作者/劉宇昂，南京市第二十九中學(xué)

基于樹(shù)莓派的智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/劉宇昂，南京市第二十九中學(xué)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們生活水平的提高，社會(huì)需要提高生產(chǎn)效率，一系列智能產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。本文以開(kāi)源的樹(shù)莓派作為主控核心，設(shè)計(jì)了一款新型智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中樹(shù)莓派不僅可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，控制通風(fēng)設(shè)備、出入門禁和溫濕度調(diào)節(jié)裝置，同時(shí)又充當(dāng)服務(wù)器端的角色，客戶端和服務(wù)器端之間采用socket進(jìn)行通信，完成控制指令的發(fā)送和接收，并通過(guò)移動(dòng)通信模塊與遠(yuǎn)程客戶端實(shí)現(xiàn)雙向通信，實(shí)現(xiàn)。

樹(shù)莓派；智能倉(cāng)庫(kù)；遠(yuǎn)程操控

引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以智能手機(jī)和平板電腦為代表的智能化終端已經(jīng)迅速普及，基于寬帶無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的新業(yè)務(wù)和應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。對(duì)于工業(yè)界而言，如何充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低成本和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。特別是隨著倉(cāng)庫(kù)的智能化管理在產(chǎn)業(yè)鏈中對(duì)資源配置速度及勞動(dòng)時(shí)間影響的日趨增加，企業(yè)對(duì)于倉(cāng)庫(kù)的智能化管理要求不斷提高。但是已經(jīng)提出的產(chǎn)品或解決方案普遍存在著若干缺點(diǎn)，致使一些小型企業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化，包括部分系統(tǒng)造價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，企業(yè)花費(fèi)巨大。其次，市面上的控制系統(tǒng)和倉(cāng)庫(kù)設(shè)備之間的接口、通信協(xié)議等多種多樣，尚未形成統(tǒng)一化的標(biāo)準(zhǔn)，使得倉(cāng)庫(kù)設(shè)備模塊化式地管理難以順利進(jìn)行。針對(duì)以上問(wèn)題，本論文設(shè)計(jì)并提出一種新型智能倉(cāng)庫(kù)方案，具有造價(jià)低廉，操作方便、智能程度高，功能多樣以及高效管理的優(yōu)點(diǎn)。

1.系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本文提出了一種以樹(shù)莓派為主控核心的智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)，基本架構(gòu)如圖1所示。樹(shù)莓派為該系統(tǒng)主控核心，各類倉(cāng)庫(kù)設(shè)備均以模塊化的形式由其進(jìn)行統(tǒng)一化管理。倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境由各類傳感器監(jiān)控。收到溫濕度傳感器的反應(yīng)后，樹(shù)莓派控制各類倉(cāng)庫(kù)設(shè)備，通過(guò)固態(tài)繼電器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)啟通風(fēng)設(shè)備，壓縮機(jī) ，從而改變內(nèi)在環(huán)境溫度濕度。

同時(shí)，該系統(tǒng)中樹(shù)莓派又充當(dāng)服務(wù)器端的角色，用于接收手機(jī)客戶端發(fā)送的控制指令，并根據(jù)不同的控制指令改變相對(duì)應(yīng)倉(cāng)庫(kù)設(shè)備的工作狀態(tài)，可用于操控門禁。同時(shí)加入紅外報(bào)警系統(tǒng)，人體紅外傳感器檢測(cè)到入侵者后，利用GSM發(fā)送信息至手機(jī)端，可起防盜，保護(hù)倉(cāng)庫(kù)安全的作用。而客戶端和服務(wù)器端之間采用Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.主要硬件設(shè)計(jì)

■2.1 樹(shù)莓派

樹(shù)莓派是Raspberry Pi的中文譯名，是一種卡片式電腦，其系統(tǒng)基于 Linux，具有PC的所有基本功能，已經(jīng)被廣泛用于Web 服務(wù)器、家庭自動(dòng)化、多媒體中心和NAS 服務(wù)器等場(chǎng)景，其主要優(yōu)點(diǎn)為低功耗、低成本、開(kāi)放。本文采用樹(shù)莓派作為整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器端，并在樹(shù)莓派上安裝ubuntu14.04操作系統(tǒng)。

圖1 總體框架圖

■2.2 溫濕度傳感器

系統(tǒng)采用一款含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度符合傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。精度濕度 ±5%RH， 溫度 ±2℃，量程濕度 20～90%RH， 溫度0℃～50℃。該傳感器共有三根引腳，VCC引腳接正極3～5.5V的電壓，GND引腳與樹(shù)莓派的GND引腳接在一起，兩者共地，DATA引腳與樹(shù)莓派GPIO4接口相接，將數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸至樹(shù)莓派內(nèi)部 。

傳感器有低功耗模式和高速模式，當(dāng)樹(shù)莓派發(fā)送信號(hào)后，傳感器進(jìn)入高速模式，信號(hào)結(jié)束后，傳感器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)給樹(shù)莓派，在樹(shù)莓派中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

■2.3 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器用于入侵監(jiān)測(cè)，本方案中選用HC SR501人體紅外傳感器。由于自身不發(fā)任何類型的輻射，具有器件功耗小，價(jià)格低廉，隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)。

HC–SR501具有全自動(dòng)感應(yīng)功能。當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平，由此可以檢測(cè)是否有外來(lái)者入侵，從而起到防盜報(bào)警作用。HC–SR501還能由光敏控制。白天偷盜較少，從節(jié)約能源原則出發(fā)，設(shè)置白天不感應(yīng)。

本文選擇了HC–SR501可重復(fù)觸發(fā)方式，當(dāng)傳感器感應(yīng)后輸出高電平，在延時(shí)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，如果有人出現(xiàn)在傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)，則傳感器輸出將一直保持高電平，在感應(yīng)物體離開(kāi)檢測(cè)范圍后，通過(guò)延時(shí)將高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健?/p>

■2.4 GSM模塊

為了解決傳統(tǒng)有線方式倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中遇到的因惡意剪斷線路而使系統(tǒng)失去報(bào)警功能的問(wèn)題，本系統(tǒng)中采用移動(dòng)通信模塊報(bào)警。

華為GTM900C是一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，靈巧輕便。其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單，易于集成。

根據(jù)GSM模塊的數(shù)據(jù)文檔和樹(shù)莓派的針腳定義，將對(duì)應(yīng)的管腳連接起來(lái)，樹(shù)莓派上所謂的top和bottom指的是樹(shù)莓派GTL針腳的兩排，bottom是靠近SD卡的一側(cè)，GSM上的TXD連接樹(shù)莓派上的RXD，GSM上的RXD連接樹(shù)莓派上的TXD。

■2.5 固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是一種由固態(tài)電子元件組成的開(kāi)關(guān)元件，主要利用了電子元器件的點(diǎn)、磁和光特性來(lái)將輸入與輸出進(jìn)行隔離，利用三極管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)電路的接通和斷開(kāi)。

固態(tài)繼電器具有高壽命，高可靠，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代電路中常常使用的開(kāi)關(guān)元件。

取兩根跳線，把其中一根連接到樹(shù)莓派上的 GPIO24（18號(hào)引腳），另一根連接 GND 引腳，然后將GND 連接到繼電器上的 GND，GPIO 輸出線連接到繼電器的通道引腳號(hào)，可以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，開(kāi)啟通風(fēng)設(shè)備。

3.主要軟件設(shè)計(jì)

■3.1 內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)概念

內(nèi)網(wǎng)，也稱局域網(wǎng)。是指在一個(gè)局部的范圍內(nèi)，一般是方圓幾千米以內(nèi)（像是學(xué)?；蚴菃挝唬瑢⒏鞣N計(jì)算機(jī)，外部設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)等互相聯(lián)接起來(lái)組成的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。

外網(wǎng)，也稱廣域網(wǎng)，遠(yuǎn)程網(wǎng)。其覆蓋的范圍比局域網(wǎng)大，能達(dá)到幾十公里甚至上千公里，能連接多個(gè)城市甚至國(guó)家，或橫跨幾個(gè)洲并能提供遠(yuǎn)距離通信，形成國(guó)際性的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。

■3.2 路由器端口轉(zhuǎn)發(fā)

在倉(cāng)庫(kù)中路由器接入到Internet可直接訪問(wèn)樹(shù)莓派。但當(dāng)管理員不在倉(cāng)庫(kù)外出時(shí)，無(wú)法直接訪問(wèn)；這時(shí)可以在路由器上設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)端口，來(lái)解決外網(wǎng)不能訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)的問(wèn)題。

以TP–LINK路由器為例，簡(jiǎn)要步驟如下：

S1：在瀏覽器上打開(kāi)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址，然后回車會(huì)彈出對(duì)話框要求登陸。

S2：找到 “轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則”中的“虛擬服務(wù)器”。

S3：進(jìn)入“添加新條目”，服務(wù)端口號(hào)填寫需要映射的端口，IP地址填寫樹(shù)莓派的IP地址，其他選項(xiàng)默認(rèn)，然后保存，完成。

■3.3 socket通信

Socket通信是網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的一種方法，它實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)程序通過(guò)一個(gè)雙向通信連接的數(shù)據(jù)交換，連接的一端被稱作一個(gè)socket。

socket使用TCP/IP協(xié)議通訊。其中，TCP協(xié)議通過(guò)三次握手建立一個(gè)可靠的連接。如圖2所示，第一次握手，客戶端嘗試連接服務(wù)器，發(fā)送SYN包到服務(wù)器，等待服務(wù)器端確認(rèn)。第二次握手，服務(wù)器端接收到SYN包，并發(fā)送一個(gè)SYN+ACK包到客戶端，等待客戶端確認(rèn)。第三次握手，客戶端接收到SYN+ACK包，發(fā)送確認(rèn)包ACK到服務(wù)器。服務(wù)器接到此包后，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，三次握手完成。

在倉(cāng)庫(kù)中，智能手機(jī)可以和樹(shù)莓派連接同一個(gè)局域網(wǎng)，通過(guò)Socket通信，不用接入互聯(lián)網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)對(duì)樹(shù)莓派的控制。

圖2 三次握手示意圖

4.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)提出了一種基于樹(shù)莓派的智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)方案，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的弊端，使倉(cāng)庫(kù)管理變得更加簡(jiǎn)單快捷，也提供了倉(cāng)庫(kù)安全檢測(cè)功能。此外，該系統(tǒng)方案的主要特點(diǎn)是造價(jià)低廉，符合企業(yè)節(jié)省成本的需求，有助于大量中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化，通過(guò)手機(jī)端就可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制倉(cāng)庫(kù)中的硬件部分，極大提高了倉(cāng)庫(kù)的智能化。同時(shí)，系統(tǒng)操作方便，易于升級(jí)，具有較大的推廣應(yīng)用潛力。

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