基于物聯網的倉儲安防與庫存管理系統的設計與實現

徐 聰，殷 超

（九江學院，江西 九江 332005）

0 引言

倉庫作為企業的物料、產品存放地對于大小企業的重要性都是不言而喻的。如何提高其安全系數與使用效率便成了重中之重。

傳統的安防措施主要以安保人員實時查看視頻監控、定時庫內巡察等手段達到安防目的，庫存管理則以人工錄入、登記為主。實時監控受限于人體機能，長時間觀看視頻畫面往往使得安保人員精神疲憊，監測效果不達預期，定時庫內檢查也將帶來監管風險，對于室內火災等突發情況人工查看往往為時已晚。人工錄入管理物品信息常因登記混亂造成財產損失，存儲空間也無法合理利用。

近年來，物聯網技術飛速發展，已經成為信息技術的重要組成部分之一，被廣泛運用于生產與管理，極大地提升了各個相關行業的生產、運營效率。基于物聯網的倉儲安防與庫存管理系統的設計研究意義便是將物聯網技術運用于倉儲安防與庫存管理，在倉庫內安放傳感裝置結合傳統的視頻監控，實現庫內空間的細致化管理，大大減少人工成本、減少安全隱患，通過物品出入庫自動化管理提高倉儲空間的使用效率。

1 系統硬件設計方案

1.1 系統整體硬件框架

本系統底層采用 STM32F103C8T6開發板和集成模塊進行數據采集，使用ATK-ESP8266模塊實現各個結點間的數據傳輸。ATK-ESP8266模塊接收到數據后再通過網絡將數據發送到Tomcat服務器，在手機端與PC端都可以對Tomcat后臺MySQL數據庫進行管理。系統硬件主要分為兩個功能實現，一個是以RFID、紅外感應、溫度感應為主的安防功能：RFID進行身份識別，在未識別身份的時間內紅外感應檢測到人員靠近時會觸發蜂鳴器警示安保人員查看異常情況，溫度傳感器用于防火監測，溫度高于閾值也將出發蜂鳴器報警；一個是以RFID與GM65結合的庫存管理功能：RFID提供人員信息，GM65提供物品信息，兩者結合將提供完備的產品出入庫信息。整體硬件框架如圖1所示。

圖1 整體硬件框架圖

1.2 傳感數據采集與模塊控制設計

本系統底層硬件由集成開發板與所需傳感器構成。主開發板搭載了STM32主控芯片，使用杜邦線與各傳感器相連接，實現各傳感器的數據采集與模塊控制。傳感器按功能需求集成在多塊不同的開發板上，實現安防功能的傳感器主要有溫度傳感器、紅外傳感器、蜂鳴器、Esp8266模塊，實現庫存管理功能則涉及RFID與掃碼模塊。

（1）STM32芯片作為核心對模塊上傳的信號進行反應、驅動模塊工作、控制信息上傳。本系統采用的STM32芯片為STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器、主頻72MHZ、程序存儲器容量是64KB、I/O口37個、定時器4個、串口3個、IIC接口2個、SPI接口1個、USB接口1個、供電電壓 2V～3.6V，工作溫度為-40°C～ 85°C。

（2）溫度傳感器作為環境溫度采集的主要模塊，實時監測環境溫度，溫度傳感器會實時傳輸監測值，報警閾值在主程序代碼中設置，由STM32主控芯片進行控制。當環境溫度超過設置的閾值時，觸發報警信號。本系統中的溫度傳感器采用的是DHT11溫濕度傳感器，DHT11數字溫濕度傳感器含有已校準數字信號輸出，應用了專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術。產品具有高可靠性與穩定性等特點。傳感器中包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并配套搭載了一個高性能8位單片機。在每個DHT11的 OTP內存中都存儲著在極為精確的實驗室中校準的標準系數，這些標準系數在傳感器進行數據采集的過程中用于數據校驗。溫度傳感器采用的單線制串行接口，也使系統集成變得更加的簡單快捷。在其他方面超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上等特點也使得DHT11廣泛運用于生活生產中的方方面面。

（3）紅外傳感器進行入侵監測，當監測區域中有人員活動時觸發異常信號，STM32主控芯片接收到異常信號后觸發蜂鳴器報警。紅外傳感器使用的是 HC-SR501人體紅外傳感器。HC-SR501是一款基于紅外線技術的自動控制紅外傳感模塊，采用LHI788探頭設計，擁有靈敏度高、可靠性強等產品特點。具有全自動感應、光敏控制、兩種觸發方式（不可重復/可重復）、感應輸出封鎖等功能。

（4）蜂鳴器為主要報警裝置，由STM32主控芯片進行控制。在傳感器監測到環境異常時會發送報警信號于主控芯片，主控芯片接收到報警信號便控制蜂鳴器報警，達到警示效果，提醒安保人員查看。蜂鳴器采用的是無源蜂鳴器。無源蜂鳴器的產品特點是內部不帶震蕩源，需要使用變頻方波來驅動、聲音頻率可控、低電平觸發。

（5）RFID模塊的主要功能是讀取IC卡的卡內信息，卡內信息由管理人員在員工注冊時進行寫入，進行身份識別時需員工將IC卡靠經RFID讀卡模塊進行身份識別，識別成功后，RFID將識別到的信息傳送至STM32主控芯片。主控芯片將傳送過來的信息與員工數據庫中的信息進行比照，若信息符合則進行后續功能、若不符則發送報警信號，控制蜂鳴器報警。RFID模塊采用的是MFRC-522射頻感應模塊。模塊廣泛應用于13.56MHz頻段的非接觸式通信、支持ISO14443A的多層應用、與主機間的通信使用的是連線較少的串行通信方式。

（6）掃碼模塊主要應用于貨物的出入庫操作。將每個貨物貼上特制的條形碼或二維碼，在貨物進行出入庫時僅需掃碼進行即可，無須手工錄入，提高貨物出入庫的便捷性、信息錄入的準確性。錄入的信息將通過ESP8266模塊直接上傳至 PC端后臺的數據庫。掃碼模塊使用的是MJ-2060模塊。MJ-2060模塊擁有500次/秒的條形碼掃描速率，處理為ARM Cortex 32位處理器。

（7）Esp8266用于數據交互，實現人員信息與貨物信息的傳輸。在安防功能的實現上在員工信息錄入時將讀取到的員工信息進行上傳，在系統啟動時通過Esp8266下載員工信息。庫存管理功能實現，出入庫功能時通過Esp8266進行數據上傳，貨物查詢時通過Esp8266進行數據下載。Esp8266是一款面向物聯網應用的高性價比、高集成度的Wi-Fi MCU。Esp8266使用的是正點原子的 ATKESP8266。ATK-ESP8266集成了32位 Tensilica處理器、低噪放大器、天線開關、標準數字外設接口、射頻balun、過濾器、功率放大器和電源管理模塊等豐富的硬件資源，占PCB空間低，內置超低功耗Tensilica L106 32位處理器，CPU時鐘速度高達160MHz，支持實時操作系統（RTOS）和Wi-Fi協議棧，80%的處理能力可用于應用編程和開發。性能穩定、高度集成、低功耗等特點使其廣泛應用于生活與生產中的移動設備、可穿戴電子設備和物聯網應用。

2 系統軟件設計方案

系統軟件設計主要包含各傳感器模塊軟件設計、服務器設計Android手機客戶端設計、Web端的后臺系統設計這四個部分組成。

2.1 各傳感器模塊的軟件設計

（1）STM32F103C8T6開發板軟件設計：采用uVision5軟件進行設計，使用庫函數進行開發，需安裝stm32F10x固件庫。

（2）溫度傳感器軟件設計：本系統所使用DHT11溫濕度傳感器擁有三個引腳，一個電源、一個接地、一個傳輸數據。傳輸數的為DATA引腳，用于微處理器與DHT11之間的通訊,采用單總線數據傳輸格式，一次通訊時間4ms左右,傳輸的數據分為小數部分和整數部分。數據格式為8bit濕度整數數據8bit濕度小數數據、8bit溫度整數數據、8bit溫度小數數據加上8bit校驗和，共40bit數據。傳輸數據的值是比特0還是比特1由DATA輸出高電平的時間進行判斷，50us低電平加26us-28us高電平輸出表示比特0，50us低電平加70us高電平輸出表示比特1。

（3）紅外傳感器軟件設計：HC-SR501模塊擁有三個引腳，一個電源、一個接地、一個傳輸數據。HC-SR501模塊的監測范圍大約為7米，在有人進入其感應范圍內時便會輸出高電平，對其軟件設計只需監測相應引腳的電平即可。

（4）蜂鳴器軟件設計：無源蜂鳴器模塊擁有三個引腳，一個電源、一個接地、一個傳輸控制信號。無源蜂鳴器本身不具備震蕩源，簡單使用直流信號是無法使其工作的，必須使用變頻的方波來驅動它。這里我們可以使用PWM（PulseWidthModulation），脈沖寬度調制技術來實現，并且可根據不同的警示事件設置不同的鳴叫響度和曲調。

（5）掃碼模塊軟件設計：MJ-2060掃碼模塊集成度較高在使用過程中僅需使用USB進行數據傳輸，而選用的STM32核心擁有此資源，僅需使用相應庫函數進行數據接收、處理即可。

（6）Esp8266軟件設計：ATK-ESP8266擁有六個引腳，分別是RXD、TXD、GND、VCC、RST、IO_O，過程中使用到的為RXD、TXD、GND、VCC。設計中使用的是AT指令開發，使用AT指令的前提條件是需要向Esp8266中燒寫 AT固件，而后才能通過一系列 AT指令建立連接。Esp8266的軟件設計實際也就是編寫STM32中的代碼，使AT指令數據通過USB的數據傳輸功能傳輸至Esp8266的模塊，以此達到控制目的，促使設備連接。在設備連接之后再跟具業務的不同需要選擇相應的工作模式。

2.2 服務器和數據庫的設計

本系統的云層服務器采用的是Tomcat服務器。Tomcat服務器是一個開放源代碼的Web應用服務器，使用過程中無須額外費用，屬于輕量級應用服務器，廣泛運用于中小型系統和并發訪問用戶不是很多的場合，當之無愧成為小型系統開發與調試JSP程序的首選服務器。通過Tomcat可以使底層硬件讀取的信息能夠在APP中顯示出來。底層硬件讀取到的信息經過處理后按一定格式存放到 My-SQL數據庫當中。MySQL作為一種時常被運用于各種開發場景的關系型數據庫管理系統，可以將數據保存在不同的表中，避免將所有數據放在一個大數據表內，增加了速度并提高了靈活性。

在數據庫的信息處理方面，本系統一共使用了三張數據表，分別是入庫物品表、出庫物品表、人員信息表。

本系統中該層的設計完成的主要功能如下：

（1）以上述三張表為基礎創建數據庫，為將來的人員管理、物品出入庫管理提供條件；

（2）實現傳感器獲取數據傳輸到系統服務器端；

（3）實現手機端與系統服務器端間通信。

2.3 客戶端設計

客戶端分為一般模式與管理員模式，一般模式的主要功能是查詢物品信息，對在庫、入庫、出庫的物品進行統一管理；管理員模式則對庫房人員信息進行管理，包括人員的增加、刪除，信息的更改、查詢。

一般模式的功能需要使用RFID卡片進行身份識別，識別成功后才能使用。入庫時，系統將以RFID識別對應的人員信息、MJ-2060掃碼識別的物品信息、當下時間作為信息傳送至云端，倉管人員可在APP端進行實時查看。出庫時，取貨人也需RFID進行身份確認，再進行提貨，出庫操作完成后，云端系統將入庫表中的信息轉存至出庫表，并在出庫表中添加取貨人員信息、出庫時間。

客戶端提供Web端與Android移動端兩種支持方式，兩者信息同步更新。

3 結語

本系統綜合使用了物聯網底層硬件感知、物聯網云層服務器和數據庫設計、Android客戶端設計等技術，實現了倉儲安防與庫存管理的一次性解決，極大地減少了人工成本、提高倉儲安防的效率、降低物品丟失可能性、降低財產損失。安防方面利用了現有的大部分安防監控的基礎，使得大部分企業無須投入過多成本便可提升安防等級。庫存管理方面，通過物品的分區存放，APP端查看存放信息，可極大提高存取效率。經過系統測試與完善最終確定已經完成系統最初的設計目標。