为3400kbit/s串行uart，传输速率高达1228.8kbit/s，帧取决于rs232接口，电压电平取决于提供的管脚电压64 字节的发送和接收fifo 缓冲区；灵活的中断模式；可编程定时器。具备硬件掉电、软件掉电和发送器掉电 3 种节电模式，前两种模式雷同于mfrc500 和 cl rc400，其特有的“发送器掉电”则可关闭内部天线驱动器，即关闭rf 场；内置温度传感器，以便在芯片温度过高时自动停止 rf 发射；采用相互独立的多组电源供电，以避免模块间的相互干扰，提高工作的稳定性；具备 crc 和奇偶校验功能，crc 协处理器的16 位长crc 计算多项式固定为：x16+x12+x5+1，符合iso/1ec14443 和cctitt 协议；内部振荡器，连接 27.12mhz 的晶体；2.53.3v 的低电压低功耗设计；工作温度范围-30+85；5mm5mm0.85mm 的超小体积。4.2 蓝牙模块简介 （1） 采用csr主流蓝牙芯片，蓝牙v2.0协议标准（2） 串口模块工作电压3.3v。（3） 波特率为1200，2400，4800，9600,19200，38400，57600，115200用户可设置（4） 核心模块尺寸大小为：28mm x 15 mm x 2.35mm。（5） 工作电流：40ma（6） 休眠电流：小于1ma（7） 用于gps导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统。（8） 可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、pda等设备进行无缝连接 蓝牙通讯具有高可靠性、低错误率、相对远的传输距离的特点，适用于工业现场中。4.3 mysql数据库软件mysql是一个开放源码的小型关联式数据库管理系统，开发者为瑞典mysql ab公司。目前mysql被广泛地应用在internet上的中小型网站中。由于其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，许多中小型网站为了降低网站总体拥有成本而选择了mysql作为网站数据库。系统特性：（1）使用c和c+编写，并使用了多种编译器进行测试，保证源代码的可移植性（2）支持aix、freebsd、hp-ux、linux、mac os、novellnetware、openbsd、os/2 wrap、solaris、windows等多种操作系统（3）为多种编程语言提供了api。这些编程语言包括c、c+、python、java、perl、php、eiffel、ruby和tcl等。（4）支持多线程，充分利用cpu资源（5）优化的sql查询算法，有效地提高查询速度（6）既能够作为一个单独的应用程序应用在客户端服务器网络环境中，也能够作为一个库而嵌入到其他的软件中。（7）提供多语言支持，常见的编码如中文的gb 2312、big5，日文的shift_jis等都可以用作数据表名和数据列名。（8）提供tcp/ip、odbc和jdbc等多种数据库连接途径。（9）提供用于管理、检查、优化数据库操作的管理工具。（10）支持大型的数据库。可以处理拥有上千万条记录的大型数据库。（11）支持多种存储引擎。第五章 硬件框图 控制信号路径信息继电器控制通断供电mcu及通讯电源 mcu蓝牙通讯驱动及光电管循迹电源供电电机及驱动 光电管循迹读卡模块数据库存储信息图 3 系统硬件框图 由图3所示，系统的硬件设计分为电源模块、无线射频识别模块、蓝牙串口模块、红外传感器和微处理器系统。电源模块有lm2940-5.0t、lm1117-3.3和滤波电路组成，输出5v和3.3v直流。射频识别模块为mfrc522，通过spi四线总线与微处理器进行数据和命令传输。蓝牙串口模块的作用为替代传统串口线，同过蓝牙适配器和pc机进行交流。系统选用的微处理器为msp430f149单片机。第六章 系统方案论证与比较6.1 蔽障模块蔽障模块决定了小车能否按正确轨迹于仓库中行驶，是本设计功能实现的基础，选择正确的蔽障方式尤为重要。方案一：超声波蔽障。通过超声波可准确测出车体与周围物体的距离和物体形状。为节省资源可用舵机控制超声波模块定轴转动监视车体周围情况。程序控制略为复杂，占用片内资源较多，不能实时对车体周围360度范围进行监控。方案二：红外接收发射模块。可实时监控模块发射方向中物体的出现及消失，比较器参考电压可调节的特点使之可以改变其要监测的距离，信号较为简单，就是简单的5v和0v的高地电平的变化，价格低廉，程序简单，较为适用于本系统的循迹功能。6.2 直流电机驱动模块能否选择正确的直流电机驱动方式决定小车能否正常工作，是本设计功能实现的基础方案一：l298n。l298n为通用全桥驱动芯片，在飞思卡尔校区赛中使用较为广泛，价格低廉，驱动性能不高，死区出现概率较大，工作不稳定。方案二：bts7960以其内阻小、驱动电流大的特点而在全国飞思卡尔智能汽车竞赛中广泛使用。适用于电流驱动的大电流高集成芯片，去内部带有一个p沟道的高边mosfet、一个n沟道的底边mosfet和一个驱动ic，驱动ic具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死去时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护功能。驱动直流电机有着很好的效果，唯一不足是价格太高。方案三：l9110 l9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片ic 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个ttl/cmos兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750800ma 的持续电流，峰值电流能力可达1.52.0a；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。l9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。价格适中，适合于本设计使用。6.3 上位机与下位机之间串口连接控件的选择。方案一：选用mscomm控件，该控件的可利用的程度不高，执行的效率的略低，并且使用的广泛程度不高，故未选用。方案二：选用serpial控件，该控件的属性少便于利用，执行程度高，易上手，并且使用的难度较低，故选用。6.4 数据库的选择。方案一：access。因其逐渐退出人们的视野，使用面窄，故未使用方案二：mysql。使用简单，容易上手，与c#的连接契合性高，故使用第七章 调试与结果7.1 msp430单片机编程在硬件调试过程中，程序无疑使最重要的。msp430系列单片机是美国德州仪器（ti）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（risc）的混合信号处理器（mixed signal processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。msp430系列单片机具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富、超低功耗、方便高效的开发环境的特点。7.2 小车循迹的调试在本设计中，设计者采用mcu通过红外收发模块检测周围物体后处理信息已达到循迹蔽障的效果。红外收发模块原理较为简单，采用lm393比较器处理红外接收管所采集的信息，红外发射管的物理特性表现为：当接收管所接收到的红外线光强越强则阻抗越小，反之则阻抗越大。比较器正相输入端采集红外接收管电压与电位器电压比较，而电位器的调节则可理解为通过调节基准电压以调节接收管灵敏度。本模块操作简便，在程序上采用查表法实现其循迹功能，经调试后效果良好。7.3 mf522无线射频模块调试本设计中应用mf522的spi通讯模式，由微处理器程序模拟协议时序实现正常通讯。经寻卡、防冲撞处理、选定卡片、验证卡片密码等过程，后可获取或者写入数据。74 转弯角度调试转弯角度调试中，一开始的想法是利用陀螺仪测定转过角度，后因陀螺仪使用复杂且价格昂贵，后决定使用车模自带的光电门在电机转动的同时获得相应脉冲，用单片机的t2定时器计数，通过串口显示出脉冲数以大概计算出脉冲数和角度的比值，便可粗略控制小车转过的角度，经测试，这一方法简单有效。第八章 软件设计一、软件介绍：本次作品的上位机实现，是通过运用c#语言进行实现的具有一定的数据接收与数据管理分析功能的一款软件。一方面通过数据库，本次采用的数据库是mysql，来实现数据的大规模存储，并运用c#语言对其进行操作做一些简单的分析。另一方面，软件与硬件结合的部分则是主要依靠c#的serpial控件，运用它来同下位机之间进行串口通讯。设计思路：起初就是简单的打算每一次启动设备，遍历过所有货柜之后，向上位机传输数据，二、设计思路：上位机可以将收到下位机读卡获得的数据并保存到数据库中。其后，为了方便管理，添加了一个可以生成报表的模块，即生成一个data.xls文件，还有一个利用picturebox绘制折现统计的模块。然后，通过进一步的思考，我们认识，既然是做一个仓库管理系统，那么我们就应该可以准确的获取仓库库存量的信息，最终我们决定以时间为参考，基于每天的时间来对数据进行分开处理。我们这次设计的软件是按照月份来建立数据库，那么年份上就存在说到新年会出现的问题。因此，我们也添加了一个提醒与删除数据库信息的模块。3、 具体实现过程：1）：登陆模块：我们建立的一个登陆模块，为的是限制权限不要让所有能够获得软件的人就可以操作该软件。我们设置了账号密码与验证码三个信息确认的项目为的就是确保软件的安全性。2）：自动建立表：在程序进行时，我们会进行一次判断，判断当前月份所对应的表是否存在于数据库中，不存在即建立。虽然这样做每次开启都需要进行一次判断，但是可以免去人工操作而会产生的错误。3）：查询模块：通过一个日历控件，可以对日期进行选择，在点击选择想要查询的日期时，软件会到数据库中查询，并找到相应月份名称的表，再从表中选择中对应的日期的。这时查询，就有2种情况，一种是选择了今天之前包括今天的日期，这样无论该天是否有数据的变化都可以从数据库中得到正确反馈。相反的，如果选了本月之后的日期，更或者是选择了本月之后的月份，那么或直接输出提示不能查询未来。这样可以通过一个判断，优化对于数据库的操作。4）：生成报表：仍然是基于日历控件，选择了一个日期之后，我们会有这样以下三种情况：第一、选择了本日之前的日期，第二、选择了本日的日期，第三、选择了本日之后的日期。面对第一种情况，我们会判断该日的数据是否存在（如果没有启动设备检查，那么改日不会获得数据），若无则不允许生成该日的报表。若数据存在，则会判断该报表是否已经被产生，理论上，我们不允许对于已经产生了的报表进行再次生成，所以若存在则会给出已经存在的提示，相反的若该日的数据存在且文件不存在，会生成一个该日的报表。面对第二种情况，若是本日的数据存在，但是因为某种情况进行了2次检查出现了不同，我们则是允许对于本日的报表进行多次生成的操作，所以每次生成本日的报表，我们就会删除已经存在的本日的报表，产生新的。对于未来的日期，我们则是不允许生成日报表。对于月报表，会出现同日报表相同的情况，因此对于时间的判别相同，不加赘述。总得说来我们对于报表生成的原则是：生成存在的数据，不改变既定事实的，当前的可以多次修改，未来的视为不存在。5）：串口通讯：对于上位机发送或者接收信息这一模块，较之于初始想法没有太大改变。采用c#提供的serpial控件，进行串口通讯。启动设备的方法是在打开串口设施正确的波特率后，向下位机发送一个表示开始值。接收的方法就是使用datareceived事件，此处因为涉及到跨线程使用控件，因此需要注意到要添加一个委托，加强程序的安全性。6）：绘制统计图：我们加入了一个绘制统计图的模块，为的就是可以对于数据机械的进行一个小的分析。首先通过选择月份来判断是否存在该月份的表，然后系统会选择出该月份数据库中存在的信息名称，供用户选择，在用户选择完2个信息之后，我们会读出在某月份中某物品的时间（x轴），数目（y轴）建立一个直角坐标系，通过picturebox的绘图功能，绘制一张折线统计图。7）：其他：通过系统获得当前的日期月份与日期都有其自己的格式，与数据适用的格式略有不兼容，需要注意进行转化。该系统建立的数据库为了准确适用以月份为参考，会在新的一年时出现问题，所有在12月份的最后我们会在主界面上出现一个提示，并且提供一个功能清空数据库中的数据，但是需要慎重使用该功能，确保其是在每年12月最后一次使用后，点击按钮。第九章 特色与创新点本系统的在追求核心目标“可靠与稳定”的前提下，在设计中，体现出了以下特色：9.1 蓝牙通讯针对本设计所面向的中小型仓库管理，我们最终决定使用蓝牙技术来替代传统的数据线实现上位机和下位机间的通讯。蓝牙是一种低成本大容量的短距离无线通信规范，操作较为简单，成本相对相低。本设计中所使用的蓝牙模块通信距离等级为100m左右，完全适用系统的性能要求。9.2 车载非接触式无线射频识别icrfid是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据识别工作无须人工干预。将无线识别放于循迹车上是本设计中的重要创新应用，无须人为干预车辆可完成对货物的遍历和信息的采集，完全是设备自己的动作，在实际应用中可以大量节省人力，提高工作效率。结 论这次比赛中，我们组四名成员抱着学习的心态去完成这项设计，在制作调试中都付出了智慧和汗水，我们同样收获了很多宝贵