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隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的不斷加快, 現(xiàn)代體育賽事的舉辦規(guī)模與頻度逐年增大。大型現(xiàn)代體育賽事中的觀眾和參賽人員數(shù)量眾多, 賽事物資需求以及消費(fèi)需求量都相當(dāng)龐大并具有“爆發(fā)性”特征, 如何在有限的空間和時間內(nèi)對各種物資進(jìn)行有效規(guī)劃和配送是一個極大的挑戰(zhàn)[1,2]。物流倉庫的高效管理是一個關(guān)鍵問題, 賽事物流的倉儲進(jìn)出存作業(yè)十分復(fù)雜多樣, 傳統(tǒng)人工方式和簡單的倉庫管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的大型賽事物流要求。

在這種情況下, Zig Bee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)呈現(xiàn)出了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[3], 因此本文基于Zig Bee網(wǎng)絡(luò)芯片CC2480設(shè)計了適用于大型賽事舉辦期間的物流物資倉庫自動管理系統(tǒng)。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)由貨位標(biāo)簽、操作員手持終端和倉儲管理中心三個子系統(tǒng)構(gòu)成, 通過ZigBee無線射頻網(wǎng)絡(luò)相連接。貨位標(biāo)簽采用了有源的主動式方案, 安裝在倉庫貨位架上。操作員手持終端基于嵌入式單片機(jī)實(shí)現(xiàn), 倉庫各操作員均配備一臺, 可對各貨位標(biāo)簽的信息進(jìn)行讀寫操作并與倉儲管理中心的計算機(jī)進(jìn)行通信。管理中心的設(shè)計中采用了單片機(jī)設(shè)計Zig Bee的信號收發(fā)器, 通過USB接口與服務(wù)器的主機(jī)進(jìn)行通信, 基于DBMS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)完成物流倉儲信息的管理。各倉庫操作員配備的操作員手持端可自動接收來自中心的物資存取調(diào)度任務(wù), 并可自動收集倉庫各貨位狀態(tài)信息與所存物資的詳細(xì)記錄, 通過搜索匹配實(shí)現(xiàn)貨位的快速定位, 提高操作和管理的效率。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案  下載原圖

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的系統(tǒng)硬件包括貨位標(biāo)簽、操作員手持終端和倉儲管理中心三個部分。設(shè)計中, 對貨位標(biāo)簽和操作員手持端采用了相同方案, 它們在功能上的不同通過程序來實(shí)現(xiàn), 增強(qiáng)了子系統(tǒng)在基礎(chǔ)硬件上的通用性。系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中, 各部分的Zig Bee無線通信電路、貨位標(biāo)簽/手持器的輸入輸出電路以及倉儲管理中心的USB接口電路是重點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖  下載原圖

Zig Bee無線射頻通信是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ), 各部分的Zig Bee射頻電路設(shè)計均采用美國德州儀器公司 (Texas Instruments, TI) 的高性能Zig Bee芯片CC2480[4], 各個節(jié)點(diǎn)Zig Bee電路連接方案如圖3所示。CC2480芯片全面支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn), 能提供完整的Zig Bee功能, 片內(nèi)的存儲及接口等資源豐富, 支持Simple API技術(shù), 其應(yīng)用顯著提高了本系統(tǒng)的研發(fā)效率、縮短了研發(fā)周期。主控單片機(jī)均采用了TI公司的16位高性能、低功耗嵌入式微處理器MSP430[5], 通過SPI總線與CC2480連接。

圖3 Zig Bee方案設(shè)計原理圖  下載原圖

在貨位標(biāo)簽和操作員手持終端的設(shè)計中, 為實(shí)現(xiàn)和用戶的人機(jī)交互, 設(shè)計了鍵盤輸入和顯示輸出電路, 電路設(shè)計原理如圖4所示。使用MSP430的P0.0~P0.5引腳設(shè)計了3×4矩陣鍵盤。P0.0~P0.3用于列掃描, P0.4~P0.6用于行掃描, 安排了數(shù)字鍵0~9、功能鍵*和#, 基于行列翻轉(zhuǎn)式掃描方式進(jìn)行按鍵識別, 便于實(shí)現(xiàn)用戶命令和數(shù)據(jù)的輸入。

數(shù)據(jù)的顯示輸出基于OCMJ的C系列中文液晶顯示模塊OCMJ4X8C設(shè)計實(shí)現(xiàn), 能夠混合顯示繪圖及文字畫面。OC-MJ4X8C的液晶顯示區(qū)大小為128×64, 能同時顯示4行漢字、每行8個, 為用戶提供了友好的信息顯示接口。設(shè)計中, OC-MJ4X8C的PSB引腳直接接到VDD高電平, 將OCMJ4X8C設(shè)置為串行通信傳輸方式, 只通過STD和SCLK完成與微處理器MSP430 (引腳P1.2和P1.3) 的數(shù)據(jù)通信, MSP430的P1.0接OC-MJ4X8C的片選線CS, 完成顯示選擇;P1.1連接OCMJ4X8C的復(fù)位引腳RST#完成對顯示模塊的復(fù)位控制。

圖4 貨位標(biāo)簽和手持器的輸入輸出電路原理圖  下載原圖

倉儲管理中心的下位機(jī)通過高速USB總線接口電路與上位機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)相連, 在下位機(jī)電路設(shè)計中采用了南京沁恒電子公司的USB總線通用接口芯片CH372[6], 該部分電路的設(shè)計原理如圖5所示。在本地端, CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和中斷輸出控制線, 可方便地掛接到MSP430微處理器上。系統(tǒng)中CH372工作在USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備模式下, 采用中斷控制傳輸方式, MSP430通過中斷請求引腳INT0與其請求段INT連接, 通過P2口與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;WR、RD用于實(shí)現(xiàn)對CH372的讀寫控制, CH372的片選信號CS#置為常有效, A0用于片內(nèi)尋址。

圖5 USB總線電路原理  下載原圖

系統(tǒng)的軟件程序也分為貨位標(biāo)簽程序、操作員手持終端程序以及管理中心軟件三部分。管理中心軟件又分為信號收發(fā)器和服務(wù)器兩部分的程序設(shè)計。貨位標(biāo)簽、操作員手持終端和中心下位機(jī)的程序都采用C51語言設(shè)計實(shí)現(xiàn)[7], 服務(wù)器軟件則基于VC調(diào)用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。

圖6給出了各個貨位標(biāo)簽的程序流程。啟動后首先對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行初始化, 并掃描鍵盤請求, 存在用戶操作時對鍵盤進(jìn)行按鍵識別并對操作命令進(jìn)行及時處理;然后以廣播的方式向周圍環(huán)境發(fā)射本貨位的信息。在管理員通過佩戴的手持終端對貨位標(biāo)簽進(jìn)行操作時, 貨位標(biāo)簽接收它的數(shù)據(jù)并自動反饋確認(rèn)信息。在對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上執(zhí)行必要的操作, 然后返回程序頭部開始下一輪循環(huán)。

圖6 貨位標(biāo)簽程序流程圖  下載原圖

圖7給出了操作員的手持終端程序的流程圖, 手持終端起著連接各貨位標(biāo)簽和管理中心的作用。程序?qū)χ行男盘栠M(jìn)行不斷的監(jiān)測, 如果有調(diào)度任務(wù)則程序馬上對其進(jìn)行正確性校驗和指令的識別與執(zhí)行。手持終端將調(diào)度任務(wù)的目的標(biāo)簽號與自己信號范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行比對, 當(dāng)匹配成功時向操作員提供物資定位信息, 以便操作員執(zhí)行存取操作, 操作完成后系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)簽信息更新。最后, 或在無調(diào)度任務(wù)時, 程序檢測鍵盤有無請求, 有則響應(yīng)并識別按鍵然后執(zhí)行鍵盤操作。

圖7 操作員手持終端的程序流程圖  下載原圖

中心軟件分為下位信號收發(fā)器固件程序和服務(wù)器軟件兩大部分, 其中的下位信號收發(fā)器程序基于C51語言實(shí)現(xiàn), 負(fù)責(zé)Zig Bee數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射任務(wù), 流程簡單, 本文不詳述。服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)著倉儲數(shù)據(jù)的集中管理, 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計方法如圖8所示, 主要包括應(yīng)用層、服務(wù)層、Zig Bee中間件[8]和底層驅(qū)動。中間件介于底層Zig Bee硬件設(shè)備與應(yīng)用軟件及服務(wù)接口層之間, 實(shí)現(xiàn)Zig Bee信號收發(fā)器硬件的控制協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)過濾以及路由選擇等功能。

Zig Bee信號收發(fā)器通過USB總線與服務(wù)器主機(jī)相連, 其低層驅(qū)動程序的設(shè)計通過調(diào)用USB設(shè)備通訊動態(tài)鏈接庫DLL方式[9]實(shí)現(xiàn)。本文采用C++進(jìn)行了USB通訊DLL的編寫, DLL通過調(diào)用底層EZ-USB驅(qū)動程序ezusb.sys和usbd.sys實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)Zig Bee收發(fā)器程序的通信。DLL的USB數(shù)據(jù)輸出主代碼如下, 讀入數(shù)據(jù)時需將傳輸方向Ept1->Direct反向并將用戶請求碼Ept1->Req Cod賦值為0x09。

圖8 管理中心服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)框圖  下載原圖

圖9示出了應(yīng)用程序的功能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D, 該部分程序采用了VC和數(shù)據(jù)庫編程, 可以很好的實(shí)現(xiàn)物流倉庫信息的管理、倉庫的操作和貨位信息的管理任務(wù)等。

圖9 中心服務(wù)器的程序功能  下載原圖

為了檢驗該方案的性能, 進(jìn)行了系統(tǒng)樣機(jī)的研發(fā)實(shí)現(xiàn), 并在某物流公司第一中轉(zhuǎn)倉庫進(jìn)行了安裝試用。試用過程中采用了對比測試法, 將采用本系統(tǒng)的第一中轉(zhuǎn)倉庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)管理方式的第二中轉(zhuǎn)倉庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比, 并從調(diào)度可靠性、管理效率和單位管理成本三個方面進(jìn)行了分析。其中, 調(diào)度可靠性 (表示為r) 的計算如下:

式中, ne為操作有誤的調(diào)度次數(shù), na為總調(diào)度次數(shù)。其中ne與多因素有關(guān)但主要受貨物能否被準(zhǔn)確快速定位的影響。

管理效率 (表示為e) 計算如下:

式中, wa為管理總?cè)蝿?wù)量 (包括入庫管理任務(wù)量、出庫管理任務(wù)量以及庫存管理任務(wù)量等) , ta為管理總耗時。

單位管理成本 (表示為c) 計算如下:

式中, ca為總的管理成本 (包括入庫管理成本、出庫管理成本以及庫存管理成本等) , wa為管理總?cè)蝿?wù)量。

圖10為自2012年11月至2013年8月的10個月試用中, 采用本系統(tǒng)的第一中轉(zhuǎn)倉庫的調(diào)度可靠性數(shù)據(jù)以及與第二中轉(zhuǎn)倉庫相比的管理效率提高率和單位管理成本降低率數(shù)據(jù)。分析可得, 采用本系統(tǒng)的第一中轉(zhuǎn)倉庫平均調(diào)度可靠性逾99%、管理效率比第二中轉(zhuǎn)倉庫平均提高56.8%, 單位管理成本平均節(jié)省了36.1%。這些數(shù)據(jù)切實(shí)驗證了本系統(tǒng)的高效性和實(shí)用性。

圖1 0 試用測試結(jié)果  下載原圖

本文針對大型體育賽事對物流作業(yè)的特殊要求, 設(shè)計了一種基于Zig Bee的大型賽事物流中轉(zhuǎn)庫的高效管理系統(tǒng), 運(yùn)用射頻通信識別和嵌入式單片機(jī)技術(shù)完成了硬件開發(fā), 采用C51和DBMS技術(shù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件。實(shí)用情況表明, 應(yīng)用本系統(tǒng)后的中轉(zhuǎn)庫管理效率和管理成本得到了顯著改善, 增進(jìn)了管理自動化和高效化的發(fā)展, 很好地滿足了大型體育賽事舉辦過程中的物流倉儲管理需求。