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“博世杯”物联网创意设计大赛设计文档目录
目录
摘要 I
第一章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.1.1 概述 1
1.2 所涉技术发展现状 1
1.2.1 国内外技术发展 1
1.2.2 存在的技术问题 1
1.3 创新点 1
1.3.1 主要解决的问题 1
1.3.2 设计内容简介 2
1.3.3 文档框架 2
第二章 实现方案 3
2.1 二级标题 3
2.1.1 三级标题 3
2.1.2 三级标题 3
2.1.3 三级标题 3
参考文献 4
致谢 5
-IV-
“博世杯”物联网创意设计大赛设计文档第一章
第一章绪论
1.1设计背景
随着经济的迅猛发展,全世界范围内贸易量的不断加大,对企业的生产经营效率提出了更高的要求。
企业必须利用各种先进制作技术,在网络和信息技术的支持下,不断改进现有生产经营模式套路和组织结构,才能适应不断提高的生产节奏,赢得更多的市场份额。
仓储在企业的整个供应链中起着至关重要的作用,特别是如今随着经济的发展规模的扩大,全球化的趋势日益加深。
如果不能保证正确的进货和库存控制及发货,将会导致管理费用的增加,服务质量难以得到保证,从而影响企业的竞争力。
传统、简单与静态的仓储管理已无法保证企业各种资源的高效利用,仅靠人工记忆和手工录入,不但费时费力,而且容易出错,给企业带来巨大损失。
此项作品的出现恰好解决了此问题。
1.1.1三级标题
1.1.2三级标题
1.2所涉技术发展现状
1.2.1国内外技术发展
日本:
打造“无所不在”的便利社会
日本在2004年推出了基于物联网的国家信息化战略U-Japan。
“u”代指英文单词“ubiquitous”,意为“普遍存在的,无所不在的”。
该战略是希望催生新一代信息科技革命,实现无所不在的便利社会。
U-Japan由日本信息通信产业的主管机关总务省提出,即物联网(泛在网)战略。
目标是到2010年把日本建成一个充满朝气的国家,使所有的日本人,特别是儿童和残疾人,都能积极地参与日本社会的活动。
通过无所不在的物联网,创建一个新的信息社会。
日本现在已经将物联网技术合理的运用到仓库系统管理上。
美国:
作为振兴经济的“新武器”
奥巴马总统就职后,积极回应了IBM公司提出的“智慧地球”的概念,并很快将物联网的计划升级为国家战略。
该战略一经提出,在全球范围内得到极大的响应,物联网荣升2009年最热门话题之一。
奥巴马将物联网作为振兴经济的两大武器之一,投入巨资深入研究物联网相关技术。
无论基础设施、技术水平还是产业链发展程度,美国都走在世界各国的前列,已经趋于完善的通信互联网络为物联网的发展创造了良好的先机。
美国《经济复苏和再投资法》提出,从能源、科技、医疗、教育等方面着手,通过政府投资、减税等措施来改善经济、增加就业机会,推动美国长期发展。
其中鼓励物联网技术发展政策主要体现在推动能源、宽带与医疗三大领域上。
例如,得克萨斯州的电网公司建立了智慧的数字电网。
这种数字电网可以在发生故障时自动感知和汇报故障位置,并且自动路由,10秒钟之内就能恢复供电。
该电网还可以接入风能、太阳能等新能源,有利于新能源产业的成长。
相配套的智能电表可以让用户通过手机控制家电,给居民提供便捷的服务。
1.2.2存在的技术问题
1.3创新点
1.3.1主要解决的问题
本项目设计的仓库管理自动化系统能够有效地实现企业产品管理的系统化、规范化和智能化,从而提高企业管理效率。
它可以完全取代原来一直人工检查校验仓库各项货物库存量的方式,避免由于工作人员的工作疏忽以及管理质量问题所造成的各种错误,为及时、准确、高效的完成仓库管理提供了强有力的工具和管理手段。
整个系统由硬件部分和上位机数据库软件两部分构成。
1.3.2设计内容简介
本设计可实现对仓库信息的快速、高效、省时、省力的检查校验。
在完成了一次全库检查之后,只需在终点处防止标志物车辆就可以自动掉头、停车并且进入空闲模式,在下次需要检查全库时,可通过上位机发送指令将其唤醒,便可进入正常运行,符合低功耗要求。
本设计程序思路清晰,硬件结构简单,系统稳定性高,适合大多数情况下的仓库信息管理。
1.3.3文档框架
本文共分为章,每章的主要内容如下:
第一章:
系统方案
第二章:
功能与指标
第三章:
实施原理及过程
第四章:
硬件框图
第五章:
调试与结果
第六章:
……
17
“博世杯”物联网创意设计大赛设计文档第二章
第二章系统方案
2.1系统方案结构
实验模拟环境为我们自行制作模拟的仓库环境,考虑到实际仓库中规模和具体环境上的差异,所以这里的方案只是一个大体流程。
根据不同仓库的不同环境,行车路线设计可能会
有所不同。
图1系统整体方案
由图1所示,循迹车通过红外蔽障模块识别路径,沿固定路线行驶做到遍历货物,行驶过程中当无线射频识别设备寻卡成功时,循迹车停车并读取卡中数据。
读取成功后,车辆启动继续行驶,同时将读取到的货物信息传送至上位机,当车辆检测至终点时可以自动停车,整个系统进入空闲状态以尽量减小功耗。
上位机收到的货物信息可以存入数据库中,并生成EXCEL格式报表,管理员可以在任意时刻阅览某一日期或者某一周的报表信息。
在货物进出存取时,运输工人可通过手持设备更改IC卡中的信息。
第三章功能与指标
3.1电源模块
系统需要统一的5幅的直流稳压电源,利用蓄电池提供7.2V直流电源,并利用LM2940稳压芯片和滤波电路,实现系统稳定的5V直流稳压电,为单片机、射频电路以及无线传输电路提供电源。
3.2蓝牙通讯模块
利用蓝牙技术实现对传统串口线的代替,室内50米范围内实现0误差信息传输,蓝牙核心模块不加任何外围电路(比如LED,MAX3232等),室内10米范围内,无明显隔离障碍(比如密封墙,金属墙),无强烈电磁干扰(比如超过100个蓝牙同时工作的环境),蓝牙模块与适配器频点标准一致(假设厂家的蓝牙适配器的频点是非常统一精准的情况下,一般正规的手机蓝牙以及正品的蓝牙适配器的蓝牙频点认为是符合标准的),蓝牙模块天线附近无吸收信号的走线、装置等(如天线下方PCB板有铺地的情况是不在测试范围内的)。
3.4非接触式读卡器
MFRC522可以随时对Mifare1型IC卡进行读写操作,在循迹车行驶时,经过存储着对应货物信息的IC卡时在50ms内读出相应数据,其数据格式为:
六位字符货物编号六位字符货物名称三位字符仓储量
3.5电机驱动模块
驱动芯片为L9110两通道推挽式功率放大专用集成电路器件,输入信号电流为150mA,最大输出电流为800mA。
微控制器与其信号端连接需加10k强上拉电阻,信号为PWM(脉冲宽度调制)信号,做到对小车行驶动作的控制。
3.6红外对管检测模块
可实时监控模块发射方向中物体的出现及消失,比较器参考电压可调节的特点使之可以改变其要监测的距离,信号为TTL电平。
3.7循迹车行驶控制
使车在不同的仓库环境中根据货物摆放有着不同的固定行驶路线,小车中线与车辆两端货柜的距离不超过10cm,以保证无线射频读写模块准确无误的读取IC卡内信息。
本设计中我们模拟的仓库环境如图所示。
货柜
图2行车线路
3.8软件
上位机可以将收到的数据保存到数据库中。
其后,为了方便管理,添加了一个可以生成报表的模块,即生成一个DATA.XLS文件。
然后,通过进一步的思考,我们认识,既然是做一个仓库管理系统,那么我们就应该可以准确的获取仓库库存量的信息,最终我们决定以时间为参考,基于每天的时间来对数据进行分开处理。
第四章实施原理及过程
4.1非接触式读卡技术
MCRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员,是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片,是只能仪表和便携是手持设备研发的较好选择。
MCRC522利用了先进的调制和解调概念,完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。
支持ISO1443A的多层应用。
其内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO1443A/MIFARE卡和应答机的通信,无需其它的电路。
接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路,用于处理ISO1443A兼容的应答器信号。
数字部分处理ISO1443A帧和错误检测(奇偶&
CRC),此外,它还支持快速CRYPT01加密算法,用于验证MIFARE系列产品。
MFRC522支持MIFARE更高速的非接触式通信,双向数据传输速率高达424kbit/s。
作为13.56MHz高集成度读写卡系列芯片家族的新成员,MFRC522与MFRC500和MFRC530有不少相似之处,同时也具备诸多特点和差异,它与主机间的通信采用连线较少的串行通信,且可根据不同的用户需求选取SPI、I2C或串行UART模式之一,有利于减少连线,缩小PCB板体积,降低成本。
特性:
◆高集成度的调制解调电路;
◆采用少量外部器件,即可将输出驱动级接至天线;
◆支持ISO/IEC14443TypeA和MIFARE&
reg;
通信协议;
◆读写器模式中与ISO14443A/MIFARE&
的通信距离高达50mm,取决于天线的长度和调谐。
◆支持ISO14443212kbit/s和424kbit/s的更高传输速率的通信。
◆支持MIFARE&
Classic加密;
◆支持的主机接口:
-10Mbit/s的SPI接口
-I2C接口,快速模式的速率为400kbit/s,高速模式的速率为3400kbit/s
-串行UART,传输速率高达1228.8kbit/s,帧取决于RS232接口,电压电平取决于提供的管脚电压
◆64字节的发送和接收FIFO缓冲区;
◆灵活的中断模式;
◆可编程定时器。
◆具备硬件掉电、软件掉电和发送器掉电3种节电模式,前两种模式雷同于MFRC500和CLRC400,其特有的“发送器掉电”则可关闭内部天线驱动器,即关闭RF场;
◆内置温度传感器,以便在芯片温度过高时自动停止RF发射;
◆采用相互独立的多组电源供电,以避免模块间的相互干扰,提高工作的稳定性;
◆具备CRC和奇偶校验功能,CRC协处理器的16位长CRC计算多项式固定为:
x16+x12+x5+1,符合ISO/1EC14443和CCTITT协议;
◆内部振荡器,连接27.12MHz的晶体;
◆2.5~3.3V的低电压低功耗设计;
◆工作温度范围-30~+85℃;
◆5mm×
5mm×
0.85mm的超小体积。
4.2蓝牙模块简介
(1)采用CSR主流蓝牙芯片,蓝牙V2.0协议标准
(2)串口模块工作电压3.3V。
(3)波特率为1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200用户可设置
(4)核心模块尺寸大小为:
28mmx15mmx2.35mm。
(5)工作电流:
40MA
(6)休眠电流:
小于1MA
(7)用于GPS导航系统,水电煤气抄表系统,工业现场采控系统。
(8)可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接
蓝牙通讯具有高可靠性、低错误率、相对远的传输距离的特点,适用于工业现场中。
4.3MYSQL数据库软件
MySQL是一个开放源码的小型关联式数据库管理系统,开发者为瑞典MySQLAB公司。
目前MySQL被广泛地应用在Internet上的中小型网站中。
由于其体积小、速度快、总体拥有成本低,尤其是开放源码这一特点,许多中小型网站为了降低网站总体拥有成本而选择了MySQL作为网站数据库。
系统特性:
(1)使用C和C++编写,并使用了多种编译器进行测试,保证源代码的可移植性
(2)支持AIX、FreeBSD、HP-UX、Linux、MacOS、NovellNetware、OpenBSD、OS/2Wrap、Solaris、Windows等多种操作系统
(3)为多种编程语言提供了API。
这些编程语言包括C、C++、Python、Java、Perl、PHP、Eiffel、Ruby和Tcl等。
(4)支持多线程,充分利用CPU资源
(5)优化的SQL查询算法,有效地提高查询速度
(6)既能够作为一个单独的应用程序应用在客户端服务器网络环境中,也能够作为一个库而嵌入到其他的软件中。
(7)提供多语言支持,常见的编码如中文的GB2312、BIG5,日文的Shift_JIS等都可以用作数据表名和数据列名。
(8)提供TCP/IP、ODBC和JDBC等多种数据库连接途径。
(9)提供用于管理、检查、优化数据库操作的管理工具。
(10)支持大型的数据库。
可以处理拥有上千万条记录的大型数据库。
(11)支持多种存储引擎。
第五章硬件框图
控制信号
路径信息
继电器控制通断
供电
MCU及通讯电源
MCU
蓝牙通讯
驱动及光电管循迹电源
电机及驱动
光电管循迹
读卡模块
数据库存储信息
图3系统硬件框图
由图3所示,系统的硬件设计分为电源模块、无线射频识别模块、蓝牙串口模块、红外传感器和微处理器系统。
电源模块有LM2940-5.0T、LM1117-3.3和滤波电路组成,输出5V和3.3V直流。
射频识别模块为MFRC522,通过SPI四线总线与微处理器进行数据和命令传输。
蓝牙串口模块的作用为替代传统串口线,同过蓝牙适配器和PC机进行交流。
系统选用的微处理器为msp430f149单片机。
第六章系统方案论证与比较
6.1蔽障模块
蔽障模块决定了小车能否按正确轨迹于仓库中行驶,是本设计功能实现的基础,选择正确的蔽障方式尤为重要。
方案一:
超声波蔽障。
通过超声波可准确测出车体与周围物体的距离和物体形状。
为节省资源可用舵机控制超声波模块定轴转动监视车体周围情况。
程序控制略为复杂,占用片内资源较多,不能实时对车体周围360度范围进行监控。
方案二:
红外接收发射模块。
可实时监控模块发射方向中物体的出现及消失,比较器参考电压可调节的特点使之可以改变其要监测的距离,信号较为简单,就是简单的5v和0v的高地电平的变化,价格低廉,程序简单,较为适用于本系统的循迹功能。
6.2直流电机驱动模块
能否选择正确的直流电机驱动方式决定小车能否正常工作,是本设计功能实现的基础
L298N。
L298N为通用全桥驱动芯片,在飞思卡尔校区赛中使用较为广泛,价格低廉,驱动性能不高,死区出现概率较大,工作不稳定。
BTS7960以其内阻小、驱动电流大的特点而在全国飞思卡尔智能汽车竞赛中广泛使用。
适用于电流驱动的大电流高集成芯片,去内部带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的底边MOSFET和一个驱动IC,驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死去时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护功能。
驱动直流电机有着很好的效果,唯一不足是价格太高。
方案三:
L9110L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件,将分立电路集成在单片IC之中,使外围器件成本降低,整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性;
两个输出端能直接驱动电机的正反向运动,它具有较大的电流驱动能力,每通道能通过750~800mA的持续电流,峰值电流能力可达1.5~2.0A;
同时它具有较低的输出饱和压降;
内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流,使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。
L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。
价格适中,适合于本设计使用。
6.3上位机与下位机之间串口连接控件的选择。
选用MSCOMM控件,该控件的可利用的程度不高,执行的效率的略低,并且使用的广泛程度不高,故未选用。
选用serpial控件,该控件的属性少便于利用,执行程度高,易上手,并且使用的难度较低,故选用。
6.4数据库的选择。
ACCESS。
因其逐渐退出人们的视野,使用面窄,故未使用
MYSQL。
使用简单,容易上手,与C#的连接契合性高,故使用
第七章调试与结果
7.1msp430单片机编程
在硬件调试过程中,程序无疑使最重要的。
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。
称之为混合信号处理器,是由于其针对实际应用需求,将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片机”解决方案。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。
msp430系列单片机具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富、超低功耗、方便高效的开发环境的特点。
7.2小车循迹的调试
在本设计中,设计者采用MCU通过红外收发模块检测周围物体后处理信息已达到循迹蔽障的效果。
红外收发模块原理较为简单,采用LM393比较器处理红外接收管所采集的信息,红外发射管的物理特性表现为:
当接收管所接收到的红外线光强越强则阻抗越小,反之则阻抗越大。
比较器正相输入端采集红外接收管电压与电位器电压比较,而电位器的调节则可理解为通过调节基准电压以调节接收管灵敏度。
本模块操作简便,在程序上采用查表法实现其循迹功能,经调试后效果良好。
7.3MF522无线射频模块调试
本设计中应用mf522的SPI通讯模式,由微处理器程序模拟协议时序实现正常通讯。
经寻卡、防冲撞处理、选定卡片、验证卡片密码等过程,后可获取或者写入数据。
7.4转弯角度调试
转弯角度调试中,一开始的想法是利用陀螺仪测定转过角度,后因陀螺仪使用复杂且价格昂贵,后决定使用车模自带的光电门在电机转动的同时获得相应脉冲,用单片机的T2定时器计数,通过串口显示出脉冲数以大概计算出脉冲数和角度的比值,便可粗略控制小车转过的角度,经测试,这一方法简单有效。
第八章软件设计
一、软件介绍:
本次作品的上位机实现,是通过运用C#语言进行实现的具有一定的数据接收与数据管理分析功能的一款软件。
一方面通过数据库,本次采用的数据库是MYSQL,来实现数据的大规模存储,并运用C#语言对其进行操作做一些简单的分析。
另一方面,软件与硬件结合的部分则是主要依靠C#的serpial控件,运用它来同下位机之间进行串口通讯。
设计思路:
起初就是简单的打算每一次启动设备,遍历过所有货柜之后,向上位机传输数据, 二、设计思路:
上位机可以将收到下位机读卡获得的数据并保存到数据库中。
其后,为了方便管理,添加了一个可以生成报表的模块,即生成一个DATA.XLS文件,还有一个利用PICTUREBOX绘制折现统计的模块。
我们这次设计的软件是按照月份来建立数据库,那么年份上就存在说到新年会出现的问题。
因此,我们也添加了一个提醒与删除数据库信息的模块。
三、具体实现过程:
1):
登陆模块:
我们建立的一个登陆模块,为的是限制权限不要让所有能够获得软件的人就可以操作该软件。
我们设置了账号密码与验证码三个信息确认的项目为的就是确保软件的安全性。
2):
自动建立表:
在程序进行时,我们会进行一次判断,判断当前月份所对应的表是否存在于数据库中,不存在即建立。
虽然这样做每次开启都需要进行一次判断,但是可以免去人工操作而会产生的错误。
3):
查询模块:
通过一个日历控件,可以对日期进行选择,在点击选择想要查询的日期时,软件会到数据库中查询,并找到相应月份名称的表,再从表中选择中对应的日期的。
这时查询,就有2种情况,一种是选择了今天之前包括今天的日期,这样无论该天是否有数据的变化都可以从数据库中得到正确反馈。
相反的,如果选了本月之后的日期,更或者是选择了本月之后的月份,那么或直接输出提示不能查询未来。
这样可以通过一个判断,优化对于数据库的操作。
4):
生成报表:
仍然是基于日历控件,选择了一个日期之后,我们会有这样以下三种情况:
第一、选择了本日之前的日期,第二、选择了本日的日期,第三、选择了本日之后的日期。
面对第一种情况,我们会判断该日的数据是否存在(如果没有启动设备检查,那么改日不会获得数据),若无则不允许生成该日的报表。
若数据存在,则会判断该报表是否已经被产生,理论上,我们不允许对于已经产生了的报表进行再次生成,所以若存在则会给出已经存在的提示,相反的若该日的数据存在且文件不存在,会生成一个该日的报表。
面对第二种情况,若是本日的数据存在,但是因为
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