基于ZigBee 技術的智能倉儲管理系統(tǒng)

劉佳寧，李冰林，劉偉強，謝小葉

（南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，南京 210037）

0 引言

在中國，物聯(lián)網發(fā)展快速，與此同時人們的收入水平也在顯著提高，因此網上購物在人們的生活中逐漸成為一種趨勢。倉儲作為物流的核心業(yè)務之一，其短板逐漸暴露，如數據采集效率不高、倉儲作業(yè)滯后現(xiàn)象嚴重、信息不流暢、信息化智能化程度低等。傳統(tǒng)的倉儲管理［1］在產品出入庫時，需要管理員拿著打印單去倉庫逐一在貨架上尋找對應的產品。在最后總核查時，管理員也只能通過記賬的方式進行產品數量的核對，這種方式使得大量的人力資源以及時間被耗費，無法解決現(xiàn)在的倉儲問題。而在庫存管理系統(tǒng)設計這一方面，文獻［2－3］采用軟件的B／S 設計模式，構建了3 層體系結構，實現(xiàn)對倉庫數據層的訪問，雖然該系統(tǒng)可以將數據及時反饋至用戶層，但B／S 結構在跨瀏覽器方面存在很大問題，同時企業(yè)需要花費大量成本在此結構的速度和安全性的設計上；文獻［4－5］采用C／S 結構進行庫存管理系統(tǒng)的設計，不僅減輕了服務器的壓力，而且減少了設計成本，但是C／S 結構適用面較窄，通常只適用于局域網。

針對上述問題，本文設計一種基于ZigBee 技術的智能倉儲管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)憑借ZigBee 技術，通過串口通信和無線通訊模塊，使管理系統(tǒng)與倉庫進行信息交互，便于貨品及時被定位；微控制器利用無線串口對倉庫進行傳送命令和實時監(jiān)控，同時將倉庫信息匯總反饋給用戶層；管理人員可以通過上位PC 機及時了解倉儲信息，提高工作效率。該系統(tǒng)具有成本低、傳輸速率快、數據采集精度高等優(yōu)點，能夠從根本上解決倉儲作業(yè)滯后、信息不流暢、數據采集效率低的問題。管控一體化的實現(xiàn)，可以減少人力資源的利用，從而推進企業(yè)的發(fā)展。

1 系統(tǒng)設計

智能倉儲管理系統(tǒng)以上位PC 機進行信息收集、處理和傳遞為主，以下位微控制器和驅動輸出電路為輔的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)倉庫的監(jiān)控、貨品位置提示和管理。智能倉儲管理系統(tǒng)架構如圖1 所示，PC 機負責將產品的相關信息進行統(tǒng)一處理和存儲，并通過串口將位置和開門信息發(fā)送給1 號微控制器；1號微控制器對其相關信息進行解析，同時將命令通過ZigBee 無線網絡傳遞給倉庫中的2 號微控制器；2 號微控制器接受指令并控制驅動輸出電路，實現(xiàn)相應的貨架開門或者亮燈動作，并將完成情況和貨物的出庫、入庫與否通過無線網絡反饋給1 號微控制器，最終反饋給上位PC 機，上位PC 機完成出入庫管理更新。

圖1 智能倉儲管理系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent warehouse management system

2 硬件電路設計

基于ZigBee 技術的智能倉儲管理系統(tǒng)的硬件電路由串口模塊、供電模塊、微控制模塊、基于ZigBee 技術的無線通訊模塊、步進電機控制模塊等組成，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路組成框圖Fig.2 Block diagram of system hardware circuit composition

2.1 供電模塊

該系統(tǒng)中，供電模塊電源來源于市電，經變壓器降壓及整流濾波后獲得，再經過IC7805 芯片穩(wěn)壓到5 V。MCU 使用5 V 直流電壓，無線通訊模塊使用3.3～5.2 V 直流電壓。因為7805 的內部集成電路具有過流、過壓和過熱保護的功能，因此其具有十分穩(wěn)定的性能，具體電路如圖3 所示。

圖3 供電模塊電路圖Fig.3 Power supply module circuit diagram

2.2 串口通信模塊

串口通信電路實現(xiàn)PC 機與微控制器1 之間的通信。該電路將PC 機的命令向下傳輸到微控制器，實現(xiàn)對倉庫的控制，同時將貨物的入庫、出庫的相關信息上傳給PC 機。電路采用MAX232［6］芯片，如圖4 所示。

圖4 串口通信模塊Fig.4 Serial communication module

2.3 微控制器

系統(tǒng)選用具有高速、低功耗等特點STC12C5A60S2［7］處理器，工作頻率在0－35MHz 之間，處理器的指令代碼與8051 完全兼容，其速度比8051 快8－12 倍。片上集成的存儲器有EEPROM 和RAM，內部集有8路高速10 位轉換器，同時具有SPI 接口和雙串口，集成度較高；ISP 可在系統(tǒng)內編程。處理器是5 V單片機，接受的工作電壓為5.5－3.3 V，電路如圖5所示。

圖5 微控制器模塊Fig.5 Microcontroller module

2.4 ZigBee 無線通信模塊

本模塊采用CC2420 芯片［8－9］來實現(xiàn)MCU 與倉庫之間的數據和信號的傳遞。其內部集有VCO、PA、電源整流器等，其具有超低的電流消耗，較高的接受靈敏度和很強的抗鄰頻道干擾能力等優(yōu)點。該模塊的工作頻帶范圍為：2 400～2 483.5 MHz；其傳輸距離可達1 000 m，完全可滿足倉庫內的信息傳輸。QPSK為其調制方式，其工作電壓為2.1～3.6 V；CC2420 的數據速率可達250 kbps，電路如圖6 所示。其與主控單元MCU 通信的方式采用的是串口通信協(xié)議。

圖6 無線通信模塊Fig.6 Wireless communication module

2.5 步進電機控制模塊

系統(tǒng)通過步進電機的正轉與反轉以及簡單的機械裝置，來實現(xiàn)倉庫的門自動開關［10］。系統(tǒng)選用57BYG350BL－0601 步進電機，ULN2003 作為驅動芯片，放大輸出電流。由于選用的步進電機是三相混合式步進電機，只需用到驅動芯片的3 個輸入和輸出端口，具體電路連接如圖7 所示。

圖7 步進電機控制模塊電路Fig.7 Stepping motor control circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包含2 部分，一部分為下位微控制器軟件設計，其主要完成對系統(tǒng)信息的解析、傳遞和命令的實現(xiàn)；另一部分為上位機管理軟件的設計，主要實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制和監(jiān)測。

3.1 下位微控制器系統(tǒng)

系統(tǒng)初始化主要完成對各輸入輸出接口、定時器等的初始化操作，獲取PC 機信息，對其進行解析，檢驗信息是否正確。如正確，則通過ZigBee 技術向倉庫傳遞相關命令；否則繼續(xù)等待信息的完善。待2 號微控制器傳來驅動輸出完成的信息，并傳給PC 機，具體流程如圖8 所示。

圖8 微控制器系統(tǒng)流程Fig.8 Flow chart of microcontroller system

3.2 上位機軟件管理系統(tǒng)

如圖9 所示，軟件架構由入庫管理、庫存查詢、出庫管理、庫存調整等構成，分別實現(xiàn)產品出入庫信息的收集、管理、查詢和調整功能。

圖9 軟件結構Fig.9 Software structure diagram

軟件的核心在于電腦能夠正確的處理并儲存產品的相關信息，并通過ZigBee 技術和串口通信向下傳遞正確的命令，實現(xiàn)對貨物的調度。入庫管理功能需校對入庫貨物的信息完整度，并能實現(xiàn)對輸入的產品信息進行歸納倉庫、自動編號、儲存相關信息，同時具有打印電子標簽的功能。

為了實現(xiàn)對倉庫存貨信息進行查詢，設置了庫存查詢功能，如圖10 所示。系統(tǒng)根據管理員輸入的名稱查找編號，查詢該貨物是否有庫存，并將顯示其對應的物料信息。

圖10 庫存查詢界面Fig.10 Inventory query interface

軟件系統(tǒng)的貨物出庫管理界面如圖11 所示。系統(tǒng)可以對所出庫的貨物進行數量、型號、用途等信息內容進行登記，并將出庫記錄保存到系統(tǒng)中。一旦貨物的存放位置發(fā)生變更，該軟件平臺還可以實現(xiàn)對信息的更新，方便物料的管理。

圖11 出庫管理界面Fig.11 Interface of stock out management

4 結束語

本文利用ZigBee 技術設計了智能倉庫管理系統(tǒng)的硬件電路和軟件管理程序，通過微控制器完成信息的解析和傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)入庫、出庫等功能，解決了傳統(tǒng)方法速度慢、過程繁雜、作業(yè)滯后等弊端，提高了企業(yè)的運行效率。該設計方案簡單易操作、成本低，提高了數據的精確性，既能夠幫助管理人員盡快的掌握并實現(xiàn)貨物的具體情況，又能實現(xiàn)物品的精準定位和快速的入庫、出倉，提高企業(yè)的運營效率。