倉(cāng)儲(chǔ)電子標(biāo)簽輔助揀貨系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

段春輝，趙景波，李夢(mèng)婷

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266033)

隨著大型綜合公司自身倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展和現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)工作效率的要求越來(lái)越高。倉(cāng)庫(kù)的配貨、物流產(chǎn)業(yè)的入庫(kù)與發(fā)貨都需要工作人員去貨架入貨或者揀貨。這就要求揀貨員對(duì)倉(cāng)庫(kù)的每一樣貨物的位置都了解得非常清楚，但對(duì)于一個(gè)大型倉(cāng)庫(kù)而言，這是非常困難的，而且揀貨速度與準(zhǔn)確度都難以保證。

傳統(tǒng)的揀貨方式存在的問(wèn)題有操作人員多、依賴熟練工、耗時(shí)長(zhǎng)、差錯(cuò)多、臨時(shí)工效率低、傳票使用多等等。為了解決這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了電子標(biāo)簽揀貨系統(tǒng)。

1 揀貨方式介紹

目前電子揀貨主要有兩種方式，其一是播種式系統(tǒng)，另一種是摘取式揀貨系統(tǒng)。

1.1 播種式

播種式系統(tǒng)是指每一個(gè)電子標(biāo)簽代表一個(gè)客戶或是一個(gè)需要配送的對(duì)象，揀貨人員先將貨品的應(yīng)配總數(shù)取出，并將貨品信息輸入，系統(tǒng)會(huì)將代表有訂購(gòu)此項(xiàng)貨品的客戶的電子標(biāo)簽點(diǎn)亮，配貨人員只要依電子標(biāo)簽燈號(hào)與顯示數(shù)字將貨品配予客戶即可，這就是播種式揀貨系統(tǒng)。通常處理的對(duì)象固定、商品種類(lèi)多或者是商品的相似性大，商品的儲(chǔ)位經(jīng)常移動(dòng)的情況下比較適合使用播種式系統(tǒng)。

1.2 摘取式

摘取式系統(tǒng)是指將電子標(biāo)簽安裝于每個(gè)貨架儲(chǔ)位上，一個(gè)電子標(biāo)簽代表一種貨品，以一張揀貨訂單為一次處理的單位，系統(tǒng)會(huì)將揀貨定單中有揀貨貨品所代表的電子標(biāo)簽點(diǎn)亮，揀貨人員依照燈號(hào)與顯示數(shù)字將貨品從貨架上取出放進(jìn)揀貨箱內(nèi)，這就是摘取式揀貨系統(tǒng)。多應(yīng)用于配送對(duì)象多但商品儲(chǔ)位固定不常移動(dòng)的情形。

本文以摘取式揀貨方式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種電子標(biāo)簽輔助揀貨系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)采用分層分級(jí)設(shè)計(jì)思想，分為中央層、控制層及應(yīng)用終端三層(圖1)。中央層由 PC機(jī)構(gòu)成，控制層為以LPC21xx為核心的嵌入式控制器，應(yīng)用終端為電子標(biāo)簽。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主從分布式結(jié)構(gòu)，采用RS485通信方式，一臺(tái)主機(jī)與多臺(tái)控制器進(jìn)行半雙工通信，各控制器之間無(wú)通信，控制器與應(yīng)用終端之間亦采用RS485通信，主從分布式半雙工通信。采用RS485通信方式，信號(hào)穩(wěn)定，通信距離遠(yuǎn)，能很好地?cái)U(kuò)展設(shè)備終端，理論最大值為256×256個(gè)，能滿足大型倉(cāng)庫(kù)多貨品的要求。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

工作時(shí)，由PC機(jī)將訂單信息整合發(fā)送至控制器，控制器接收電腦傳來(lái)的命令和數(shù)據(jù)，選取其中電子標(biāo)簽所代表的貨品，把數(shù)據(jù)發(fā)送至電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽顯示本貨品所需數(shù)量，指引揀貨員來(lái)揀取，完成揀貨后并按下確認(rèn)鍵，將本貨品信息回饋PC機(jī)，當(dāng)本次訂單貨品全部揀取后，信息回饋生成報(bào)表。當(dāng)缺貨時(shí)，可以按功能鍵選擇將缺貨信息傳回控制器送至中央層，通知操作員此貨品缺貨。

3 硬件部分

3.1 通信轉(zhuǎn)換電路

PC機(jī)的串口是RS232信號(hào)，系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換為通信總線RS485信號(hào)，轉(zhuǎn)換芯片采用SP232E高性能TTL/CMOS收發(fā)器，其完全滿足RS-232和V.28串行協(xié)議，具有增強(qiáng)型ESD性能。ESD增強(qiáng)性能使得器件可以承受±15 kV的人體放電模式 (Human BodyModel)和IEC1000-4-2氣隙放電模式。120 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率(帶負(fù)載)、0.1 μF的電荷泵電容和整體耐用的結(jié)構(gòu)等特性使得SP232E適用于商業(yè)領(lǐng)域。圖2為RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。

圖2 RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

3.2 控制器LPC21xx

控制層以ARM7-LPC21xx為控制核心，接受中央層PC傳來(lái)的命令，上傳終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，與電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)各個(gè)標(biāo)簽的地址分配，傳達(dá)訂單信息，從而控制下面的電子標(biāo)簽，同時(shí)可以檢驗(yàn)系統(tǒng)是否正確運(yùn)行以及控制總線的數(shù)據(jù)傳遞。

LPC21xx是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32 KB的嵌入高速Flash存儲(chǔ)器，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口 (2個(gè) UART、SPI、SSP和2個(gè)I2C)和8 KB的片內(nèi)SRAM，適合用在通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器中。

LPC21xx使用一個(gè)串行UART0接口連接到RS485通信總線，與中央層PC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和傳輸，當(dāng)控制器接收到PC傳下的訂單信息時(shí)，經(jīng)處理后再使用另一個(gè)串行通信接口UART1將命令數(shù)據(jù)下傳至終端設(shè)備電子標(biāo)簽，點(diǎn)亮所需貨品對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽，指引揀貨員揀取。當(dāng)一種貨品揀取完畢確認(rèn)后，控制器接收電子標(biāo)簽上傳的確認(rèn)信息，統(tǒng)計(jì)本批次揀取情況匯總，送至中央層PC，完成數(shù)據(jù)上傳。

3.3 終端設(shè)備電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽終端作為與揀貨員的接口，采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，配置高亮度LED數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)接收模塊MAX485接收控制層傳輸下來(lái)的命令數(shù)據(jù)等，經(jīng)過(guò)判斷處理后，點(diǎn)亮指示燈，顯示所需貨品數(shù)量。同時(shí)還配有四個(gè)按鍵，分別為功能鍵、確認(rèn)鍵、加鍵、減鍵，揀取完成后按下確認(rèn)鍵將本貨品完成信息回饋至控制器，圖3為電子標(biāo)簽電路框圖。如果出現(xiàn)缺貨情況，可以通過(guò)功能鍵和加、減鍵將缺貨信息、缺貨數(shù)量等回傳中央層，通知操作員本貨品缺貨，同時(shí)點(diǎn)亮缺貨指示燈。每個(gè)電子標(biāo)簽最多可存儲(chǔ)10條本貨柜訂單信息，根據(jù)時(shí)間先后信息逐條顯示。

圖3 電子標(biāo)簽單元

4 軟件部分

4.1 通信協(xié)議

協(xié)議是數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)采用自定義串行通信協(xié)議，半雙工通信方式，同一時(shí)刻只允許一臺(tái)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求，如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通信癱瘓，無(wú)法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時(shí)序上的嚴(yán)格配合，必須要遵從以下幾項(xiàng)原則：

(1)復(fù)位時(shí)，從機(jī)都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。

(2)在主從機(jī)軟件上應(yīng)附加若干處理措施，如：上電時(shí)或正式通信之前，對(duì)串行口做幾次空操作，清除端口的非法數(shù)據(jù)和命令。

(3)總線上所連接的各從機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上完全隔開(kāi)。自定義協(xié)議格式：

起始符+命令字格式如下：

下傳：#+S：中央層PC向控制層LPC21xx傳送；

下傳：#+D：控制層LPC21xx向電子標(biāo)簽傳送；

上傳：%+R：控制層 LPC21xx向 PC傳送；

上傳：%+T：電子標(biāo)簽向控制層LPC21xx傳送。

校驗(yàn)方式采用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC16，它是一類(lèi)重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。

圖4 電子標(biāo)簽程序流程圖

4.2 電子標(biāo)簽程序設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽程序主要完成數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、按鍵功能處理、聲光提示等功能。電子標(biāo)簽程序流程圖如圖4。

由于單片機(jī)的通信速率由其波特率決定，因此在晶振和定時(shí)器設(shè)定波特率時(shí)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性下，盡量考慮提高系統(tǒng)的傳送速度，其工作方式采用中斷工作方式。中斷接收程序流程圖如圖5所示。

應(yīng)用電子標(biāo)簽系統(tǒng)將傳統(tǒng)的揀貨方式簡(jiǎn)化為看、揀、按三個(gè)單純的動(dòng)作，使揀貨速度只是傳統(tǒng)揀貨時(shí)間的 1/3～1/2，操作人員只需一般操作人員的 1/3～1/2，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化作業(yè)，任何人都可以馬上作業(yè)，很大地降低了揀貨錯(cuò)誤率，提高了揀貨速度、效率及準(zhǔn)確率。

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