基于物联网的仓储安防与库存管理系统的设计与实现

徐 聪，殷 超

（九江学院，江西 九江 332005）

0 引言

仓库作为企业的物料、产品存放地对于大小企业的重要性都是不言而喻的。如何提高其安全系数与使用效率便成了重中之重。

传统的安防措施主要以安保人员实时查看视频监控、定时库内巡察等手段达到安防目的，库存管理则以人工录入、登记为主。实时监控受限于人体机能，长时间观看视频画面往往使得安保人员精神疲惫，监测效果不达预期，定时库内检查也将带来监管风险，对于室内火灾等突发情况人工查看往往为时已晚。人工录入管理物品信息常因登记混乱造成财产损失，存储空间也无法合理利用。

近年来，物联网技术飞速发展，已经成为信息技术的重要组成部分之一，被广泛运用于生产与管理，极大地提升了各个相关行业的生产、运营效率。基于物联网的仓储安防与库存管理系统的设计研究意义便是将物联网技术运用于仓储安防与库存管理，在仓库内安放传感装置结合传统的视频监控，实现库内空间的细致化管理，大大减少人工成本、减少安全隐患，通过物品出入库自动化管理提高仓储空间的使用效率。

1 系统硬件设计方案

1.1 系统整体硬件框架

本系统底层采用 STM32F103C8T6开发板和集成模块进行数据采集，使用ATK-ESP8266模块实现各个结点间的数据传输。ATK-ESP8266模块接收到数据后再通过网络将数据发送到Tomcat服务器，在手机端与PC端都可以对Tomcat后台MySQL数据库进行管理。系统硬件主要分为两个功能实现，一个是以RFID、红外感应、温度感应为主的安防功能：RFID进行身份识别，在未识别身份的时间内红外感应检测到人员靠近时会触发蜂鸣器警示安保人员查看异常情况，温度传感器用于防火监测，温度高于阈值也将出发蜂鸣器报警；一个是以RFID与GM65结合的库存管理功能：RFID提供人员信息，GM65提供物品信息，两者结合将提供完备的产品出入库信息。整体硬件框架如图1所示。

图1 整体硬件框架图

1.2 传感数据采集与模块控制设计

本系统底层硬件由集成开发板与所需传感器构成。主开发板搭载了STM32主控芯片，使用杜邦线与各传感器相连接，实现各传感器的数据采集与模块控制。传感器按功能需求集成在多块不同的开发板上，实现安防功能的传感器主要有温度传感器、红外传感器、蜂鸣器、Esp8266模块，实现库存管理功能则涉及RFID与扫码模块。

（1）STM32芯片作为核心对模块上传的信号进行反应、驱动模块工作、控制信息上传。本系统采用的STM32芯片为STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器、主频72MHZ、程序存储器容量是64KB、I/O口37个、定时器4个、串口3个、IIC接口2个、SPI接口1个、USB接口1个、供电电压 2V～3.6V，工作温度为-40°C～ 85°C。

（2）温度传感器作为环境温度采集的主要模块，实时监测环境温度，温度传感器会实时传输监测值，报警阈值在主程序代码中设置，由STM32主控芯片进行控制。当环境温度超过设置的阈值时，触发报警信号。本系统中的温度传感器采用的是DHT11温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器含有已校准数字信号输出，应用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术。产品具有高可靠性与稳定性等特点。传感器中包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并配套搭载了一个高性能8位单片机。在每个DHT11的 OTP内存中都存储着在极为精确的实验室中校准的标准系数，这些标准系数在传感器进行数据采集的过程中用于数据校验。温度传感器采用的单线制串行接口，也使系统集成变得更加的简单快捷。在其他方面超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上等特点也使得DHT11广泛运用于生活生产中的方方面面。

（3）红外传感器进行入侵监测，当监测区域中有人员活动时触发异常信号，STM32主控芯片接收到异常信号后触发蜂鸣器报警。红外传感器使用的是 HC-SR501人体红外传感器。HC-SR501是一款基于红外线技术的自动控制红外传感模块，采用LHI788探头设计，拥有灵敏度高、可靠性强等产品特点。具有全自动感应、光敏控制、两种触发方式（不可重复/可重复）、感应输出封锁等功能。

（4）蜂鸣器为主要报警装置，由STM32主控芯片进行控制。在传感器监测到环境异常时会发送报警信号于主控芯片，主控芯片接收到报警信号便控制蜂鸣器报警，达到警示效果，提醒安保人员查看。蜂鸣器采用的是无源蜂鸣器。无源蜂鸣器的产品特点是内部不带震荡源，需要使用变频方波来驱动、声音频率可控、低电平触发。

（5）RFID模块的主要功能是读取IC卡的卡内信息，卡内信息由管理人员在员工注册时进行写入，进行身份识别时需员工将IC卡靠经RFID读卡模块进行身份识别，识别成功后，RFID将识别到的信息传送至STM32主控芯片。主控芯片将传送过来的信息与员工数据库中的信息进行比照，若信息符合则进行后续功能、若不符则发送报警信号，控制蜂鸣器报警。RFID模块采用的是MFRC-522射频感应模块。模块广泛应用于13.56MHz频段的非接触式通信、支持ISO14443A的多层应用、与主机间的通信使用的是连线较少的串行通信方式。

（6）扫码模块主要应用于货物的出入库操作。将每个货物贴上特制的条形码或二维码，在货物进行出入库时仅需扫码进行即可，无须手工录入，提高货物出入库的便捷性、信息录入的准确性。录入的信息将通过ESP8266模块直接上传至 PC端后台的数据库。扫码模块使用的是MJ-2060模块。MJ-2060模块拥有500次/秒的条形码扫描速率，处理为ARM Cortex 32位处理器。

（7）Esp8266用于数据交互，实现人员信息与货物信息的传输。在安防功能的实现上在员工信息录入时将读取到的员工信息进行上传，在系统启动时通过Esp8266下载员工信息。库存管理功能实现，出入库功能时通过Esp8266进行数据上传，货物查询时通过Esp8266进行数据下载。Esp8266是一款面向物联网应用的高性价比、高集成度的Wi-Fi MCU。Esp8266使用的是正点原子的 ATKESP8266。ATK-ESP8266集成了32位 Tensilica处理器、低噪放大器、天线开关、标准数字外设接口、射频balun、过滤器、功率放大器和电源管理模块等丰富的硬件资源，占PCB空间低，内置超低功耗Tensilica L106 32位处理器，CPU时钟速度高达160MHz，支持实时操作系统（RTOS）和Wi-Fi协议栈，80%的处理能力可用于应用编程和开发。性能稳定、高度集成、低功耗等特点使其广泛应用于生活与生产中的移动设备、可穿戴电子设备和物联网应用。

2 系统软件设计方案

系统软件设计主要包含各传感器模块软件设计、服务器设计Android手机客户端设计、Web端的后台系统设计这四个部分组成。

2.1 各传感器模块的软件设计

（1）STM32F103C8T6开发板软件设计：采用uVision5软件进行设计，使用库函数进行开发，需安装stm32F10x固件库。

（2）温度传感器软件设计：本系统所使用DHT11温湿度传感器拥有三个引脚，一个电源、一个接地、一个传输数据。传输数的为DATA引脚，用于微处理器与DHT11之间的通讯,采用单总线数据传输格式，一次通讯时间4ms左右,传输的数据分为小数部分和整数部分。数据格式为8bit湿度整数数据8bit湿度小数数据、8bit温度整数数据、8bit温度小数数据加上8bit校验和，共40bit数据。传输数据的值是比特0还是比特1由DATA输出高电平的时间进行判断，50us低电平加26us-28us高电平输出表示比特0，50us低电平加70us高电平输出表示比特1。

（3）红外传感器软件设计：HC-SR501模块拥有三个引脚，一个电源、一个接地、一个传输数据。HC-SR501模块的监测范围大约为7米，在有人进入其感应范围内时便会输出高电平，对其软件设计只需监测相应引脚的电平即可。

（4）蜂鸣器软件设计：无源蜂鸣器模块拥有三个引脚，一个电源、一个接地、一个传输控制信号。无源蜂鸣器本身不具备震荡源，简单使用直流信号是无法使其工作的，必须使用变频的方波来驱动它。这里我们可以使用PWM（PulseWidthModulation），脉冲宽度调制技术来实现，并且可根据不同的警示事件设置不同的鸣叫响度和曲调。

（5）扫码模块软件设计：MJ-2060扫码模块集成度较高在使用过程中仅需使用USB进行数据传输，而选用的STM32核心拥有此资源，仅需使用相应库函数进行数据接收、处理即可。

（6）Esp8266软件设计：ATK-ESP8266拥有六个引脚，分别是RXD、TXD、GND、VCC、RST、IO_O，过程中使用到的为RXD、TXD、GND、VCC。设计中使用的是AT指令开发，使用AT指令的前提条件是需要向Esp8266中烧写 AT固件，而后才能通过一系列 AT指令建立连接。Esp8266的软件设计实际也就是编写STM32中的代码，使AT指令数据通过USB的数据传输功能传输至Esp8266的模块，以此达到控制目的，促使设备连接。在设备连接之后再跟具业务的不同需要选择相应的工作模式。

2.2 服务器和数据库的设计

本系统的云层服务器采用的是Tomcat服务器。Tomcat服务器是一个开放源代码的Web应用服务器，使用过程中无须额外费用，属于轻量级应用服务器，广泛运用于中小型系统和并发访问用户不是很多的场合，当之无愧成为小型系统开发与调试JSP程序的首选服务器。通过Tomcat可以使底层硬件读取的信息能够在APP中显示出来。底层硬件读取到的信息经过处理后按一定格式存放到 My-SQL数据库当中。MySQL作为一种时常被运用于各种开发场景的关系型数据库管理系统，可以将数据保存在不同的表中，避免将所有数据放在一个大数据表内，增加了速度并提高了灵活性。

在数据库的信息处理方面，本系统一共使用了三张数据表，分别是入库物品表、出库物品表、人员信息表。

本系统中该层的设计完成的主要功能如下：

（1）以上述三张表为基础创建数据库，为将来的人员管理、物品出入库管理提供条件；

（2）实现传感器获取数据传输到系统服务器端；

（3）实现手机端与系统服务器端间通信。

2.3 客户端设计

客户端分为一般模式与管理员模式，一般模式的主要功能是查询物品信息，对在库、入库、出库的物品进行统一管理；管理员模式则对库房人员信息进行管理，包括人员的增加、删除，信息的更改、查询。

一般模式的功能需要使用RFID卡片进行身份识别，识别成功后才能使用。入库时，系统将以RFID识别对应的人员信息、MJ-2060扫码识别的物品信息、当下时间作为信息传送至云端，仓管人员可在APP端进行实时查看。出库时，取货人也需RFID进行身份确认，再进行提货，出库操作完成后，云端系统将入库表中的信息转存至出库表，并在出库表中添加取货人员信息、出库时间。

客户端提供Web端与Android移动端两种支持方式，两者信息同步更新。

3 结语

本系统综合使用了物联网底层硬件感知、物联网云层服务器和数据库设计、Android客户端设计等技术，实现了仓储安防与库存管理的一次性解决，极大地减少了人工成本、提高仓储安防的效率、降低物品丢失可能性、降低财产损失。安防方面利用了现有的大部分安防监控的基础，使得大部分企业无须投入过多成本便可提升安防等级。库存管理方面，通过物品的分区存放，APP端查看存放信息，可极大提高存取效率。经过系统测试与完善最终确定已经完成系统最初的设计目标。