基于数据库与物联网技术的智能仓库设计与研究

李 川， 刘洲洲， 李美蓉

（西安航空学院计算机学院，西安 710077）

0 引言

现代物流不仅涉及原料的采购过程，还包括产品制造、销售过程中的运输、保管等环节［1］，物流的目标是提高经济效益和运行效率、满足消费者的需求。现代物流朝着信息化、自动化、网络化、智能化、柔性化、标准化、社会化和共同化的方向发展［2］。仓储是现代物流的一个重要环节，仓储管理的效率对整个物流效率影响比重很大。如何提升现代物流中仓库管理水平是近年来一个研究热点，随着数据库技术、互联网技术、物联网技术和人工智能等技术不断发展，利用这些技术设计的智能仓库系统应运而生。各大物流公司及电子商务公司都建立了物流系统及智能仓库，这些系统标准化程度高、构建费用高，在很多中小型企业中并不适用［3］。中小型企业智能仓储的应用需求一般包括：存储物品的类型、厂商、单价和批次等信息，保证物品数据的采集效率和处理精度，及时准确获取库存信息，用户数量少但安全性要求高，根据物品出入库情况智能调整物品库存［4］，定期盘点物品库存，根据需求进行数据统计，打印出、入库单等报表［5］。

针对中小型企业仓储应用需求，基于数据库、互联网、物联网和人工智能等技术设计智能仓库系统。系统选用32 bit 系列微控制器芯片（STMicroelectronics32，STM32）单片机作为核心控制模块，搭载K210 人脸识别模块鉴别用户身份，使用多频识别卡522 系列（Multi-Frequency Read Card 522，MFRC522）无线射频身份识别（Radio Frequency Identification，RFID）的物品识别模块完成物品出入库管理；物品仓储信息管理采用结构化查询语言服务（Structured Query Language Server，SQL Server）数据库技术，应用软件系统采用C＃.NET 技术设计窗体应用程序，实现用户管理、物料类型管理、物品管理、库存盘点、数据统计、智能决策和报表打印等功能；硬件平台通过串口与应用系统全双工通信，通过人体生物特征识别与口令技术双重身份认证确保系统安全性。

1 智能仓库技术

智能仓库硬件系统主要包括STM32 控制器、MFRC522 物品识别模块、K210 人脸识别模块和仓库门禁电子锁舵机等，其结构如图1 所示。

图1 智能仓库硬件系统结构

1.1 STM32 控制器

采用STM32F103C8T6 作为智能仓库的主控模块，搭载其他应用模块。该系统结构可分为Cortex-M3 内核总线矩阵［6］、直接内存读取（Direct Memory Access，DMA）、先进的高性能总线（Advanced High _performance Bus，AHB）、高级外围总线1（Advanced Peripheral Bus 1，APB1）以及高级外围总线2（Advanced Peripheral Bus 2，APB2）上挂载的外设等部分，系统总线分为指令总线和数据总线，两种总线的独立设计提升了系统并行效率，具体系统结构如图2所示。

图2 STM32F103C8T6系统结构

1.2 MFRC522 芯片的物品识别

MFRC522 射频识别芯片用于智能仓库系统RFID物品识别，该芯片用于非接触式读写卡，具有集成度高、应用面广等特点［7］。MFRC522 包括发送和接收，其中发送利用调制和解调的原理，驱动读写器天线与非接触智能卡通信，可接收非接触智能卡的应答信号并进行解码处理［8］。MFRC522 还包括数据帧校验、奇偶校验、数据加密／解密。另外，MFRC522 包括多个寄存器，用于存储数据及状态控制。MFRC522 可相连串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）和串行通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）等微控制器接口，具有较强的兼容性，其体系结构如图3 所示。

图3 MFRC522体系结构

1.3 SQL Server数据库

智能仓库系统选用SQL Server 作数据库平台，它是一种关系型数据库系统，与Windows 系统具有良好的兼容性，具有较高性能及安全性［9］，常用于客户机／服务器（Client／Server，C／S）结构软件。SQL Server 提供数据定义、数据存储、数据操作、事务管理、数据维护和数据安全管理等功能［10］。

1.4 C＃.NET

.NET是一种技术平台，该平台支持多种语言的运行，包括C＃语言，选用C＃. NET 技术作为智能仓库系统的设计技术方案，是因为C＃. NET 与Windows 系统、SQL Server 数据库都具有良好兼容性，且采用C＃.NET 技术可非常方便、高效地开发Windows 窗口（Windows Form，WinForm）程序。系统采用SQL Server设计智能仓储系统数据库，主要包括用户表、物品表、物品类型表、入库表及出库表，使用C＃.NET设计系统的相关功能。

2 基于数据库与物联网技术的智能仓库

2.1 系统流程

系统需进行用户身份鉴别（用户人脸信息需要提前录入），身份鉴别成功后开启仓库电子锁，启动智能仓库应用软件系统，使用用户口令登录系统，选择出入库操作，采用RFID识别物品信息，并将物品信息通过单片机串口传输到软件应用系统，系统根据操作将数据保存在SQL Server 数据库，还可根据需要选择系统的其他功能，系统的总体流程如图4 所示。

图4 系统工作流程

2.2 用户身份双重鉴别

系统采用人体生物特征——人脸识别进行用户身份鉴别，人脸识别采用K210 芯片［11-12］，并基于MaixPy对人脸识别过程进行优化，人脸识别流程如图5 所示。

图5 优化人脸识别流程

基于口令的用户身份识别可采用静态密码和动态验证码的方式［13］，动态验证码需云平台支持，考虑到中小型企业实际情况，系统采用静态密码的方式，具体流程如图6 所示。

图6 用户口令验证流程

2.3 RFID识别物品

RFID 物品识别使用MFRC522 读取集成电路（Integrated Circuit，IC）卡信息，该模块支持串行I2C串口通信和串行UART 通信［14］。要识别的物品上配置M1非接触式IC卡［15］，每张卡上均有32 bit 唯一物品编号（Unit Identity Document，UID），卡内存储器最大容量可以是每一个8 KByte的带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM），MF RC522 与M1卡通信流程如图7 所示。MFRC522 可读取M1卡中的物品信息，但需区分入库与出库，才能将读取的物品信息记录到应用系统指定的数据表。通过STM32 及MFRC522 实现物品出入库流程如图8 所示。

图7 MFRC522与M1卡通信流程

图8 通过STM32及MFRC522实现物品出入库流程

2.4 基于C＃.NET的智能仓库系统

根据需求分析，设计数据模型，数据模型主要包括实体：用户、物品、物品类型、出库单和入库单等，数据模型及联系如图9 所示。

图9 智能仓库数据模型及联系

数据物理模型采用SQL Server 数据库存储，基于C＃. NET 平台设计WinForm 程序，采用. NET ActiveX数据对象（Activex Data Objects. NET，ADO. NET）技术访问SQL Server 数据库，通过串口与RFID通信，智能仓库应用系统主要功能包括用户管理、物品类别管理和物品管理等，功能结构如图10 所示。

3 智能仓库系统测试及分析

系统测试软硬件环境见表1。

表1 智能仓库系统测试环境

系统测试的主要功能包括人脸识别、物品识别、物品出入库、物品管理、物品类型管理、用户管理、库存盘点、数据统计、智能决策和报表打印，具体测试情况见表2。

表2 系统功能测试

4 结语

基于数据库、互联网、物联网和人工智能等技术设计智能仓库系统，系统分为硬件和软件部分，硬件部分利用物联网技术进行用户身份及物品信息识别，采用STM32 单片机作为智能仓库主控模块，搭载人脸识别模块鉴别用户身份，RFID 模块用于物品识别；软件部分采用SQL Server 数据库系统，应用软件系统采用C＃.NET技术设计Windows 窗体应用程序，主要功能包括用户管理、物品类型管理、物品管理、库存盘点、数据统计、智能决策和报表打印等；硬件平台通过串口与应用系统全双工通信，通过人体生物特征识别与口令技术双重身份认证确保系统的安全性。系统通过人脸识别进行用户身份鉴别，身份鉴别成功后开启仓库电子锁，启动智能仓库应用软件系统，使用用户口令登录系统，选择出入库操作，采用RFID 识别物品信息，并将物品信息通过单片机串口传输到软件应用系统，系统根据操作将数据保存在SQL Server 数据库中，另外还可根据需要选择系统的其他功能。实验测试结果表明，系统设计方案可行，各项功能正常，安全性较高，虽然物品识别距离有限，未达到额定范围，但对功能的正常使用影响不大。系统具有灵活、智能、高效等优点，但智能决策模块在系统期初运行时可能因为数据样本小而存在决策结果偏差，另外系统并不适用大型连锁仓储系统。

·名人名言·

实验上的失败，可能成为发现的开端。

——巴甫洛夫