智能储物柜物品存放和管理系统介绍
智能储物柜对中小户型住宅而言,提高空间利用率是使其具有较高舒适性的关键。在家庭、超市和办公室等场合,传统的储物方式多以利用地面附近空间、人工取放的方式进行,高处空间利用率低下。在通过利用室内高处空间、提高物品摆放密度等方法,提高物品的利用率的同时也会对整套储物系统的易用性、自动化程度提出更高的要求。在物品管理方面,物品以往多通过人脑或者书面记录的方法进行记录。在物品种类繁多或需要准确管理的情况下,这种方式彩投网低下,可靠性较差,需要较多的人工成本。针对这些问题,利用智能家居和家具机电一体化的理念,采用机电一体化和自动仓库相关技术,设计了一套室内高处空间物品存放系统和物品管理系统。
1.系统所依托的机械结构和运动
智能储物柜;和管理系统如图1所示。物品管理系统可控制多组储物系统;室内高处空间物品存放系统作为一组储物系统接受控制。两系统配合完成物品的自动存取和智能管理。
![图1:智能储物柜物品存放和管理系统](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902728714458.jpg)
(图1:智能储物柜物品存放和管理系统)
整个系统的控制系统分为两层,上层即物品管理系统,下层是物品存放系统的嵌入式系统。机械结构的主要组成如下:
A.固定在室内高处的柜体,其内部设有多个用来存放物品的模块化单元(下简称储物箱)。
B.柜体正面安装有可以横向移动的运输单元,运输单元由钢丝绳牵引进行移动。
C.运输单元上装有货叉机构,完成储物单元的选择及取放动作。
D.柜体一端安装有用来使储物单元上下运动的升降平台,通过卷扬机带动。
2.控制系统功能要求
控制系统应具备的功能如下:
A.控制多台电机的运动,协调完成物品取放的功能。
B.使用人员通过触摸屏点选需要的物品后,控制系统根据内部数据库,自动完成物品位置的判断和机械的控制。
C.通过条形码或二维码识别物品,联网获取物品信息。
D.能通过手机以无线的方式对系统进行物品查找、登记、取出和获取信息等功能。
3.控制系统结构
![图2:智能储物柜控制系统结构](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902728497422.jpg)
![图2.智能储物柜控制系统结构](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902729959313.jpg)
(图2:智能储物柜控制系统结构)
控制系统结构如图2所示。操作者可通过安卓平台或者手机对系统进行控制,安卓平台作为上位机完成人机交互、远程控制、筛选策略、物品识别和信息下载等功能,当上位机完成物品的筛选和定位后,将位置编号指令通过串口发送给下位机;下位机接收后,据此查询内部数据,获得目标位置,进行运动的规划,再将运动的规划转化成电机驱动控制信号,控制机构完成物品的取放。当使用手机进行操作时,手机通过蓝牙与安卓平台进行通讯,同步信息,在提供便捷性的同时可完成与安卓平台相同的操作。控制过程中的信息流如图3所示。
![图3:智能储物柜控制过程中的信息流](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902729616933.jpg)
(图3:智能储物柜控制过程中的信息流)
3.1通讯协议
设计中,考虑到系统的一致性和程序流程简洁,避免不必要的转换,设定了统一的应用层通讯协议。
3.2上层控制平台的实现
3.2.1平台功能
A.物品信息扫描录入。用户在使用本系统存储物品时,可通过扫描二维码,快速录入物品的信息,如物品的名称、照片、生产日期、保质期和物品分类等,平台功能可节省用户手动输入物品信息的时间。平台功能的操作流程是:在初次进行某件物品存储时,用户需要手动输入物品信息,系统会帮用户生成并打印出二维码标签,用户将二维码标签粘贴于物品上;之后进行物品信息存储时,用户只需通过手机或平板电脑的摄像头扫描此二维码标签,系统将快速从中读取包括物品照片、生产日期、保质期、物品分类和物品名称等信息。当用户完成录入后,系统会根据物品信息自动分类,并显示相关信息。系统还提供了用户管理、物品查找和物品搜索等功能。为便于用户使用安卓系统与移动终端使用相同的界面。
B.无线控制。用户可以手机、平板电脑等移动设备端,无线近程控制机械与动力装置完成物品的存取。此功能可使用户在家里的大部分地方都能无线控制此储物系统。
3.2.2实现方式
A.物品信息扫描录入。①条形码和二维码,综合考虑成本、实用性、技术成熟成熟程度,选用条形码和二维码作为物品识别的媒介。当物品上具有条形码时,通过扫描条形码,联网搜索获得物品信息,自动填入,由用户补充。当物品上没有条形码时,由用户录入信息,并打印二维码,粘贴到物品上。由于二维码包含的信息量大,用户录入的信息可以部分存入,便于在多个系统之间转移,避免重复输入。②二维码图片的生成,系统支持QRcode、PDF417两种二维码编码方式,利用安卓平台提供的图片处理接口Bitmap,将物品的各类信息以Json(javascriptobjectnotation)的格式编码成一个字符串,然后将字符串转换成黑白点阵,最后转化为相应的二维码图片。③二维码的识别,系统利用手机或平板电脑自带的摄像头,拍摄物体上的二维码标签,对其多帧图片,分析其中的黑白点阵排列,判定其编码格式(QRcode或PDF417),然后利用此编码格式的编码规则,对其进行解码,得到字符串,然后利用java语言提供的JSON格式串处理接口JSONObject与JSONParser,从中提取物品的各类信息。图4为二维码识别的流程。
![图4:智能储物柜识别二维码的流程](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902730644888.jpg)
(图4:智能储物柜识别二维码的流程)
B. 无线控制。移动客户端与安卓固定平台之间的无线通信—蓝牙通信,系统利用设计好的通信协议,使用安卓平台提供的蓝牙通信接口Blue-toothAdapter、BluetoothDevice,实现蓝牙模块的开启关闭、蓝牙设备的扫描和蓝牙设备的配对;利用BluetoothServerSocket与BluetoothSocket接口,实现全双工的蓝牙通信。对于安卓系统,蓝牙通信无需了解具体协议,通讯的建立只需通过调用接口,完成启动流程。安卓固定平台与单片机之间的串口通信,安卓操作系统本身并不提供串口通信功能,系统通过编写安卓串口驱动,实现安卓的串口通信功能,利用驱动中提供的串口通信接口HardwareController,实现与单片机的串口通信。
3.3下层控制的实现
3.3.1功能
通过主控芯片与上层控制平台之间的协调通讯,控制机械系统完成规定动作流程,实现对物品数据库数据与实际物品所在空间位置的同步。涉及到如下部分功能模块:上位机通讯模块、频率可调步进电机控制脉冲的生成模块、位置检测模块、多步进电机控制顺序的组织与协调以及运行状态指示模块。
3.3.2实现方式
A. 电路结构。下层控制系统硬件结构如图5所示,下层主控制器芯片AT89S52单片机,它具有8K字节程序存储空间,256字节数据存储空间,没有内带EEPROM存储空间,而STC89C52RC单片机具有8K字节程序存储空间,512字节数据存储空间,内带4K字节EEPROM存储空间,可直接使用串口下载。通讯模块采用MAX232芯片。单片机及外围芯片供电使用LM2596开关电压调节器。
![图5:智能储物柜下层控制系统硬件结构](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902730884657.jpg)
(图5:智能储物柜下层控制系统硬件结构)
B. 主要程序流程。下层控制系统程序流程如图6所示。整个结构为自然顺序的循环,完成上位机的一个存或者取的任务。上位机先取出所需用来存放的储物盒,然后用户将所要存放东西放入取来的储物盒之中。之后向单片机发出信号,单片机控制储物盒上升到储物柜之中,然后将装有所存放东西的储物盒返回之前的位置之中,完成存放。而取的过程同样按照存放任务的循环,将所需的储物盒取出,然后再放回的顺序,完成取出物品的循环。
![图6:智能储物柜下层控制系统程序流程](http://crystal-rentals.com/uploads/image/20220310/1646902730962464.jpg)
(图6:智能储物柜下层控制系统程序流程)
C. 串口通讯协议。整个运动过程中与上位机的通讯并不频繁,通讯仅在进行任务分配时进行,也即是在每次动作循环前后进行数据传输与确认。电路采用12MHZ晶体振荡器,为保证通讯之间的精度,减少误码的发生,所以采用更高2400波特率,保证与上位机之间通讯不会出现信号丢失现象,并且在软件系统中进行通讯校验的步骤,如CRC32即循环冗余校验检测。
D. 步进电机控制程序设计。采用步进电机驱动器时,步进电机的基本控制方法为产生一个脉冲信号时,步进电机向规定方向产生一个转角θ,当送入一系列脉宽可调的连续脉冲信号时,步进电机产生相应的旋转速度,步进电机的细分次数将通过步进电机的驱动器来调节,需要通过分别对每个步进电机工作速度与彩投网进行评估后进行选择。脉冲产生方法分为两种,一种是通过延时函数来产生,但这种方法的缺点是产生的脉冲不,并且浪费了大量的控制器计算时间;另二种是通过定时器中断来产生脉冲,这样的方法产生的脉冲较准确,但需要利用一个定时器来控制,设计采用这种方案。但这样就有一个问题,主控制芯片的定时器资源比较紧张,串口通信需要占用3个定时器的其中之一,因此,步进电机控制需要充分利用STC89C52RC剩余的2个定时器中断,需要避开同时对多个步进电机的同时操作,分别在不同时段对步进电机进行操作,克服主控制器定时器的缺乏。
通过速度参数计算产生相应定时器初值,当脉冲计数参数到达指定次数时进行定时器处置的重装。加速运动时,重装脉冲计数间隔逐渐增加,因此,使速度产生间隔变化。减速过程与加速过程相反,重装间隔脉冲逐渐减少,产生相应的减速运动。步进电机可采用开环控制,但由于绳传动时会产生微小误差,因此,需要进行位置矫正。具体方法:通过为每个电机位置相应的全局变量进行记录,每次电机运行达到规定次数时,进行减速及停止的操作。当进行完一个存取的工作循环时,每个存取箱进行归位。归位时检测相应位置行程开关的状态,当到达初始状态时,进行相应变量的重置。最终通过各相关动作产生所需的存放及取用动作。
4.结束语
智能柜生产厂家将智能家居的理念与自动化仓库的理念相结合,讨论了基于安卓平台的智能储物柜控制系统,包括系统结构、硬件组成、软件设计和通讯协议。经测试,系统运行稳定,操作方便,界面友好,达到了预期的效果。系统使得自动储物柜更加人性化,易于操作。物品管理的功能有助于对物品进行查找、分类、管理和统计。