智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng)介紹

　　智能儲物柜對中小戶型住宅而言，提高空間利用率是使其具有較高舒適性的關(guān)鍵。在家庭、超市和辦公室等場合，傳統(tǒng)的儲物方式多以利用地面附近空間、人工取放的方式進(jìn)行，高處空間利用率低下。在通過利用室內(nèi)高處空間、提高物品擺放密度等方法，提高物品的利用率的同時也會對整套儲物系統(tǒng)的易用性、自動化程度提出更高的要求。在物品管理方面，物品以往多通過人腦或者書面記錄的方法進(jìn)行記錄。在物品種類繁多或需要準(zhǔn)確管理的情況下，這種方式效率低下，可靠性較差，需要較多的人工成本。針對這些問題，利用智能家居和家具機(jī)電一體化的理念，采用機(jī)電一體化和自動倉庫相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)高處空間物品存放系統(tǒng)和物品管理系統(tǒng)。

　　1.智能儲物柜系統(tǒng)所依托的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動

　　智能儲物柜；物品存放柜和管理系統(tǒng)如圖1所示。物品管理系統(tǒng)可控制多組儲物系統(tǒng);室內(nèi)高處空間物品存放系統(tǒng)作為一組儲物系統(tǒng)接受控制。兩系統(tǒng)配合完成物品的自動存取和智能管理。

　　(圖1：智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng))

　　整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)分為兩層，上層即物品管理系統(tǒng)，下層是物品存放系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要組成如下：

　　A.固定在室內(nèi)高處的柜體，其內(nèi)部設(shè)有多個用來存放物品的模塊化單元(下簡稱儲物箱)。

　　B.柜體正面安裝有可以橫向移動的運(yùn)輸單元，運(yùn)輸單元由鋼絲繩牽引進(jìn)行移動。

　　C.運(yùn)輸單元上裝有貨叉機(jī)構(gòu)，完成儲物單元的選擇及取放動作。

　　D.柜體一端安裝有用來使儲物單元上下運(yùn)動的升降平臺，通過卷揚(yáng)機(jī)帶動。

　　2.控制系統(tǒng)功能要求

　　控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：

　　A.控制多臺電機(jī)的運(yùn)動，協(xié)調(diào)完成物品取放的功能。

　　B.使用人員通過觸摸屏點(diǎn)選需要的物品后，控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，自動完成物品位置的判斷和機(jī)械的控制。

　　C.通過條形碼或二維碼識別物品，聯(lián)網(wǎng)獲取物品信息。

　　D.能通過手機(jī)以無線的方式對系統(tǒng)進(jìn)行物品查找、登記、取出和獲取信息等功能。

　　3.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　(圖2：智能儲物柜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu))

　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。操作者可通過安卓平臺或者手機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，安卓平臺作為上位機(jī)完成人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制、篩選策略、物品識別和信息下載等功能，當(dāng)上位機(jī)完成物品的篩選和定位后，將位置編號指令通過串口發(fā)送給下位機(jī);下位機(jī)接收后，據(jù)此查詢內(nèi)部數(shù)據(jù)，獲得目標(biāo)位置，進(jìn)行運(yùn)動的規(guī)劃，再將運(yùn)動的規(guī)劃轉(zhuǎn)化成電機(jī)驅(qū)動控制信號，控制機(jī)構(gòu)完成物品的取放。當(dāng)使用手機(jī)進(jìn)行操作時，手機(jī)通過藍(lán)牙與安卓平臺進(jìn)行通訊，同步信息，在提供便捷性的同時可完成與安卓平臺相同的操作。控制過程中的信息流如圖3所示。

　　(圖3：智能儲物柜控制過程中的信息流)

　　3.1通訊協(xié)議

　　設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的一致性和程序流程簡潔，避免不必要的轉(zhuǎn)換，設(shè)定了統(tǒng)一的應(yīng)用層通訊協(xié)議。

　　3.2上層控制平臺的實(shí)現(xiàn)

　　3.2.1平臺功能

　　A.物品信息掃描錄入。用戶在使用本系統(tǒng)存儲物品時，可通過掃描二維碼，快速錄入物品的信息，如物品的名稱、照片、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期和物品分類等，平臺功能可節(jié)省用戶手動輸入物品信息的時間。平臺功能的操作流程是：在初次進(jìn)行某件物品存儲時，用戶需要手動輸入物品信息，系統(tǒng)會幫用戶生成并打印出二維碼標(biāo)簽，用戶將二維碼標(biāo)簽粘貼于物品上;之后進(jìn)行物品信息存儲時，用戶只需通過手機(jī)或平板電腦的攝像頭掃描此二維碼標(biāo)簽，系統(tǒng)將快速從中讀取包括物品照片、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、物品分類和物品名稱等信息。當(dāng)用戶完成錄入后，系統(tǒng)會根據(jù)物品信息自動分類，并顯示相關(guān)信息。系統(tǒng)還提供了用戶管理、物品查找和物品搜索等功能。為便于用戶使用安卓系統(tǒng)與移動終端使用相同的界面。

　　B.無線控制。用戶可以手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備端，無線近程控制機(jī)械與動力裝置完成物品的存取。此功能可使用戶在家里的大部分地方都能無線控制此儲物系統(tǒng)。

　　3.2.2實(shí)現(xiàn)方式

　　A.物品信息掃描錄入。①條形碼和二維碼，綜合考慮成本、實(shí)用性、技術(shù)成熟成熟程度，選用條形碼和二維碼作為物品識別的媒介。當(dāng)物品上具有條形碼時，通過掃描條形碼，聯(lián)網(wǎng)搜索獲得物品信息，自動填入，由用戶補(bǔ)充。當(dāng)物品上沒有條形碼時，由用戶錄入信息，并打印二維碼，粘貼到物品上。由于二維碼包含的信息量大，用戶錄入的信息可以部分存入，便于在多個系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移，避免重復(fù)輸入。②二維碼圖片的生成，系統(tǒng)支持QRcode、PDF417兩種二維碼編碼方式，利用安卓平臺提供的圖片處理接口Bitmap，將物品的各類信息以Json(javascriptobjectnotation)的格式編碼成一個字符串，然后將字符串轉(zhuǎn)換成黑白點(diǎn)陣，最后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二維碼圖片。③二維碼的識別，系統(tǒng)利用手機(jī)或平板電腦自帶的攝像頭，拍攝物體上的二維碼標(biāo)簽，對其多幀圖片，分析其中的黑白點(diǎn)陣排列，判定其編碼格式(QRcode或PDF417)，然后利用此編碼格式的編碼規(guī)則，對其進(jìn)行解碼，得到字符串，然后利用java語言提供的JSON格式串處理接口JSONObject與JSONParser，從中提取物品的各類信息。圖4為二維碼識別的流程。

　　(圖4：智能儲物柜識別二維碼的流程)

　　B. 無線控制。移動客戶端與安卓固定平臺之間的無線通信—藍(lán)牙通信，系統(tǒng)利用設(shè)計(jì)好的通信協(xié)議，使用安卓平臺提供的藍(lán)牙通信接口Blue-toothAdapter、BluetoothDevice，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的開啟關(guān)閉、藍(lán)牙設(shè)備的掃描和藍(lán)牙設(shè)備的配對;利用BluetoothServerSocket與BluetoothSocket接口，實(shí)現(xiàn)全雙工的藍(lán)牙通信。對于安卓系統(tǒng)，藍(lán)牙通信無需了解具體協(xié)議，通訊的建立只需通過調(diào)用接口，完成啟動流程。安卓固定平臺與單片機(jī)之間的串口通信，安卓操作系統(tǒng)本身并不提供串口通信功能，系統(tǒng)通過編寫安卓串口驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)安卓的串口通信功能，利用驅(qū)動中提供的串口通信接口HardwareController，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的串口通信。

　　3.3下層控制的實(shí)現(xiàn)

　　3.3.1功能

　　通過主控芯片與上層控制平臺之間的協(xié)調(diào)通訊，控制機(jī)械系統(tǒng)完成規(guī)定動作流程，實(shí)現(xiàn)對物品數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與實(shí)際物品所在空間位置的同步。涉及到如下部分功能模塊：上位機(jī)通訊模塊、頻率可調(diào)步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的生成模塊、位置檢測模塊、多步進(jìn)電機(jī)控制順序的組織與協(xié)調(diào)以及運(yùn)行狀態(tài)指示模塊。

　　3.3.2實(shí)現(xiàn)方式

　　A. 電路結(jié)構(gòu)。下層控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，下層主控制器芯片AT89S52單片機(jī)，它具有8K字節(jié)程序存儲空間，256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，沒有內(nèi)帶EEPROM存儲空間，而STC89C52RC單片機(jī)具有8K字節(jié)程序存儲空間，512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間，可直接使用串口下載。通訊模塊采用MAX232芯片。單片機(jī)及外圍芯片供電使用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。

　　(圖5：智能儲物柜下層控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu))

　　B. 主要程序流程。下層控制系統(tǒng)程序流程如圖6所示。整個結(jié)構(gòu)為自然順序的循環(huán)，完成上位機(jī)的一個存或者取的任務(wù)。上位機(jī)先取出所需用來存放的儲物盒，然后用戶將所要存放東西放入取來的儲物盒之中。之后向單片機(jī)發(fā)出信號，單片機(jī)控制儲物盒上升到儲物柜之中，然后將裝有所存放東西的儲物盒返回之前的位置之中，完成存放。而取的過程同樣按照存放任務(wù)的循環(huán)，將所需的儲物盒取出，然后再放回的順序，完成取出物品的循環(huán)。

　　(圖6：智能儲物柜下層控制系統(tǒng)程序流程)

　　C. 串口通訊協(xié)議。整個運(yùn)動過程中與上位機(jī)的通訊并不頻繁，通訊僅在進(jìn)行任務(wù)分配時進(jìn)行，也即是在每次動作循環(huán)前后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與確認(rèn)。電路采用12MHZ晶體振蕩器，為保證通訊之間的精度，減少誤碼的發(fā)生，所以采用更高2400波特率，保證與上位機(jī)之間通訊不會出現(xiàn)信號丟失現(xiàn)象，并且在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行通訊校驗(yàn)的步驟，如CRC32即循環(huán)冗余校驗(yàn)檢測。

　　D. 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器時，步進(jìn)電機(jī)的基本控制方法為產(chǎn)生一個脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)向規(guī)定方向產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)角θ，當(dāng)送入一系列脈寬可調(diào)的連續(xù)脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分次數(shù)將通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器來調(diào)節(jié)，需要通過分別對每個步進(jìn)電機(jī)工作速度與效率進(jìn)行評估后進(jìn)行選擇。脈沖產(chǎn)生方法分為兩種，一種是通過延時函數(shù)來產(chǎn)生，但這種方法的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的脈沖不，并且浪費(fèi)了大量的控制器計(jì)算時間;另二種是通過定時器中斷來產(chǎn)生脈沖，這樣的方法產(chǎn)生的脈沖較準(zhǔn)確，但需要利用一個定時器來控制，設(shè)計(jì)采用這種方案。但這樣就有一個問題，主控制芯片的定時器資源比較緊張，串口通信需要占用3個定時器的其中之一，因此，步進(jìn)電機(jī)控制需要充分利用STC89C52RC剩余的2個定時器中斷，需要避開同時對多個步進(jìn)電機(jī)的同時操作，分別在不同時段對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行操作，克服主控制器定時器的缺乏。

　　通過速度參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)定時器初值，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)參數(shù)到達(dá)指定次數(shù)時進(jìn)行定時器處置的重裝。加速運(yùn)動時，重裝脈沖計(jì)數(shù)間隔逐漸增加，因此，使速度產(chǎn)生間隔變化。減速過程與加速過程相反，重裝間隔脈沖逐漸減少，產(chǎn)生相應(yīng)的減速運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)可采用開環(huán)控制，但由于繩傳動時會產(chǎn)生微小誤差，因此，需要進(jìn)行位置矯正。具體方法：通過為每個電機(jī)位置相應(yīng)的全局變量進(jìn)行記錄，每次電機(jī)運(yùn)行達(dá)到規(guī)定次數(shù)時，進(jìn)行減速及停止的操作。當(dāng)進(jìn)行完一個存取的工作循環(huán)時，每個存取箱進(jìn)行歸位。歸位時檢測相應(yīng)位置行程開關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)初始狀態(tài)時，進(jìn)行相應(yīng)變量的重置。最終通過各相關(guān)動作產(chǎn)生所需的存放及取用動作。

　　4.結(jié)束語

　　智能柜生產(chǎn)廠家將智能家居的理念與自動化倉庫的理念相結(jié)合，討論了基于安卓平臺的智能儲物柜控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和通訊協(xié)議。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，界面友好，達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)使得自動儲物柜更加人性化，易于操作。物品管理的功能有助于對物品進(jìn)行查找、分類、管理和統(tǒng)計(jì)。