基于樹莓派的智能倉庫系統設計

作者/劉宇昂，南京市第二十九中學

基于樹莓派的智能倉庫系統設計

作者/劉宇昂，南京市第二十九中學

隨著時代的發展，人們生活水平的提高，社會需要提高生產效率，一系列智能產品應運而生。本文以開源的樹莓派作為主控核心，設計了一款新型智能倉庫系統。該系統中樹莓派不僅可以實現倉庫環境參數的檢測，控制通風設備、出入門禁和溫濕度調節裝置，同時又充當服務器端的角色，客戶端和服務器端之間采用socket進行通信，完成控制指令的發送和接收，并通過移動通信模塊與遠程客戶端實現雙向通信，實現。

樹莓派；智能倉庫；遠程操控

引言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，以智能手機和平板電腦為代表的智能化終端已經迅速普及，基于寬帶無線互聯網的新業務和應用也不斷涌現。對于工業界而言，如何充分利用現代信息技術來進一步提高生產效率，降低成本和提高產品競爭力已經成為關注的熱點。特別是隨著倉庫的智能化管理在產業鏈中對資源配置速度及勞動時間影響的日趨增加，企業對于倉庫的智能化管理要求不斷提高。但是已經提出的產品或解決方案普遍存在著若干缺點，致使一些小型企業無法實現智能化，包括部分系統造價昂貴，操作復雜，企業花費巨大。其次，市面上的控制系統和倉庫設備之間的接口、通信協議等多種多樣，尚未形成統一化的標準，使得倉庫設備模塊化式地管理難以順利進行。針對以上問題，本論文設計并提出一種新型智能倉庫方案，具有造價低廉，操作方便、智能程度高，功能多樣以及高效管理的優點。

1.系統總體框架設計

本文提出了一種以樹莓派為主控核心的智能倉庫系統架構，基本架構如圖1所示。樹莓派為該系統主控核心，各類倉庫設備均以模塊化的形式由其進行統一化管理。倉庫內的環境由各類傳感器監控。收到溫濕度傳感器的反應后，樹莓派控制各類倉庫設備，通過固態繼電器，驅動電機的運轉，開啟通風設備，壓縮機 ，從而改變內在環境溫度濕度。

同時，該系統中樹莓派又充當服務器端的角色，用于接收手機客戶端發送的控制指令，并根據不同的控制指令改變相對應倉庫設備的工作狀態，可用于操控門禁。同時加入紅外報警系統，人體紅外傳感器檢測到入侵者后，利用GSM發送信息至手機端，可起防盜，保護倉庫安全的作用。而客戶端和服務器端之間采用Socket進行數據通信。

2.主要硬件設計

■2.1 樹莓派

樹莓派是Raspberry Pi的中文譯名，是一種卡片式電腦，其系統基于 Linux，具有PC的所有基本功能，已經被廣泛用于Web 服務器、家庭自動化、多媒體中心和NAS 服務器等場景，其主要優點為低功耗、低成本、開放。本文采用樹莓派作為整個系統的服務器端，并在樹莓派上安裝ubuntu14.04操作系統。

圖1 總體框架圖

■2.2 溫濕度傳感器

系統采用一款含有校準數字信號輸出的溫濕度符合傳感器，能夠實現對倉庫環境的實時監測。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引腳與樹莓派的GND引腳接在一起，兩者共地，DATA引腳與樹莓派GPIO4接口相接，將數字信號的數據傳輸至樹莓派內部 。

傳感器有低功耗模式和高速模式，當樹莓派發送信號后，傳感器進入高速模式，信號結束后，傳感器發送響應信號給樹莓派，在樹莓派中進行數據的讀取。

■2.3 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器用于入侵監測，本方案中選用HC SR501人體紅外傳感器。由于自身不發任何類型的輻射，具有器件功耗小，價格低廉，隱蔽性好的優點。

HC–SR501具有全自動感應功能。當有人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平，由此可以檢測是否有外來者入侵，從而起到防盜報警作用。HC–SR501還能由光敏控制。白天偷盜較少，從節約能源原則出發，設置白天不感應。

本文選擇了HC–SR501可重復觸發方式，當傳感器感應后輸出高電平，在延時時間區間內，如果有人出現在傳感器感應范圍內，則傳感器輸出將一直保持高電平，在感應物體離開檢測范圍后，通過延時將高電平轉變為低電平。

■2.4 GSM模塊

為了解決傳統有線方式倉庫管理系統中遇到的因惡意剪斷線路而使系統失去報警功能的問題，本系統中采用移動通信模塊報警。

華為GTM900C是一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，靈巧輕便。其內嵌TCP/IP協議模塊，使用簡單，易于集成。

根據GSM模塊的數據文檔和樹莓派的針腳定義，將對應的管腳連接起來，樹莓派上所謂的top和bottom指的是樹莓派GTL針腳的兩排，bottom是靠近SD卡的一側，GSM上的TXD連接樹莓派上的RXD，GSM上的RXD連接樹莓派上的TXD。

■2.5 固態繼電器

固態繼電器是一種由固態電子元件組成的開關元件，主要利用了電子元器件的點、磁和光特性來將輸入與輸出進行隔離，利用三極管、功率場效應管、單項可控硅和雙向可控硅的開關特性，實現電路的接通和斷開。

固態繼電器具有高壽命，高可靠，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好等優點，已成為現代電路中常常使用的開關元件。

取兩根跳線，把其中一根連接到樹莓派上的 GPIO24（18號引腳），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，可以控制電機驅動，進而驅動壓縮機，開啟通風設備。

3.主要軟件設計

■3.1 內網與外網概念

內網，也稱局域網。是指在一個局部的范圍內，一般是方圓幾千米以內（像是學校或是單位），將各種計算機，外部設備和數據庫等互相聯接起來組成的計算機通信網。

外網，也稱廣域網，遠程網。其覆蓋的范圍比局域網大，能達到幾十公里甚至上千公里，能連接多個城市甚至國家，或橫跨幾個洲并能提供遠距離通信，形成國際性的遠程網絡。

■3.2 路由器端口轉發

在倉庫中路由器接入到Internet可直接訪問樹莓派。但當管理員不在倉庫外出時，無法直接訪問；這時可以在路由器上設置轉發端口，來解決外網不能訪問內網的問題。

以TP–LINK路由器為例，簡要步驟如下：

S1：在瀏覽器上打開默認網關地址，然后回車會彈出對話框要求登陸。

S2：找到 “轉發規則”中的“虛擬服務器”。

S3：進入“添加新條目”，服務端口號填寫需要映射的端口，IP地址填寫樹莓派的IP地址，其他選項默認，然后保存，完成。

■3.3 socket通信

Socket通信是網絡中計算機進行通信的一種方法，它實現了兩個程序通過一個雙向通信連接的數據交換，連接的一端被稱作一個socket。

socket使用TCP/IP協議通訊。其中，TCP協議通過三次握手建立一個可靠的連接。如圖2所示，第一次握手，客戶端嘗試連接服務器，發送SYN包到服務器，等待服務器端確認。第二次握手，服務器端接收到SYN包，并發送一個SYN+ACK包到客戶端，等待客戶端確認。第三次握手，客戶端接收到SYN+ACK包，發送確認包ACK到服務器。服務器接到此包后，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，三次握手完成。

在倉庫中，智能手機可以和樹莓派連接同一個局域網，通過Socket通信，不用接入互聯網就可以實現智能手機對樹莓派的控制。

圖2 三次握手示意圖

4.總結

本文設計提出了一種基于樹莓派的智能倉庫系統方案，可以有效彌補傳統倉庫管理系統的弊端，使倉庫管理變得更加簡單快捷，也提供了倉庫安全檢測功能。此外，該系統方案的主要特點是造價低廉，符合企業節省成本的需求，有助于大量中小企業實現智能化，通過手機端就可遠程監測和控制倉庫中的硬件部分，極大提高了倉庫的智能化。同時，系統操作方便，易于升級，具有較大的推廣應用潛力。

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