基于树莓派的智能仓库系统设计

作者/刘宇昂，南京市第二十九中学

基于树莓派的智能仓库系统设计

作者/刘宇昂，南京市第二十九中学

随着时代的发展，人们生活水平的提高，社会需要提高生产效率，一系列智能产品应运而生。本文以开源的树莓派作为主控核心，设计了一款新型智能仓库系统。该系统中树莓派不仅可以实现仓库环境参数的检测，控制通风设备、出入门禁和温湿度调节装置，同时又充当服务器端的角色，客户端和服务器端之间采用socket进行通信，完成控制指令的发送和接收，并通过移动通信模块与远程客户端实现双向通信，实现。

树莓派；智能仓库；远程操控

引言

近年来，随着社会经济的快速发展，以智能手机和平板电脑为代表的智能化终端已经迅速普及，基于宽带无线互联网的新业务和应用也不断涌现。对于工业界而言，如何充分利用现代信息技术来进一步提高生产效率，降低成本和提高产品竞争力已经成为关注的热点。特别是随着仓库的智能化管理在产业链中对资源配置速度及劳动时间影响的日趋增加，企业对于仓库的智能化管理要求不断提高。但是已经提出的产品或解决方案普遍存在着若干缺点，致使一些小型企业无法实现智能化，包括部分系统造价昂贵，操作复杂，企业花费巨大。其次，市面上的控制系统和仓库设备之间的接口、通信协议等多种多样，尚未形成统一化的标准，使得仓库设备模块化式地管理难以顺利进行。针对以上问题，本论文设计并提出一种新型智能仓库方案，具有造价低廉，操作方便、智能程度高，功能多样以及高效管理的优点。

1.系统总体框架设计

本文提出了一种以树莓派为主控核心的智能仓库系统架构，基本架构如图1所示。树莓派为该系统主控核心，各类仓库设备均以模块化的形式由其进行统一化管理。仓库内的环境由各类传感器监控。收到温湿度传感器的反应后，树莓派控制各类仓库设备，通过固态继电器，驱动电机的运转，开启通风设备，压缩机 ，从而改变内在环境温度湿度。

同时，该系统中树莓派又充当服务器端的角色，用于接收手机客户端发送的控制指令，并根据不同的控制指令改变相对应仓库设备的工作状态，可用于操控门禁。同时加入红外报警系统，人体红外传感器检测到入侵者后，利用GSM发送信息至手机端，可起防盗，保护仓库安全的作用。而客户端和服务器端之间采用Socket进行数据通信。

2.主要硬件设计

■2.1 树莓派

树莓派是Raspberry Pi的中文译名，是一种卡片式电脑，其系统基于 Linux，具有PC的所有基本功能，已经被广泛用于Web 服务器、家庭自动化、多媒体中心和NAS 服务器等场景，其主要优点为低功耗、低成本、开放。本文采用树莓派作为整个系统的服务器端，并在树莓派上安装ubuntu14.04操作系统。

图1 总体框架图

■2.2 温湿度传感器

系统采用一款含有校准数字信号输出的温湿度符合传感器，能够实现对仓库环境的实时监测。精度湿度 ±5%RH， 温度 ±2℃，量程湿度 20～90%RH， 温度0℃～50℃。该传感器共有三根引脚，VCC引脚接正极3～5.5V的电压，GND引脚与树莓派的GND引脚接在一起，两者共地，DATA引脚与树莓派GPIO4接口相接，将数字信号的数据传输至树莓派内部 。

传感器有低功耗模式和高速模式，当树莓派发送信号后，传感器进入高速模式，信号结束后，传感器发送响应信号给树莓派，在树莓派中进行数据的读取。

■2.3 人体红外传感器

人体红外传感器用于入侵监测，本方案中选用HC SR501人体红外传感器。由于自身不发任何类型的辐射，具有器件功耗小，价格低廉，隐蔽性好的优点。

HC–SR501具有全自动感应功能。当有人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平，由此可以检测是否有外来者入侵，从而起到防盗报警作用。HC–SR501还能由光敏控制。白天偷盗较少，从节约能源原则出发，设置白天不感应。

本文选择了HC–SR501可重复触发方式，当传感器感应后输出高电平，在延时时间区间内，如果有人出现在传感器感应范围内，则传感器输出将一直保持高电平，在感应物体离开检测范围后，通过延时将高电平转变为低电平。

■2.4 GSM模块

为了解决传统有线方式仓库管理系统中遇到的因恶意剪断线路而使系统失去报警功能的问题，本系统中采用移动通信模块报警。

华为GTM900C是一款双频900/1800MHz高度集成的GSM/GPRS模块，灵巧轻便。其内嵌TCP/IP协议模块，使用简单，易于集成。

根据GSM模块的数据文档和树莓派的针脚定义，将对应的管脚连接起来，树莓派上所谓的top和bottom指的是树莓派GTL针脚的两排，bottom是靠近SD卡的一侧，GSM上的TXD连接树莓派上的RXD，GSM上的RXD连接树莓派上的TXD。

■2.5 固态继电器

固态继电器是一种由固态电子元件组成的开关元件，主要利用了电子元器件的点、磁和光特性来将输入与输出进行隔离，利用三极管、功率场效应管、单项可控硅和双向可控硅的开关特性，实现电路的接通和断开。

固态继电器具有高寿命，高可靠，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好等优点，已成为现代电路中常常使用的开关元件。

取两根跳线，把其中一根连接到树莓派上的 GPIO24（18号引脚），另一根连接 GND 引脚，然后将GND 连接到继电器上的 GND，GPIO 输出线连接到继电器的通道引脚号，可以控制电机驱动，进而驱动压缩机，开启通风设备。

3.主要软件设计

■3.1 内网与外网概念

内网，也称局域网。是指在一个局部的范围内，一般是方圆几千米以内（像是学校或是单位），将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。

外网，也称广域网，远程网。其覆盖的范围比局域网大，能达到几十公里甚至上千公里，能连接多个城市甚至国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

■3.2 路由器端口转发

在仓库中路由器接入到Internet可直接访问树莓派。但当管理员不在仓库外出时，无法直接访问；这时可以在路由器上设置转发端口，来解决外网不能访问内网的问题。

以TP–LINK路由器为例，简要步骤如下：

S1：在浏览器上打开默认网关地址，然后回车会弹出对话框要求登陆。

S2：找到 “转发规则”中的“虚拟服务器”。

S3：进入“添加新条目”，服务端口号填写需要映射的端口，IP地址填写树莓派的IP地址，其他选项默认，然后保存，完成。

■3.3 socket通信

Socket通信是网络中计算机进行通信的一种方法，它实现了两个程序通过一个双向通信连接的数据交换，连接的一端被称作一个socket。

socket使用TCP/IP协议通讯。其中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接。如图2所示，第一次握手，客户端尝试连接服务器，发送SYN包到服务器，等待服务器端确认。第二次握手，服务器端接收到SYN包，并发送一个SYN+ACK包到客户端，等待客户端确认。第三次握手，客户端接收到SYN+ACK包，发送确认包ACK到服务器。服务器接到此包后，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，三次握手完成。

在仓库中，智能手机可以和树莓派连接同一个局域网，通过Socket通信，不用接入互联网就可以实现智能手机对树莓派的控制。

图2 三次握手示意图

4.总结

本文设计提出了一种基于树莓派的智能仓库系统方案，可以有效弥补传统仓库管理系统的弊端，使仓库管理变得更加简单快捷，也提供了仓库安全检测功能。此外，该系统方案的主要特点是造价低廉，符合企业节省成本的需求，有助于大量中小企业实现智能化，通过手机端就可远程监测和控制仓库中的硬件部分，极大提高了仓库的智能化。同时，系统操作方便，易于升级，具有较大的推广应用潜力。

＊ [1]苏祥林，陈文艺，闫洒洒.基于树莓派的物联网开放平台[J].电子科技, 2015, 28(9): 35-37.

＊ [2]刘继元. 基于树莓派的物联网应用[J]. 电子世界, 2016 (8):24-25.

＊ [3]余华芳, 罗建旭, 蔡张盛, 杨海. 基于51单片机智能排插的设计与实现[J].自动化与信息工程2011(01): 31-33+45.

＊ [4]田俊英. 基于51单片机的温室测试系统的设计与实现[J].现代电子技术2007(10): 15-17.

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