摘要：调研了国内外关于物联网和智能化仓库发展及研究现状，并以某电网公司仓库改造项目为基础，根据其各项需求，设计了一套智能仓库管理系统。系统采用RFID技术、远程控制技术和人员、物资信息自动识别及采集，用32单片机搭载摄像头对人进行拍照，并由其后台各子功能模块负责业务数据和逻辑处理。其操作界面为管理人员提供查询物资出入库和照片信息，从而提升了仓库管理能力。
关键词 : RFID; 32单片机;物联网;视频监控;
Abstract： This paper investigates the development and research status of the Internet of Things and intelligent warehouses at home and abroad,and designs a set of intelligent warehouse management system based on the warehouse transformation project of a power grid company according to its various needs.The system uses RFID technology,remote control technology and automatic identification and collection of personnel and material information.It uses a 32 single-chip microcomputer to take pictures of people with a camera,and its back-end sub-function modules are responsible for business data and logic processing.The operation interface is for management personnel,providing information on the inquiries about the in/out of materials and photos,thereby greatly improving the warehouse management capabilities.
Keyword： RFID; 32 single chip microcomputer; internet of things; video surveillance;
随着科技的迅速发展，现代物流对物资的存储、保管和运输要求越发严格，公司对仓储管理越发重视。当企业在提高生产效率，不断扩大生产规模的同时，大量物资存放也将成为其避免不了的问题。对于物资存放问题较早的处理方法是通过纸质文件手写记录，效率十分低下[1,2,3]。而如今在物联网时代，更加注重智能化，不仅仅是计算机代替人工操作，而是利用RFID射频识别技术，在物资自动识别出入库时更加便捷[4,5]。当系统运行时有物资出入库，32单片机上的读写器接收信号通过Wi-Fi将数据传入到云端，在电脑或手机端登录Web，进入用Java编写的界面，可以看出物资在什么时间被什么人取走或者归还，同时数据库Navicat for My SQL，可以实时提供查看物资的出入库信息[4,5]。
1 、系统需求分析
利用RFID技术对某电网公司仓库改造，通过物联网+互联网技术建立智能化、无人化、数字化的电力仓库信息系统[6,7]。对物品进出仓库自动识别，和用32单片机搭载摄像头对仓库环境实时监控。系统软件为操作管理人员提供查询物资出入库和照片信息，还可以远程操控仓库中的设备。当仓库遇到一些突发情况，如仓库中发生火灾，通过烟雾传感器感知到烟雾浓度提高到临界水平，将会使用到GPRS的短信收发功能，提前设置好的手机号上面将会收到短信报警，同时蜂鸣器也会响。当遇到盗窃也可远程控制蜂鸣器响，以起到警示作用，还可以远程控制灯光的熄灭，达到节能作用。
RFID有自己特有的编码体系，不同于早期条形编码只是简单地对商品、货物进行分类即可。对于电力设备而言种类多种多样，如变压器有规格型号和容量规格，对于这些电力设备，单单用条形码不能准确描述出设备的信息。而需要利用最新一代电子编码体系EPC，它是一个拥有高达96位二进制的编码体系，如01代表高压器、02代表电容器，0001代表50k VA额定容量，0002代表干式变压器[8]。
在控制界面处，将设备信息设成编码存入电子标签当中，贴在电力设备外面，可以重复使用。可在界面处生成分析报表，了解出工人何时在仓库中借还电力设备情况。在很大程度上提高了电网公司的精细化管理，得到直观的数据分析支持，避免了公司物资丢失，改善了各个部门的仓库信息过于分散的情况。因为同级部门横向交流信息少，设备的信息不能做到统一管理，从而带来运营成本高，所以需要建立完善良好的用户权限的管理系统[9]。为了避免越级获取信息，造成信息的泄露，界面登录需要账号密码，保证工作人员接触到的数据都是在自己的权限范围之内。
2 、系统设计及功能
2.1 、硬件设计及布置
本系统的硬件主要是：32单片机、RC522射频识别读写器、RFID天线、若干电子标签、OV7725摄像头、PC。系统通过搭载RFID读写器和摄像头，利用Wi-Fi模块完成物资和人员信息自动采集及传输到界面，为后台程序各功能模块实现自动识别物资属性信息、准确记录物资出入库、输出实时报表等智能管理功能提供硬件基础和数据来源。
MF RC 522是高度集成的非接触式读写卡芯片，读写器支持ISO 14443A协议，它无需建立识别系统和特定目标之间的机械或光学机制即可识别特定目标，并通过无线电传输相关数据信息。其特性有：
1）高度继承的模拟电路，解调和编译响应；
2）支持ISO 14443A/MIFARE协议；
3）支持ISO 14443 212kbit/s和424kbit/s的更高传输速率的通信；
4）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;
5)64字节的发送和接收FIFO缓冲区。
如图1可知RFID模块和32单片机采用的是SPI连接方式，所有的从机设备都是公用SCK、MOSI、MISO并联到MCU上。每个从机都有自己的NSS连接到主机的引脚上，当SCK的每个时钟和NSS保持低电平时，从机和主机进行通信，不同于IIC协议通过设备的地址来通信，SPI协议只需要确定从机的NSS为低电平。SPI协议中输入输出引脚都是通过移位寄存器DR，当RC522发送数据时通过DR将数据放入缓冲区中。其有两种规定MSB先行和LSB先行，如果使用MSB先行为1则从读写器当中读写数据，为0写入数据，位0设置为0，位6～1为地址。
图1 SPI时序图
当我们编写设备驱动的时候，确定好使用的通讯协议如SPI协议，每个设备都有自己对应的指令，通过接收各种指令就可以达到控制设备的作用。如表1所示，0x52是读写器唤醒所有卡的指令，因为是读写器向外面释放射频的信号，电子标签受到电磁作用，会产生电流将卡片中的信息传输到读写器上。可能会同时有多张电子标签收到电磁信号，这时就要用到0x93防冲突命令。防冲突机制中，当多张ID卡收到信号，读写器就会让卡片拥有自己的临时号码，然后再从1号开始呼叫命令，相同临时号码就可以将自己的编码信息发送出去。
表1 RFID命令集
根据图2所示，通过寻卡函数Pcd Requst()找到区域范围类的电子标签，防冲突后将获取到的信息存入缓冲区中。S50卡具有保密性，需要三轮确认才可以进行通讯，首先要确定访问哪个扇区，对其密码进行验证。0x60验证A的密钥、0x61为B的密钥。控制界面有绑卡/查询模式、资产入库模式、资产出库模式，当点击绑卡时，电力设备上面的S50卡在读写器射频范围内时，点击资产查询，填写上设备名称、数量、编号、类别，最下面一栏会自动出现S50卡的编号。点击确认后就设置了卡的信息，当设备入库出库时就可以知道是什么电力设备。
图2 RFID流程图
32单片机上搭载的是0V7725摄像头，镜头是凸透镜可旋转改变焦距，因为STM32F1其具有经济性没有自带外部的SRAM，需要额外搭配一个缓冲区FIFO储存摄像头拍下的数据。
CPU通过SCCB总线配置OV7725摄像头的参数，SCCB总线与IIC类似。从图3可以看出来SIO＿D的数据被采集只能发生在SIO＿C低电平时。SCCB协议有向从机写入数据的三步写操作，1～7位写入从机地址+W，然后写入寄存器的8位地址。第三步写入寄存器的8位数据。摄像头会根据VGA时序输出图像数据，并且没有SRAM需要FIFO缓冲区。WEN和HREF寄存器同时为高电位，使得WE寄存器的引脚为低电位，2个时钟加上8位数据就可以发送一个像素点，一般分辨率为480*640个字节。
图3 时序图
视频监控是仓储管理的重要组成部分，工作人员从仓库中取或还物资时都会拍照，当物资出现丢失、损坏时，可以调取SD卡中保留的照片，查看是某人何时取还什么物资，进行调查管理。摄像头也可以是内部工作人员实时监控仓库环境，如若发生火灾、偷窃等等远程打开蜂鸣器进行警示。
2.2 系统软件功能设计
由32单片机上电后首先对系统定时器，通用输入输出引脚，异步收发传感器，集成电路总线等硬件设备完成初始化操作。如图4所示，完成硬件相关的初始化之后，主程序开始循环是否有中断产生查看仓储环境信息。通过温湿度传感器DHT11可以测量出仓储环境中的温度和湿度，在界面的空气温度监控和空气湿度监控中看到实时变化折线图，以防当仓储设备遇到极寒或炎热的天气，对有些设备造成损害。当仓库发生火灾烟雾传感器MQ-2会实时检测到数据，当超过设定的数值时，仓储中的蜂鸣器会自动响起起到警示作用，手机会收到报警信息。
图4 数据流程图
读写器在一定区域里发送电磁波，当物资上的电子标签进行刷卡时，会执行中断处理函数，对信息进行解码在CPU完成信息处理。当数据有效，则会通过无线传输模块ESP8266将数据上传至界面，如果无效则继续轮询刷卡。Wi-Fi接收函数收到界面发来的数据会产生中断，判断是否为指令。如果不是指令则单片机会根据收集的数据自动控制，若为指令操作，则会进入界面控制单片机关闭自动控制。当超过半分钟时间服务器Tomcat给单片机的指令不能到达时，就判断其行为异常重新设为单片机自动控制。
3 系统特点及应用情况
如图5，是在Eclipse上用Java编写的界面，将物资信息通过读写器输入进电子标签中，当物资进出库时可以自动识别。通过Wi-Fi将数据上传到云端显示，电脑和手机可以打开云端进行查看，在资产分类上可以看出物资编号、名称、分类、规格、型号、当前库存和添加的时间。资产入库和资产出库可以看到资产名称、数量和出入库时间。在资产查询中通过刷卡可以得到卡的信息，可以大幅减少前期手工录入的工作时间。当物资出入库的时候，摄像头将会对人自动拍照，将照片上传到云端。当物资出现损坏或者丢失可以通过查看时间、照片，确认是电网公司的员工身份。在报警装置中可以设置仓库环境温湿度、烟雾的上限、下限和报警电话。
图5 控制界面
4 结束语
从实际应用效果来看，通过应用物联网、摄像头等技术，可实现对电厂物资进入库、监控的智能化管理，形成整个智能仓储统一、协调的运作。经实验运行结果表明，该系统可以有效减少仓储环节的人工工作量，切实提高电网仓库的管理信息化和智能化程度，符合仓储管理要求。
参考文献
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