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智能儲物柜案例

智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng)介紹

作者: 發(fā)布時間:2022-03-10 17:00:26點擊:57873

信息摘要:

智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng)介紹

  智能儲物柜對中小戶型住宅而言,提高空間利用率是使其具有較高舒適性的關(guān)鍵。在家庭、超市和辦公室等場合,傳統(tǒng)的儲物方式多以利用地面附近空間、人工取放的方式進行,高處空間利用率低下。在通過利用室內(nèi)高處空間、提高物品擺放密度等方法,提高物品的利用率的同時也會對整套儲物系統(tǒng)的易用性、自動化程度提出更高的要求。在物品管理方面,物品以往多通過人腦或者書面記錄的方法進行記錄。在物品種類繁多或需要準確管理的情況下,這種方式效率低下,可靠性較差,需要較多的人工成本。針對這些問題,利用智能家居和家具機電一體化的理念,采用機電一體化和自動倉庫相關(guān)技術(shù),設(shè)計了一套室內(nèi)高處空間物品存放系統(tǒng)和物品管理系統(tǒng)。

智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng)介紹

  智能儲物柜對中小戶型住宅而言,提高空間利用率是使其具有較高舒適性的關(guān)鍵。在家庭、超市和辦公室等場合,傳統(tǒng)的儲物方式多以利用地面附近空間、人工取放的方式進行,高處空間利用率低下。在通過利用室內(nèi)高處空間、提高物品擺放密度等方法,提高物品的利用率的同時也會對整套儲物系統(tǒng)的易用性、自動化程度提出更高的要求。在物品管理方面,物品以往多通過人腦或者書面記錄的方法進行記錄。在物品種類繁多或需要準確管理的情況下,這種方式效率低下,可靠性較差,需要較多的人工成本。針對這些問題,利用智能家居和家具機電一體化的理念,采用機電一體化和自動倉庫相關(guān)技術(shù),設(shè)計了一套室內(nèi)高處空間物品存放系統(tǒng)和物品管理系統(tǒng)。

  1.智能儲物柜系統(tǒng)所依托的機械結(jié)構(gòu)和運動

  智能儲物柜;物品存放柜和管理系統(tǒng)如圖1所示。物品管理系統(tǒng)可控制多組儲物系統(tǒng);室內(nèi)高處空間物品存放系統(tǒng)作為一組儲物系統(tǒng)接受控制。兩系統(tǒng)配合完成物品的自動存取和智能管理。

  

圖1:智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng)


  (圖1:智能儲物柜物品存放和管理系統(tǒng))

  整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)分為兩層,上層即物品管理系統(tǒng),下層是物品存放系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。機械結(jié)構(gòu)的主要組成如下:

  A.固定在室內(nèi)高處的柜體,其內(nèi)部設(shè)有多個用來存放物品的模塊化單元(下簡稱儲物箱)。

  B.柜體正面安裝有可以橫向移動的運輸單元,運輸單元由鋼絲繩牽引進行移動。

  C.運輸單元上裝有貨叉機構(gòu),完成儲物單元的選擇及取放動作。

  D.柜體一端安裝有用來使儲物單元上下運動的升降平臺,通過卷揚機帶動。

  2.控制系統(tǒng)功能要求

  控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下:

  A.控制多臺電機的運動,協(xié)調(diào)完成物品取放的功能。

  B.使用人員通過觸摸屏點選需要的物品后,控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫,自動完成物品位置的判斷和機械的控制。

  C.通過條形碼或二維碼識別物品,聯(lián)網(wǎng)獲取物品信息。

  D.能通過手機以無線的方式對系統(tǒng)進行物品查找、登記、取出和獲取信息等功能。

  3.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  

圖2:智能儲物柜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


  

圖2.智能儲物柜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


  (圖2:智能儲物柜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu))

  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。操作者可通過安卓平臺或者手機對系統(tǒng)進行控制,安卓平臺作為上位機完成人機交互、遠程控制、篩選策略、物品識別和信息下載等功能,當(dāng)上位機完成物品的篩選和定位后,將位置編號指令通過串口發(fā)送給下位機;下位機接收后,據(jù)此查詢內(nèi)部數(shù)據(jù),獲得目標位置,進行運動的規(guī)劃,再將運動的規(guī)劃轉(zhuǎn)化成電機驅(qū)動控制信號,控制機構(gòu)完成物品的取放。當(dāng)使用手機進行操作時,手機通過藍牙與安卓平臺進行通訊,同步信息,在提供便捷性的同時可完成與安卓平臺相同的操作??刂七^程中的信息流如圖3所示。

  

圖3:智能儲物柜控制過程中的信息流


  (圖3:智能儲物柜控制過程中的信息流)

  3.1通訊協(xié)議

  設(shè)計中,考慮到系統(tǒng)的一致性和程序流程簡潔,避免不必要的轉(zhuǎn)換,設(shè)定了統(tǒng)一的應(yīng)用層通訊協(xié)議。

  3.2上層控制平臺的實現(xiàn)

  3.2.1平臺功能

  A.物品信息掃描錄入。用戶在使用本系統(tǒng)存儲物品時,可通過掃描二維碼,快速錄入物品的信息,如物品的名稱、照片、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期和物品分類等,平臺功能可節(jié)省用戶手動輸入物品信息的時間。平臺功能的操作流程是:在初次進行某件物品存儲時,用戶需要手動輸入物品信息,系統(tǒng)會幫用戶生成并打印出二維碼標簽,用戶將二維碼標簽粘貼于物品上;之后進行物品信息存儲時,用戶只需通過手機或平板電腦的攝像頭掃描此二維碼標簽,系統(tǒng)將快速從中讀取包括物品照片、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、物品分類和物品名稱等信息。當(dāng)用戶完成錄入后,系統(tǒng)會根據(jù)物品信息自動分類,并顯示相關(guān)信息。系統(tǒng)還提供了用戶管理、物品查找和物品搜索等功能。為便于用戶使用安卓系統(tǒng)與移動終端使用相同的界面。

  B.無線控制。用戶可以手機、平板電腦等移動設(shè)備端,無線近程控制機械與動力裝置完成物品的存取。此功能可使用戶在家里的大部分地方都能無線控制此儲物系統(tǒng)。

  3.2.2實現(xiàn)方式

  A.物品信息掃描錄入。①條形碼和二維碼,綜合考慮成本、實用性、技術(shù)成熟成熟程度,選用條形碼和二維碼作為物品識別的媒介。當(dāng)物品上具有條形碼時,通過掃描條形碼,聯(lián)網(wǎng)搜索獲得物品信息,自動填入,由用戶補充。當(dāng)物品上沒有條形碼時,由用戶錄入信息,并打印二維碼,粘貼到物品上。由于二維碼包含的信息量大,用戶錄入的信息可以部分存入,便于在多個系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移,避免重復(fù)輸入。②二維碼圖片的生成,系統(tǒng)支持QRcode、PDF417兩種二維碼編碼方式,利用安卓平臺提供的圖片處理接口Bitmap,將物品的各類信息以Json(javascriptobjectnotation)的格式編碼成一個字符串,然后將字符串轉(zhuǎn)換成黑白點陣,最后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二維碼圖片。③二維碼的識別,系統(tǒng)利用手機或平板電腦自帶的攝像頭,拍攝物體上的二維碼標簽,對其多幀圖片,分析其中的黑白點陣排列,判定其編碼格式(QRcode或PDF417),然后利用此編碼格式的編碼規(guī)則,對其進行解碼,得到字符串,然后利用java語言提供的JSON格式串處理接口JSONObject與JSONParser,從中提取物品的各類信息。圖4為二維碼識別的流程。

  

圖4:智能儲物柜識別二維碼的流程


  (圖4:智能儲物柜識別二維碼的流程)

  B. 無線控制。移動客戶端與安卓固定平臺之間的無線通信—藍牙通信,系統(tǒng)利用設(shè)計好的通信協(xié)議,使用安卓平臺提供的藍牙通信接口Blue-toothAdapter、BluetoothDevice,實現(xiàn)藍牙模塊的開啟關(guān)閉、藍牙設(shè)備的掃描和藍牙設(shè)備的配對;利用BluetoothServerSocket與BluetoothSocket接口,實現(xiàn)全雙工的藍牙通信。對于安卓系統(tǒng),藍牙通信無需了解具體協(xié)議,通訊的建立只需通過調(diào)用接口,完成啟動流程。安卓固定平臺與單片機之間的串口通信,安卓操作系統(tǒng)本身并不提供串口通信功能,系統(tǒng)通過編寫安卓串口驅(qū)動,實現(xiàn)安卓的串口通信功能,利用驅(qū)動中提供的串口通信接口HardwareController,實現(xiàn)與單片機的串口通信。

  3.3下層控制的實現(xiàn)

  3.3.1功能

  通過主控芯片與上層控制平臺之間的協(xié)調(diào)通訊,控制機械系統(tǒng)完成規(guī)定動作流程,實現(xiàn)對物品數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與實際物品所在空間位置的同步。涉及到如下部分功能模塊:上位機通訊模塊、頻率可調(diào)步進電機控制脈沖的生成模塊、位置檢測模塊、多步進電機控制順序的組織與協(xié)調(diào)以及運行狀態(tài)指示模塊。

  3.3.2實現(xiàn)方式

  A. 電路結(jié)構(gòu)。下層控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示,下層主控制器芯片AT89S52單片機,它具有8K字節(jié)程序存儲空間,256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間,沒有內(nèi)帶EEPROM存儲空間,而STC89C52RC單片機具有8K字節(jié)程序存儲空間,512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間,內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間,可直接使用串口下載。通訊模塊采用MAX232芯片。單片機及外圍芯片供電使用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。

  

圖5:智能儲物柜下層控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)


  (圖5:智能儲物柜下層控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu))

  B. 主要程序流程。下層控制系統(tǒng)程序流程如圖6所示。整個結(jié)構(gòu)為自然順序的循環(huán),完成上位機的一個存或者取的任務(wù)。上位機先取出所需用來存放的儲物盒,然后用戶將所要存放東西放入取來的儲物盒之中。之后向單片機發(fā)出信號,單片機控制儲物盒上升到儲物柜之中,然后將裝有所存放東西的儲物盒返回之前的位置之中,完成存放。而取的過程同樣按照存放任務(wù)的循環(huán),將所需的儲物盒取出,然后再放回的順序,完成取出物品的循環(huán)。

  

圖6:智能儲物柜下層控制系統(tǒng)程序流程


  (圖6:智能儲物柜下層控制系統(tǒng)程序流程)

  C. 串口通訊協(xié)議。整個運動過程中與上位機的通訊并不頻繁,通訊僅在進行任務(wù)分配時進行,也即是在每次動作循環(huán)前后進行數(shù)據(jù)傳輸與確認。電路采用12MHZ晶體振蕩器,為保證通訊之間的精度,減少誤碼的發(fā)生,所以采用更高2400波特率,保證與上位機之間通訊不會出現(xiàn)信號丟失現(xiàn)象,并且在軟件系統(tǒng)中進行通訊校驗的步驟,如CRC32即循環(huán)冗余校驗檢測。

  D. 步進電機控制程序設(shè)計。采用步進電機驅(qū)動器時,步進電機的基本控制方法為產(chǎn)生一個脈沖信號時,步進電機向規(guī)定方向產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)角θ,當(dāng)送入一系列脈寬可調(diào)的連續(xù)脈沖信號時,步進電機產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度,步進電機的細分次數(shù)將通過步進電機的驅(qū)動器來調(diào)節(jié),需要通過分別對每個步進電機工作速度與效率進行評估后進行選擇。脈沖產(chǎn)生方法分為兩種,一種是通過延時函數(shù)來產(chǎn)生,但這種方法的缺點是產(chǎn)生的脈沖不,并且浪費了大量的控制器計算時間;另二種是通過定時器中斷來產(chǎn)生脈沖,這樣的方法產(chǎn)生的脈沖較準確,但需要利用一個定時器來控制,設(shè)計采用這種方案。但這樣就有一個問題,主控制芯片的定時器資源比較緊張,串口通信需要占用3個定時器的其中之一,因此,步進電機控制需要充分利用STC89C52RC剩余的2個定時器中斷,需要避開同時對多個步進電機的同時操作,分別在不同時段對步進電機進行操作,克服主控制器定時器的缺乏。

  通過速度參數(shù)計算產(chǎn)生相應(yīng)定時器初值,當(dāng)脈沖計數(shù)參數(shù)到達指定次數(shù)時進行定時器處置的重裝。加速運動時,重裝脈沖計數(shù)間隔逐漸增加,因此,使速度產(chǎn)生間隔變化。減速過程與加速過程相反,重裝間隔脈沖逐漸減少,產(chǎn)生相應(yīng)的減速運動。步進電機可采用開環(huán)控制,但由于繩傳動時會產(chǎn)生微小誤差,因此,需要進行位置矯正。具體方法:通過為每個電機位置相應(yīng)的全局變量進行記錄,每次電機運行達到規(guī)定次數(shù)時,進行減速及停止的操作。當(dāng)進行完一個存取的工作循環(huán)時,每個存取箱進行歸位。歸位時檢測相應(yīng)位置行程開關(guān)的狀態(tài),當(dāng)?shù)竭_初始狀態(tài)時,進行相應(yīng)變量的重置。最終通過各相關(guān)動作產(chǎn)生所需的存放及取用動作。

  4.結(jié)束語

  智能柜生產(chǎn)廠家將智能家居的理念與自動化倉庫的理念相結(jié)合,討論了基于安卓平臺的智能儲物柜控制系統(tǒng),包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟件設(shè)計和通訊協(xié)議。經(jīng)測試,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,操作方便,界面友好,達到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)使得自動儲物柜更加人性化,易于操作。物品管理的功能有助于對物品進行查找、分類、管理和統(tǒng)計。



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