基于數(shù)據(jù)庫與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫設(shè)計與研究

李 川， 劉洲洲， 李美蓉

（西安航空學(xué)院計算機(jī)學(xué)院，西安 710077）

0 引言

現(xiàn)代物流不僅涉及原料的采購過程，還包括產(chǎn)品制造、銷售過程中的運(yùn)輸、保管等環(huán)節(jié)［1］，物流的目標(biāo)是提高經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行效率、滿足消費(fèi)者的需求。現(xiàn)代物流朝著信息化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化、社會化和共同化的方向發(fā)展［2］。倉儲是現(xiàn)代物流的一個重要環(huán)節(jié)，倉儲管理的效率對整個物流效率影響比重很大。如何提升現(xiàn)代物流中倉庫管理水平是近年來一個研究熱點，隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能等技術(shù)不斷發(fā)展，利用這些技術(shù)設(shè)計的智能倉庫系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。各大物流公司及電子商務(wù)公司都建立了物流系統(tǒng)及智能倉庫，這些系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高、構(gòu)建費(fèi)用高，在很多中小型企業(yè)中并不適用［3］。中小型企業(yè)智能倉儲的應(yīng)用需求一般包括：存儲物品的類型、廠商、單價和批次等信息，保證物品數(shù)據(jù)的采集效率和處理精度，及時準(zhǔn)確獲取庫存信息，用戶數(shù)量少但安全性要求高，根據(jù)物品出入庫情況智能調(diào)整物品庫存［4］，定期盤點物品庫存，根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，打印出、入庫單等報表［5］。

針對中小型企業(yè)倉儲應(yīng)用需求，基于數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)設(shè)計智能倉庫系統(tǒng)。系統(tǒng)選用32 bit 系列微控制器芯片（STMicroelectronics32，STM32）單片機(jī)作為核心控制模塊，搭載K210 人臉識別模塊鑒別用戶身份，使用多頻識別卡522 系列（Multi-Frequency Read Card 522，MFRC522）無線射頻身份識別（Radio Frequency Identification，RFID）的物品識別模塊完成物品出入庫管理；物品倉儲信息管理采用結(jié)構(gòu)化查詢語言服務(wù)（Structured Query Language Server，SQL Server）數(shù)據(jù)庫技術(shù)，應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用C＃.NET 技術(shù)設(shè)計窗體應(yīng)用程序，實現(xiàn)用戶管理、物料類型管理、物品管理、庫存盤點、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、智能決策和報表打印等功能；硬件平臺通過串口與應(yīng)用系統(tǒng)全雙工通信，通過人體生物特征識別與口令技術(shù)雙重身份認(rèn)證確保系統(tǒng)安全性。

1 智能倉庫技術(shù)

智能倉庫硬件系統(tǒng)主要包括STM32 控制器、MFRC522 物品識別模塊、K210 人臉識別模塊和倉庫門禁電子鎖舵機(jī)等，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能倉庫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 STM32 控制器

采用STM32F103C8T6 作為智能倉庫的主控模塊，搭載其他應(yīng)用模塊。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為Cortex-M3 內(nèi)核總線矩陣［6］、直接內(nèi)存讀取（Direct Memory Access，DMA）、先進(jìn)的高性能總線（Advanced High _performance Bus，AHB）、高級外圍總線1（Advanced Peripheral Bus 1，APB1）以及高級外圍總線2（Advanced Peripheral Bus 2，APB2）上掛載的外設(shè)等部分，系統(tǒng)總線分為指令總線和數(shù)據(jù)總線，兩種總線的獨立設(shè)計提升了系統(tǒng)并行效率，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 MFRC522 芯片的物品識別

MFRC522 射頻識別芯片用于智能倉庫系統(tǒng)RFID物品識別，該芯片用于非接觸式讀寫卡，具有集成度高、應(yīng)用面廣等特點［7］。MFRC522 包括發(fā)送和接收，其中發(fā)送利用調(diào)制和解調(diào)的原理，驅(qū)動讀寫器天線與非接觸智能卡通信，可接收非接觸智能卡的應(yīng)答信號并進(jìn)行解碼處理［8］。MFRC522 還包括數(shù)據(jù)幀校驗、奇偶校驗、數(shù)據(jù)加密／解密。另外，MFRC522 包括多個寄存器，用于存儲數(shù)據(jù)及狀態(tài)控制。MFRC522 可相連串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）和串行通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）等微控制器接口，具有較強(qiáng)的兼容性，其體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 MFRC522體系結(jié)構(gòu)

1.3 SQL Server數(shù)據(jù)庫

智能倉庫系統(tǒng)選用SQL Server 作數(shù)據(jù)庫平臺，它是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，與Windows 系統(tǒng)具有良好的兼容性，具有較高性能及安全性［9］，常用于客戶機(jī)／服務(wù)器（Client／Server，C／S）結(jié)構(gòu)軟件。SQL Server 提供數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)操作、事務(wù)管理、數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)安全管理等功能［10］。

1.4 C＃.NET

.NET是一種技術(shù)平臺，該平臺支持多種語言的運(yùn)行，包括C＃語言，選用C＃. NET 技術(shù)作為智能倉庫系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)方案，是因為C＃. NET 與Windows 系統(tǒng)、SQL Server 數(shù)據(jù)庫都具有良好兼容性，且采用C＃.NET 技術(shù)可非常方便、高效地開發(fā)Windows 窗口（Windows Form，WinForm）程序。系統(tǒng)采用SQL Server設(shè)計智能倉儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，主要包括用戶表、物品表、物品類型表、入庫表及出庫表，使用C＃.NET設(shè)計系統(tǒng)的相關(guān)功能。

2 基于數(shù)據(jù)庫與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉庫

2.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)需進(jìn)行用戶身份鑒別（用戶人臉信息需要提前錄入），身份鑒別成功后開啟倉庫電子鎖，啟動智能倉庫應(yīng)用軟件系統(tǒng)，使用用戶口令登錄系統(tǒng)，選擇出入庫操作，采用RFID識別物品信息，并將物品信息通過單片機(jī)串口傳輸?shù)杰浖?yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)操作將數(shù)據(jù)保存在SQL Server 數(shù)據(jù)庫，還可根據(jù)需要選擇系統(tǒng)的其他功能，系統(tǒng)的總體流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.2 用戶身份雙重鑒別

系統(tǒng)采用人體生物特征——人臉識別進(jìn)行用戶身份鑒別，人臉識別采用K210 芯片［11-12］，并基于MaixPy對人臉識別過程進(jìn)行優(yōu)化，人臉識別流程如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化人臉識別流程

基于口令的用戶身份識別可采用靜態(tài)密碼和動態(tài)驗證碼的方式［13］，動態(tài)驗證碼需云平臺支持，考慮到中小型企業(yè)實際情況，系統(tǒng)采用靜態(tài)密碼的方式，具體流程如圖6 所示。

圖6 用戶口令驗證流程

2.3 RFID識別物品

RFID 物品識別使用MFRC522 讀取集成電路（Integrated Circuit，IC）卡信息，該模塊支持串行I2C串口通信和串行UART 通信［14］。要識別的物品上配置M1非接觸式IC卡［15］，每張卡上均有32 bit 唯一物品編號（Unit Identity Document，UID），卡內(nèi)存儲器最大容量可以是每一個8 KByte的帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM），MF RC522 與M1卡通信流程如圖7 所示。MFRC522 可讀取M1卡中的物品信息，但需區(qū)分入庫與出庫，才能將讀取的物品信息記錄到應(yīng)用系統(tǒng)指定的數(shù)據(jù)表。通過STM32 及MFRC522 實現(xiàn)物品出入庫流程如圖8 所示。

圖7 MFRC522與M1卡通信流程

圖8 通過STM32及MFRC522實現(xiàn)物品出入庫流程

2.4 基于C＃.NET的智能倉庫系統(tǒng)

根據(jù)需求分析，設(shè)計數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型主要包括實體：用戶、物品、物品類型、出庫單和入庫單等，數(shù)據(jù)模型及聯(lián)系如圖9 所示。

圖9 智能倉庫數(shù)據(jù)模型及聯(lián)系

數(shù)據(jù)物理模型采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲，基于C＃. NET 平臺設(shè)計WinForm 程序，采用. NET ActiveX數(shù)據(jù)對象（Activex Data Objects. NET，ADO. NET）技術(shù)訪問SQL Server 數(shù)據(jù)庫，通過串口與RFID通信，智能倉庫應(yīng)用系統(tǒng)主要功能包括用戶管理、物品類別管理和物品管理等，功能結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

3 智能倉庫系統(tǒng)測試及分析

系統(tǒng)測試軟硬件環(huán)境見表1。

表1 智能倉庫系統(tǒng)測試環(huán)境

系統(tǒng)測試的主要功能包括人臉識別、物品識別、物品出入庫、物品管理、物品類型管理、用戶管理、庫存盤點、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、智能決策和報表打印，具體測試情況見表2。

表2 系統(tǒng)功能測試

4 結(jié)語

基于數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)設(shè)計智能倉庫系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件部分，硬件部分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行用戶身份及物品信息識別，采用STM32 單片機(jī)作為智能倉庫主控模塊，搭載人臉識別模塊鑒別用戶身份，RFID 模塊用于物品識別；軟件部分采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用C＃.NET技術(shù)設(shè)計Windows 窗體應(yīng)用程序，主要功能包括用戶管理、物品類型管理、物品管理、庫存盤點、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、智能決策和報表打印等；硬件平臺通過串口與應(yīng)用系統(tǒng)全雙工通信，通過人體生物特征識別與口令技術(shù)雙重身份認(rèn)證確保系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)通過人臉識別進(jìn)行用戶身份鑒別，身份鑒別成功后開啟倉庫電子鎖，啟動智能倉庫應(yīng)用軟件系統(tǒng)，使用用戶口令登錄系統(tǒng)，選擇出入庫操作，采用RFID 識別物品信息，并將物品信息通過單片機(jī)串口傳輸?shù)杰浖?yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)操作將數(shù)據(jù)保存在SQL Server 數(shù)據(jù)庫中，另外還可根據(jù)需要選擇系統(tǒng)的其他功能。實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計方案可行，各項功能正常，安全性較高，雖然物品識別距離有限，未達(dá)到額定范圍，但對功能的正常使用影響不大。系統(tǒng)具有靈活、智能、高效等優(yōu)點，但智能決策模塊在系統(tǒng)期初運(yùn)行時可能因為數(shù)據(jù)樣本小而存在決策結(jié)果偏差，另外系統(tǒng)并不適用大型連鎖倉儲系統(tǒng)。

·名人名言·

實驗上的失敗，可能成為發(fā)現(xiàn)的開端。

——巴甫洛夫