基于指紋識別的智能貨架系統設計

龍炬泉

（深圳先隆電子實業有限公司，廣東深圳，518055）

0 引言

我國政府正大力提倡發展工業4.0，優化產業結構和提升信息化水平。而我國大部分工廠的倉儲管理還是沿用傳統方式，信息化程度低，與發達國家相比還有很大差距。現代倉儲技術融合了電子技術、大數據、物聯網等多種科技手段，朝著低功耗、智能化、高效率方向不斷進步。智能貨架是現代倉儲技術的重要組成部分，它可以接入多種輸入輸出設備，例如稱重傳感器、攝像頭、掃描器等，這些設備賦予智能貨架多樣功能：自動上傳物料數據并在云服務器或者ERP系統存儲；能夠通過數據庫來對某一物料的存儲數量以及存儲位置進行查詢；對缺貨、積壓等一些特定狀態進行判斷和預警。智能貨架廣泛應用能夠協助庫管員快速完成出庫、入庫流程，減少工作量，工作效率得到大幅提升。

1 國內外研究狀況

根據原理劃分，目前國內外智能貨架的結構可以分成3種。第一種是基于RFID射頻識別技術的貨架，貨架上的每一件貨物都會貼有RFID標簽，標簽上包含貨物的生產日期、貨物存儲的位置等信息。倉管員可以利用射頻閱讀器和標簽進行非接觸式通信，監控貨物的數量和儲存期限。

第二種采用ESL（電子貨架標簽）技術的倉儲貨架，相比于RFID技術，省去RFID紙質標簽，減少更換標簽的工作量和紙張的使用量，節約環保。通過虛擬的標簽和貨架之間進行綁定，在更新數據庫數據時，直接通過貨架本身攜帶的電子標簽和管理系統進行數據交互，實現了貨架與管理系統的實時通信。

第三種智能貨架應用傳感器檢測技術，其實現功能由使用的傳感器類型所決定，常用于實現計件管理和產品質量檢測等功能。以配置了稱重傳感器的智能貨架為例，它能夠實時檢測貨架上貨物總重量，根據單件貨物的重量，自動統計數量，加快物料盤點效率。

本研究分析了現時基于傳感器檢測技術方案的一些亟待解決的問題，根據客戶倉儲管理需求定制，確立了重量稱量技術結合指紋識別技術的貨架稱重系統總體設計方案，數據通過網絡進行的匯總和傳遞，實現物料信息的自動統計，有效防止計件差錯，節省人工，提高工作效率和員工的滿意度，使整個流程實現自動化，數字化。幫助企業提升生產管理水平，形成完整的管理體系。

2 智能貨架系統設計

由于本研究的貨架稱重系統應用于倉儲產品信息統計，特別是需要對體積小且使用頻繁的零部件進行數量統計，RFID 技術和 ESL技術難以適用這種場合，最終選用傳感器稱重的方案來對放置在貨架上物品計算數量。另外區別于傳統手工記賬的入庫出庫方式，本方案采用指紋識別的方法來記錄操作人員工號和時間日期，提升工作效率的同時，減少紙張使用。為了適用不同的應用場合，本文的貨架系統采用模塊式的設計，主要的控制電路、通信電路、主控芯片集成在一塊小板上，其他周邊模塊如指紋識別、稱重傳感器、顯示觸摸模塊可以根據貨架結構擴展接入，因此具有體積小、系統接入簡單、使用方便等優點。

圖1 貨架系統架構

2.1 稱重模塊

圖2 稱重模塊電路設計

稱重模塊和主控單元采用SPI(Serial Peripheral Interface)通信，SDO為數據輸出引腳；SDI為數據輸入引腳，SCLK為時鐘信號。SPI通信方式具有高速、同步、全雙工等優點。

由于稱重傳感器本身具有非線性特性，以及受溫度、濕度等環境因素的影響，使得稱重系統的輸入和實際重量存在較大的誤差，從而影響稱重系統的準確度，所以必須進行誤差補償【1】。本研究使用MATLAB軟件進行仿真，利用神經網絡的“萬能逼近特性”，以任意精度逼近誤差函數【2】，從而完成稱重傳感器蠕變誤差補償。由于本研究設計的稱重傳感器量程為50kg，C3級別，砝碼樣本選取1，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50kg；環境溫度選擇 0，5，10，25，30，35，40°C。確定輸入參數后，在高低溫試驗箱中，待溫度條件穩定后，分別加載不同的砝碼到貨架系統，采集其輸出重量信號。得到的數據分為測試樣本和訓練樣本，在MATLAB軟件上進行神經網絡訓練。經過對比發現，稱重模塊在經過誤差補償后，遠遠小于補償前的誤差，蠕變特性得到整體提升，滿足使用要求。

2.2 指紋識別模塊

本研究的指紋識別模塊采用了一款高性能的光學指紋識別模塊ATK-AS608，模塊內置 DSP 運算單元，集成了指紋識別算法，能高效快速采集圖像并識別指紋特征。指紋識別模塊通過串口與主控單元通信。指紋模塊內部設有圖像緩沖區ImageBuffer，用于存放從指紋傳感器讀入的圖像，另外設有兩個特征文件緩沖區CharBuffer，用于存放普通特征文件和模板特征文件。指紋識別模塊工作可分為指紋錄入和指紋匹配兩種。

指紋錄入：對倉管員工指紋進行登記，每一指紋錄入2次，然后對指紋圖像提取特征，合成模板存儲到數據庫中。

指紋匹配：當倉管員工需要進行倉庫作業時，首先驗證指紋，確認員工身份。系統對輸入的指紋信息進行搜索匹配，返回員工姓名及工號。

2.3 觸摸顯示模塊

本研究的智能貨架系統配有4.3寸觸摸顯示屏，作為人機交換終端，它承擔著信息錄入、物料規格展示、倉管作業等多種功能。所有的日常入庫、出庫、盤點操作均可以在上面完成，倉管員可以便捷地了解物料變化數量，減少人為出錯幾率。為了節約功耗，顯示屏在空閑時間處于黑屏待機狀態，當系統檢測到手指按到指紋識別模塊時，自動發送WAK高電平信號到主控單元激活屏幕。當員工作業完成后，物料變化數量及時間信息即時傳輸到云端服務器，數據庫同步更新。

3 結語

本文通過對基于指紋識別的智能貨架系統研究，為現代倉儲管理提供新的解決方案。傳感器的誤差補償算法能夠確保細小物料數量計量準確，減少分發時出錯。而集成的指紋識別模塊可以簡化作業流程，提高工作效率，數據實時更新，提高企業生產的信息化程度。