倉儲電子標簽輔助揀貨系統(tǒng)的研究與設計

段春輝，趙景波，李夢婷

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266033)

隨著大型綜合公司自身倉儲的發(fā)展和現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對工作效率的要求越來越高。倉庫的配貨、物流產(chǎn)業(yè)的入庫與發(fā)貨都需要工作人員去貨架入貨或者揀貨。這就要求揀貨員對倉庫的每一樣貨物的位置都了解得非常清楚，但對于一個大型倉庫而言，這是非常困難的，而且揀貨速度與準確度都難以保證。

傳統(tǒng)的揀貨方式存在的問題有操作人員多、依賴熟練工、耗時長、差錯多、臨時工效率低、傳票使用多等等。為了解決這些問題，開發(fā)了電子標簽揀貨系統(tǒng)。

1 揀貨方式介紹

目前電子揀貨主要有兩種方式，其一是播種式系統(tǒng)，另一種是摘取式揀貨系統(tǒng)。

1.1 播種式

播種式系統(tǒng)是指每一個電子標簽代表一個客戶或是一個需要配送的對象，揀貨人員先將貨品的應配總數(shù)取出，并將貨品信息輸入，系統(tǒng)會將代表有訂購此項貨品的客戶的電子標簽點亮，配貨人員只要依電子標簽燈號與顯示數(shù)字將貨品配予客戶即可，這就是播種式揀貨系統(tǒng)。通常處理的對象固定、商品種類多或者是商品的相似性大，商品的儲位經(jīng)常移動的情況下比較適合使用播種式系統(tǒng)。

1.2 摘取式

摘取式系統(tǒng)是指將電子標簽安裝于每個貨架儲位上，一個電子標簽代表一種貨品，以一張揀貨訂單為一次處理的單位，系統(tǒng)會將揀貨定單中有揀貨貨品所代表的電子標簽點亮，揀貨人員依照燈號與顯示數(shù)字將貨品從貨架上取出放進揀貨箱內(nèi)，這就是摘取式揀貨系統(tǒng)。多應用于配送對象多但商品儲位固定不常移動的情形。

本文以摘取式揀貨方式為基礎，設計了一種電子標簽輔助揀貨系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)采用分層分級設計思想，分為中央層、控制層及應用終端三層(圖1)。中央層由 PC機構(gòu)成，控制層為以LPC21xx為核心的嵌入式控制器，應用終端為電子標簽。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主從分布式結(jié)構(gòu)，采用RS485通信方式，一臺主機與多臺控制器進行半雙工通信，各控制器之間無通信，控制器與應用終端之間亦采用RS485通信，主從分布式半雙工通信。采用RS485通信方式，信號穩(wěn)定，通信距離遠，能很好地擴展設備終端，理論最大值為256×256個，能滿足大型倉庫多貨品的要求。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

工作時，由PC機將訂單信息整合發(fā)送至控制器，控制器接收電腦傳來的命令和數(shù)據(jù)，選取其中電子標簽所代表的貨品，把數(shù)據(jù)發(fā)送至電子標簽，電子標簽顯示本貨品所需數(shù)量，指引揀貨員來揀取，完成揀貨后并按下確認鍵，將本貨品信息回饋PC機，當本次訂單貨品全部揀取后，信息回饋生成報表。當缺貨時，可以按功能鍵選擇將缺貨信息傳回控制器送至中央層，通知操作員此貨品缺貨。

3 硬件部分

3.1 通信轉(zhuǎn)換電路

PC機的串口是RS232信號，系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換為通信總線RS485信號，轉(zhuǎn)換芯片采用SP232E高性能TTL/CMOS收發(fā)器，其完全滿足RS-232和V.28串行協(xié)議，具有增強型ESD性能。ESD增強性能使得器件可以承受±15 kV的人體放電模式 (Human BodyModel)和IEC1000-4-2氣隙放電模式。120 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率(帶負載)、0.1 μF的電荷泵電容和整體耐用的結(jié)構(gòu)等特性使得SP232E適用于商業(yè)領域。圖2為RS232信號轉(zhuǎn)換電路。

圖2 RS232信號轉(zhuǎn)換電路

3.2 控制器LPC21xx

控制層以ARM7-LPC21xx為控制核心，接受中央層PC傳來的命令，上傳終端設備的數(shù)據(jù)信息，與電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)各個標簽的地址分配，傳達訂單信息，從而控制下面的電子標簽，同時可以檢驗系統(tǒng)是否正確運行以及控制總線的數(shù)據(jù)傳遞。

LPC21xx是一個基于支持實時仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32 KB的嵌入高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口 (2個 UART、SPI、SSP和2個I2C)和8 KB的片內(nèi)SRAM，適合用在通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器中。

LPC21xx使用一個串行UART0接口連接到RS485通信總線，與中央層PC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和傳輸，當控制器接收到PC傳下的訂單信息時，經(jīng)處理后再使用另一個串行通信接口UART1將命令數(shù)據(jù)下傳至終端設備電子標簽，點亮所需貨品對應的電子標簽，指引揀貨員揀取。當一種貨品揀取完畢確認后，控制器接收電子標簽上傳的確認信息，統(tǒng)計本批次揀取情況匯總，送至中央層PC，完成數(shù)據(jù)上傳。

3.3 終端設備電子標簽

電子標簽終端作為與揀貨員的接口，采用STC89C52單片機為控制核心，配置高亮度LED數(shù)據(jù)顯示，通過接收模塊MAX485接收控制層傳輸下來的命令數(shù)據(jù)等，經(jīng)過判斷處理后，點亮指示燈，顯示所需貨品數(shù)量。同時還配有四個按鍵，分別為功能鍵、確認鍵、加鍵、減鍵，揀取完成后按下確認鍵將本貨品完成信息回饋至控制器，圖3為電子標簽電路框圖。如果出現(xiàn)缺貨情況，可以通過功能鍵和加、減鍵將缺貨信息、缺貨數(shù)量等回傳中央層，通知操作員本貨品缺貨，同時點亮缺貨指示燈。每個電子標簽最多可存儲10條本貨柜訂單信息，根據(jù)時間先后信息逐條顯示。

圖3 電子標簽單元

4 軟件部分

4.1 通信協(xié)議

協(xié)議是數(shù)據(jù)通信的基礎，本系統(tǒng)采用自定義串行通信協(xié)議，半雙工通信方式，同一時刻只允許一臺設備發(fā)送數(shù)據(jù)，對主機和從機的發(fā)送和接收時序有嚴格的要求，如果在時序上配合不好，就會發(fā)生總線沖突，使整個系統(tǒng)的通信癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設備在時序上的嚴格配合，必須要遵從以下幾項原則：

(1)復位時，從機都應該處于接收狀態(tài)。

(2)在主從機軟件上應附加若干處理措施，如：上電時或正式通信之前，對串行口做幾次空操作，清除端口的非法數(shù)據(jù)和命令。

(3)總線上所連接的各從機的發(fā)送控制信號在時序上完全隔開。自定義協(xié)議格式：

起始符+命令字格式如下：

下傳：#+S：中央層PC向控制層LPC21xx傳送；

下傳：#+D：控制層LPC21xx向電子標簽傳送；

上傳：%+R：控制層 LPC21xx向 PC傳送；

上傳：%+T：電子標簽向控制層LPC21xx傳送。

校驗方式采用循環(huán)冗余校驗CRC16，它是一類重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強，在通信領域廣泛地用于實現(xiàn)差錯控制。

圖4 電子標簽程序流程圖

4.2 電子標簽程序設計

電子標簽程序主要完成數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、按鍵功能處理、聲光提示等功能。電子標簽程序流程圖如圖4。

由于單片機的通信速率由其波特率決定，因此在晶振和定時器設定波特率時，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性下，盡量考慮提高系統(tǒng)的傳送速度，其工作方式采用中斷工作方式。中斷接收程序流程圖如圖5所示。

應用電子標簽系統(tǒng)將傳統(tǒng)的揀貨方式簡化為看、揀、按三個單純的動作，使揀貨速度只是傳統(tǒng)揀貨時間的 1/3～1/2，操作人員只需一般操作人員的 1/3～1/2，實現(xiàn)了無紙化作業(yè)，任何人都可以馬上作業(yè)，很大地降低了揀貨錯誤率，提高了揀貨速度、效率及準確率。

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