赛佰特杯全国大学生物联网应用设计竞赛设计优质报告基于物联网核心技术的仓库管理自动化系统.doc

“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汇报基于物联网技术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 指导老师：蔡昌春 倪建军组别：本科组 高职组 目 录课题摘要1第一章 绪 论1第二章 系统方案2第三章 功效和指标2第四章 实施原理及过程4第五章 硬件框图7第六章 系统方案论证和比较7第七章 调试和结果8第八章 软件设计9第九章 特色和创新点11结 论11参考文件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、红外发射机及接收技术、射频IC识别技术，构建基于无线传感网络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组成。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组成，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，并经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，并实现信息存放、查询、校验等功效；另外能够经过上位机对智能小车进行信息采集控制。本系统设计思绪清楚，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 述伴随经济迅猛发展，全世界范围内贸易量不停加大，对企业生产经营效率提出了更高要求。企业必需利用多种优异制作技术，在网络和信息技术支持下，不停改善现有生产经营模式套路和组织结构，才能适应不停提升生产节奏，赢得更多市场份额。仓储在企业整个供给链中起着至关关键作用，尤其是现在伴随经济发展规模扩大，全球化趋势日益加深。假如不能确保正确进货和库存控制及发货，将会造成管理费用增加，服务质量难以得到确保，从而影响企业竞争力。传统、简单和静态仓储管理已无法确保企业多种资源高效利用，仅靠人工记忆和手工录入，不仅费时费力，而且轻易犯错，给企业带来巨大损失。此项作品出现恰好处理了此问题。本项目设计仓库管理自动化系统能够有效地实现企业产品管理系统化、规范化和智能化，从而提升企业管理效率。它能够完全替换原来一直人工检验校验仓库各项货物库存量方法，避免因为工作人员工作疏忽和管理质量问题所造成多种错误，为立即、正确、高效完成仓库管理提供了强有力工具和管理手段。整个系统由硬件部分和上位机数据库软件两部分组成。下位机硬件部分关键货柜信息模块、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组成。以单片机为控制关键，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，就是发觉货柜位置，利用无线射频技术识别货柜现有信息模块，并经过蓝牙技术立即上传至上位机，上位机经过无线通信模块接收信息并处理信息。小车能够于任意时间经过接收到上位机发送开启指令开始运行。上位机经过C#开发信息系统，首先将采集信息立即存入基于MYSQL数据库系统，同时利用SerialPort控件实现上位机和硬件设备之间通信。在运输工人对货物进行存取时，可经过基于单片机手持设备更改对应IC卡中对应信息。本设计可实现对仓库信息快速、高效、省时、省力检验校验。在完成了一次全库检验以后，只需在终点处预防标志物车辆就能够自动掉头、停车而且进入空闲模式，在下次需要检验全库时，可经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。本设计程序思绪清楚，硬件结构简单，系统稳定性高，适合大多数情况下仓库信息管理。第二章 系统方案2.1 系统方案结构试验模拟环境为我们自行制作模拟仓库环境，考虑到实际仓库中规模和具体环境上差异，所以这里方案只是一个大致步骤。依据不一样仓库不一样环境，行车路线设计可能会有所不一样。图1 系统整体方案 由图1所表示，循迹车经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，车辆开启继续行驶，同时将读取到货物信息传送至上位机，当车辆检测至终点时能够自动停车，整个系统进入空闲状态以尽可能减小功耗。上位机收到货物信息能够存入数据库中，并生成EXCEL格式报表，管理员能够在任意时刻阅览某一日期或某一周报表信息。在货物进出存取时，运输工人可经过手持设备更改IC卡中信息。第三章 功效和指标3.1 电源模块系统需要统一5幅直流稳压电源，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5V直流稳压电，为单片机、射频电路和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替换，室内50米范围内实现0误差信息传输，蓝牙关键模块不加任何外围电路（比如LED，MAX3232等），室内10米范围内，无显著隔离障碍（比如密封墙，金属墙），无强烈电磁干扰（比如超出100个蓝牙同时工作环境），蓝牙模块和适配器频点标准一致（假设厂家蓝牙适配器频点是很统一正确情况下，通常正规手机蓝牙和正品蓝牙适配器蓝牙频点认为是符合标准），蓝牙模块天线周围无吸收信号走线、装置等（如天线下方PCB板有铺地情况是不在测试范围内）。3.4 非接触式读卡器MFRC522能够随时对Mifare 1型IC卡进行读写操作，在循迹车行驶时，经过存放着对应货物信息IC卡时在50ms内读出对应数据，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。微控制器和其信号端连接需加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出现及消失，比较器参考电压可调整特点使之能够改变其要监测距离，信号为TTL电平。3.7 循迹车行驶控制使车在不一样仓库环境中依据货物摆放有着不一样固定行驶路线，小车中线和车辆两端货柜距离不超出10cm，以确保无线射频读写模块正确无误读取IC卡内信息。本设计中我们模拟仓库环境图所表示。货柜货柜货柜货柜图 2 行车线路3.8 软件上位机能够将收到数据保留到数据库中。其后，为了方便管理，添加了一个能够生成报表模块，即生成一个DATA.XLS文件。然后，经过深入思索，我们认识，既然是做一个仓库管理系统，那么我们就应该能够正确获取仓库库存量信息，最终我们决定以时间为参考，基于天天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一员，是NXP企业针对“三表”应用推出一款低电压、低成本、体积小非接触式读写卡芯片，是只能仪表和便携是手持设备研发很好选择。MC RC522利用了优异调制和解调概念，完全集成了13.56MHz下全部类型被动非接触式通信方法和协议。支持ISO1443A多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线和ISO 1443A/MIFARE卡和应答机通信，无需其它电路。接收器部分提供一个坚固而有效解调和解码电路，用于处理ISO1443A兼容应答器信号。数字部分处理ISO1443A帧和错误检测（奇偶&CRC），另外，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新组员，MF RC522和MF RC500和MF RC530有不少相同之处，同时也含有很多特点和差异，它和主机间通信采取连线较少串行通信，且可依据不一样用户需求选择SPI、I2C或串行UART模式之一，有利于降低连线，缩小PCB板体积，降低成本。特征：高集成度调制解调电路；采取少许外部器件，即可将输出驱动级接至天线；支持 ISO/IEC 14443 TypeA 和MIFARE®通信协议；读写器模式中和 ISO 14443A/MIFARE®通信距离高达50mm，取决于天线长度和调谐。支持 ISO 14443 212kbit/s 和424kbit/s 更高传输速率通信。支持 MIFARE® Classic 加密；支持主机接口：10Mbit/s SPI 接口I2C 接口，快速模式速率为400kbit/s，高速模式速率为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管脚电压64 字节发送和接收FIFO 缓冲区；灵活中止模式；可编程定时器。含有硬件掉电、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“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，方便在芯片温度过高时自动停止 RF 发射；采取相互独立多组电源供电，以避免模块间相互干扰，提升工作稳定性；含有 CRC 和奇偶校验功效，CRC 协处理器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 晶体；2.53.3V 低电压低功耗设计；工作温度范围-30+85；5mm5mm0.85mm 超小体积。4.2 蓝牙模块介绍 （1） 采取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） 关键模块尺寸大小为：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） 能够和蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接 蓝牙通讯含有高可靠性、低错误率、相对远传输距离特点，适适用于工业现场中。4.3 MYSQL数据库软件MySQL是一个开放源码小型关联式数据库管理系统，开发者为瑞典MySQL AB企业。现在MySQL被广泛地应用在Internet上中小型网站中。因为其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，很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。系统特征：（1）使用C和C+编写，并使用了多个编译器进行测试，确保源代码可移植性（2）支持AIX、FreeBSD、HP-UX、Linux、Mac OS、NovellNetware、OpenBSD、OS/2 Wrap、Solaris、Windows等多个操作系统（3）为多个编程语言提供了API。这些编程语言包含C、C+、Python、Java、Perl、PHP、Eiffel、Ruby和Tcl等。（4）支持多线程，充足利用CPU资源（5）优化SQL查询算法，有效地提升查询速度（6）既能够作为一个单独应用程序应用在用户端服务器网络环境中，也能够作为一个库而嵌入到其它软件中。（7）提供多语言支持，常见编码如汉字GB 2312、BIG5，日文Shift_JIS等全部能够用作数据表名和数据列名。（8）提供TCP/IP、ODBC和JDBC等多个数据库连接路径。（9）提供用于管理、检验、优化数据库操作管理工具。（10）支持大型数据库。能够处理拥有上千万条统计大型数据库。（11）支持多个存放引擎。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放信息图 3 系统硬件框图 由图3所表示，系统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，经过SPI四线总线和微处理器进行数据和命令传输。蓝牙串口模块作用为替换传统串口线，同过蓝牙适配器和PC机进行交流。系统选择微处理器为msp430f149单片机。第六章 系统方案论证和比较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，是本设计功效实现基础，选择正确蔽障方法尤为关键。方案一：超声波蔽障。经过超声波可正确测出车体和周围物体距离和物体形状。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出现及消失，比较器参考电压可调整特点使之能够改变其要监测距离，信号较为简单，就是简单5v和0v高地电平改变，价格低廉，程序简单，较为适适用于本系统循迹功效。6.2 直流电机驱动模块能否选择正确直流电机驱动方法决定小车能否正常工作，是本设计功效实现基础方案一：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、驱动电流大特点而在全国飞思卡尔智能汽车竞赛中广泛使用。适适用于电流驱动大电流高集成芯片，去内部带有一个P沟道高边MOSFET、一个N沟道底边MOSFET和一个驱动IC，驱动IC含有逻辑电平输入、电流诊疗、斜率调整、死去时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护功效。驱动直流电机有着很好效果，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，整机可靠性提升。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平输入，含有良好抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机正反向运动，它含有较大电流驱动能力，每通道能经过750800mA 连续电流，峰值电流能力可达1.52.0A；同时它含有较低输出饱和压降；内置钳位二极管能释放感性负载反向冲击电流，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 上位机和下位机之间串口连接控件选择。方案一：选择MSCOMM控件，该控件可利用程度不高，实施效率略低，而且使用广泛程度不高，故未选择。方案二：选择serpial控件，该控件属性少便于利用，实施程度高，易上手，而且使用难度较低，故选择。6.4 数据库选择。方案一：ACCESS。因其逐步退出大家视野，使用面窄，故未使用方案二：MYSQL。使用简单，轻易上手，和C#连接契合性高，故使用第七章 调试和结果7.1 msp430单片机编程在硬件调试过程中，程序无疑使最关键。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场一个16位超低功耗、含有精简指令集（RISC）混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是因为其针对实际应用需求，将多个不一样功效模拟电路、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”处理方案。该系列单片机多应用于需要电池供电便携式仪器仪表中。msp430系列单片机含有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富、超低功耗、方便高效开发环境特点。7.2 小车循迹调试在本设计中，设计者采取MCU经过红外收发模块检测周围物体后处理信息已达成循迹蔽障效果。红外收发模块原理较为简单，采取LM393比较器处理红外接收管所采集信息，红外发射管物理特征表现为：当接收管所接收到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和电位器电压比较，而电位器调整则可了解为经过调整基准电压以调整接收管灵敏度。本模块操作简便，在程序上采取查表法实现其循迹功效，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mf522SPI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，后可获取或写入数据。74 转弯角度调试转弯角度调试中，一开始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光电门在电机转动同时取得对应脉冲，用单片机T2定时器计数，经过串口显示出脉冲数以大约计算出脉冲数和角度比值，便可粗略控制小车转过角度，经测试，这一方法简单有效。第八章 软件设计一、软件介绍：此次作品上位机实现，是经过利用C#语言进行实现含有一定数据接收和数据管理分析功效一款软件。首先经过数据库，此次采取数据库是MYSQL，来实现数据大规模存放，并利用C#语言对其进行操作做部分简单分析。其次，软件和硬件结合部分则是关键依靠C#serpial控件，利用它来同下位机之间进行串口通讯。设计思绪：起初就是简单计划每一次开启设备，遍历过全部货柜以后，向上位机传输数据，二、设计思绪：上位机能够将收到下位机读卡取得数据并保留到数据库中。其后，为了方便管理，添加了一个能够生成报表模块，即生成一个DATA.XLS文件，还有一个利用PICTUREBOX绘制折现统计模块。然后，经过深入思索，我们认识，既然是做一个仓库管理系统，那么我们就应该能够正确获取仓库库存量信息，最终我们决定以时间为参考，基于天天时间来对数据进行分开处理。我们这次设计软件是根据月份来建立数据库，那么年份上就存在说到新年会出现问题。所以，我们也添加了一个提醒和删除数据库信息模块。三、 具体实现过程：1）：登陆模块：我们建立一个登陆模块，为是限制权限不要让全部能够取得软件人就能够操作该软件。我们设置了账号密码和验证码三个信息确定项目为就是确保软件安全性。2）：自动建立表：在程序进行时，我们会进行一次判定，判定目前月份所对应表是否存在于数据库中，不存在即建立。即使这么做每次开启全部需要进行一次判定，不过能够免去人工操作而会产生错误。3）：查询模块：经过一个日历控件，能够对日期进行选择，在点击选择想要查询日期时，软件会到数据库中查询，并找到对应月份名称表，再从表中选择中对应日期。这时查询，就有2种情况，一个是选择了今天之前包含今天日期，这么不管该天是否有数据改变全部能够从数据库中得到正确反馈。相反，假如选了本月以后日期，更或是选择了本月以后月份，那么或直接输出提醒不能查询未来。这么能够经过一个判定，优化对于数据库操作。4）：生成报表：仍然是基于日历控件，选择了一个日期以后，我们会有这么以下三种情况：第一、选择了本日之前日期，第二、选择了本日日期，第三、选择了本日以后日期。面对第一个情况，我们会判定该日数据是否存在（假如没有开启设备检验，那么改日不会取得数据），若无则不许可生成该日报表。若数据存在，则会判定该报表是否已经被产生，理论上，我们不许可对于已经产生了报表进行再次生成，所以若存在则会给出已经存在提醒，相反若该日数据存在且文件不存在，会生成一个该日报表。面对第二种情况，若是本日数据存在，不过因为某种情况进行了2次检验出现了不一样，我们则是许可对于本日报表进行数次生成操作，所以每次生成本日报表，我们就会删除已经存在本日报表，产生新。对于未来日期，我们则是不许可生成日报表。对于月报表，会出现同日报表相同情况，所以对于时间判别相同，不加赘述。总得说来我们对于报表生成标准是：生成存在数据，不改变既定事实，目前能够数次修改，未来视为不存在。5）：串口通讯：对于上位机发送或接收信息这一模块，较之于初始想法没有太大改变。采取C#提供serpial控件，进行串口通讯。开启设备方法是在打开串口设施正确波特率后，向下位机发送一个表示开始值。接收方法就是使用DATARECEIVED事件，此处因为包含到跨线程使用控件，所以需要注意到要添加一个委托，加强程序安全性。6）：绘制统计图：我们加入了一个绘制统计图模块，为就是能够对于数据机械进行一个小分析。首先经过选择月份来判定是否存在该月份表，然后系统会选择出该月份数据库中存在信息名称，供用户选择，在用户选择完2个信息以后，我们会读出在某月份中某物品时间（X轴），数目（Y轴）建立一个直角坐标系，经过PICTUREBOX绘图功效，绘制一张折线统计图。7）：其它：经过系统取得目前日期月份和日期全部有其自己格式，和数据适用格式略有不兼容，需要注意进行转化。该系统建立数据库为了正确适用以月份为参考，会在新十二个月时出现问题，全部在12月份最终我们会在主界面上出现一个提醒，而且提供一个功效清空数据库中数据，不过需要慎重使用该功效，确保其是在每十二个月12月最终一次使用后，点击按钮。第九章 特色和创新点本系统在追求关键目标“可靠和稳定”前提下，在设计中，表现出了以下特色：9.1 蓝牙通讯针对本设计所面向中小型仓库管理，我们最终决定使用蓝牙技术来替换传统数据线实现上位机和下位机间通讯。蓝牙是一个低成本大容量短距离无线通信规范，操作较为简单，成本相对相低。本设计中所使用蓝牙模块通信距离等级为100m左右，完全适用系统性能要求。9.2 车载非接触式无线射频识别ICRFID是一个非接触式自动识别技术,它经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关键创新应用，无须人为干预车辆可完成对货物遍历和信息采集，完全是设备自己动作，在实际应用中能够大量节省人力，提升工作效率。结 论这次比赛中，我们组四名组员抱着学习心态去完成这项设计，在制作调试中全部付出了智慧和汗水，我们一样收获了很多宝贵知识和经验。作为低年级学生参与比赛我们没有对结果和奖项有太多期望，想只是尽自己所能把东西做完整做愈加好。即使因为准备时间紧迫，最终没有能够完成全部预想功效，不过我们会在以后生活中继续努力提升自己能力，争取把这一设计项目完善成功效全方面、符合实际有实际用处项目。在比赛准备中，我们意识到了自己身上很多不足。四个人做项目，是一个团体工作，团体中组员能力有高有低，每个人有每个人性格特点，不应该完全依据自己想法去给每个人安排任务。一个项目标成败和一个团体能否做好协调工作有着直接关系，很幸运我能在这次比赛中初步意识到这一点，我也会在以后科技实践和创新中继续提升对团体协作了解增加能力。我们团体在组建开始就目标统一、团结协作、分工明确。完成比胜过程，不仅是我们克服难题、挑战自我过程，更是我们促进团体友谊、获取合作乐趣过程。即使在探索技术过程中困难重重，不过因为有了团体，我们做到了真正享受此次过程。感谢老师能够率领我们参与这次比赛，感谢学校和主办方给了这次机会。参考文件1 机械工业出版社 物联网技术概论2 广州周立功单片机发展设计MFRC500匹配天路和应用指南3 徐丽华射频识别卡读写模块设计和应用附录：各模块硬件电路原理图红外壁障模块电源模块Mfrc522无线射频识别模块单片机最小系统“赛佰特杯”第三届全国大学生物联网创新设计应用大赛参赛申明队伍编号：CYB-JS-083作品名称：参赛队员：谢昱勃 朱前明 赵沛然 胡晓飞作为“赛佰特杯”第三届全国大学生物联网创新设计应用大赛参赛队伍责任人，依据大赛公平、公开、共享精神，我代表参赛队伍作出以下申明：1、我们了解大赛相关条款并遵守比赛规则。2、我们参赛作品没有违反相关法律、法规和社会道德规范。3、我们参赛作品是原创作品，未曾授权给其它任何机构。4、我们参赛作品不存在法律纠纷，包含但不限于肖像权、声誉权、隐私权、著作权、商标权等纠纷，不然，我们自愿负担由此而产生全部法律责任。5、我们将如实提交参赛作品中包含全部源码及资料，并授权北京赛佰特科技拥有使用权。在取得全部些人同意后有权将参赛作品及相关资料用于宣传品、相关出版物、指定及授权媒体公布、官方网站浏览及下载、颁奖晚会、展览（含巡展）等活动项目。 6、我们认真遵守此申明内容中全部内容，如有违反，将自动放弃大赛评奖资格。参赛高校（盖章）指导老师（签字）日期