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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(guān)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(shí)間內(nèi)對(duì)各種物資進(jìn)行有效規(guī)劃和配送是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)[1,2]。物流倉(cāng)庫(kù)的高效管理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題, 賽事物流的倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)出存作業(yè)十分復(fù)雜多樣, 傳統(tǒng)人工方式和簡(jiǎn)單的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)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(shì)[3], 因此本文基于Zig Bee網(wǎng)絡(luò)芯片CC2480設(shè)計(jì)了適用于大型賽事舉辦期間的物流物資倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)管理系統(tǒng)。

本文所設(shè)計(jì)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(cāng)儲(chǔ)管理中心三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成, 通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)相連接。貨位標(biāo)簽采用了有源的主動(dòng)式方案, 安裝在倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)各操作員均配備一臺(tái), 可對(duì)各貨位標(biāo)簽的信息進(jìn)行讀寫(xiě)操作并與倉(cāng)儲(chǔ)管理中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。管理中心的設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī)設(shè)計(jì)Zig Bee的信號(hào)收發(fā)器, 通過(guò)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(kù)管理系統(tǒng)完成物流倉(cāng)儲(chǔ)信息的管理。各倉(cāng)庫(kù)操作員配備的操作員手持端可自動(dòng)接收來(lái)自中心的物資存取調(diào)度任務(wù), 并可自動(dòng)收集倉(cāng)庫(kù)各貨位狀態(tài)信息與所存物資的詳細(xì)記錄, 通過(guò)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(jì)方案  下載原圖

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件包括貨位標(biāo)簽、操作員手持終端和倉(cāng)儲(chǔ)管理中心三個(gè)部分。設(shè)計(jì)中, 對(duì)貨位標(biāo)簽和操作員手持端采用了相同方案, 它們?cè)诠δ苌系牟煌ㄟ^(guò)程序來(lái)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(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中, 各部分的Zig Bee無(wú)線(xiàn)通信電路、貨位標(biāo)簽/手持器的輸入輸出電路以及倉(cāng)儲(chǔ)管理中心的USB接口電路是重點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖  下載原圖

Zig Bee無(wú)線(xiàn)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(jì)均采用美國(guó)德州儀器公司 (Texas Instruments, TI) 的高性能Zig Bee芯片CC2480[4], 各個(gè)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(chǔ)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(guò)SPI總線(xiàn)與CC2480連接。

圖3 Zig Bee方案設(shè)計(jì)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(jì)中, 為實(shí)現(xiàn)和用戶(hù)的人機(jī)交互, 設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)輸入和顯示輸出電路, 電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。使用MSP430的P0.0~P0.5引腳設(shè)計(jì)了3×4矩陣鍵盤(pán)。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(shí)別, 便于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)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(jì)實(shí)現(xiàn), 能夠混合顯示繪圖及文字畫(huà)面。OC-MJ4X8C的液晶顯示區(qū)大小為128×64, 能同時(shí)顯示4行漢字、每行8個(gè), 為用戶(hù)提供了友好的信息顯示接口。設(shè)計(jì)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(guò)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(xiàn)CS, 完成顯示選擇;P1.1連接OCMJ4X8C的復(fù)位引腳RST#完成對(duì)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(cāng)儲(chǔ)管理中心的下位機(jī)通過(guò)高速USB總線(xiàn)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(jì)中采用了南京沁恒電子公司的USB總線(xiàn)通用接口芯片CH372[6], 該部分電路的設(shè)計(jì)原理如圖5所示。在本地端, CH372具有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和中斷輸出控制線(xiàn), 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(guò)中斷請(qǐng)求引腳INT0與其請(qǐng)求段INT連接, 通過(guò)P2口與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;WR、RD用于實(shí)現(xiàn)對(duì)CH372的讀寫(xiě)控制, CH372的片選信號(hào)CS#置為常有效, A0用于片內(nèi)尋址。

圖5 USB總線(xiàn)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(hào)收發(fā)器和服務(wù)器兩部分的程序設(shè)計(jì)。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(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[7], 服務(wù)器軟件則基于VC調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

圖6給出了各個(gè)貨位標(biāo)簽的程序流程。啟動(dòng)后首先對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行初始化, 并掃描鍵盤(pán)請(qǐng)求, 存在用戶(hù)操作時(shí)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行按鍵識(shí)別并對(duì)操作命令進(jìn)行及時(shí)處理;然后以廣播的方式向周?chē)h(huán)境發(fā)射本貨位的信息。在管理員通過(guò)佩戴的手持終端對(duì)貨位標(biāo)簽進(jìn)行操作時(shí), 貨位標(biāo)簽接收它的數(shù)據(jù)并自動(dòng)反饋確認(rèn)信息。在對(duì)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(kāi)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?hào)進(jìn)行不斷的監(jiān)測(cè), 如果有調(diào)度任務(wù)則程序馬上對(duì)其進(jìn)行正確性校驗(yàn)和指令的識(shí)別與執(zhí)行。手持終端將調(diào)度任務(wù)的目的標(biāo)簽號(hào)與自己信號(hào)范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽進(jìn)行比對(duì), 當(dāng)匹配成功時(shí)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(wú)調(diào)度任務(wù)時(shí), 程序檢測(cè)鍵盤(pán)有無(wú)請(qǐng)求, 有則響應(yīng)并識(shí)別按鍵然后執(zhí)行鍵盤(pán)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(hào)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(hào)收發(fā)器程序基于C51語(yǔ)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(jiǎn)單, 本文不詳述。服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)著倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)的集中管理, 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)。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(hào)收發(fā)器硬件的控制協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)過(guò)濾以及路由選擇等功能。

Zig Bee信號(hào)收發(fā)器通過(guò)USB總線(xiàn)與服務(wù)器主機(jī)相連, 其低層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)用USB設(shè)備通訊動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL方式[9]實(shí)現(xiàn)。本文采用C++進(jìn)行了USB通訊DLL的編寫(xiě), DLL通過(guò)調(diào)用底層EZ-USB驅(qū)動(dòng)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(shí)需將傳輸方向Ept1->Direct反向并將用戶(hù)請(qǐng)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(kù)編程, 可以很好的實(shí)現(xiàn)物流倉(cāng)庫(kù)信息的管理、倉(cāng)庫(kù)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(yàn)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(cāng)庫(kù)進(jìn)行了安裝試用。試用過(guò)程中采用了對(duì)比測(cè)試法, 將采用本系統(tǒng)的第一中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)管理方式的第二中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比, 并從調(diào)度可靠性、管理效率和單位管理成本三個(gè)方面進(jìn)行了分析。其中, 調(diào)度可靠性 (表示為r) 的計(jì)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(jì)算如下:

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

單位管理成本 (表示為c) 計(jì)算如下:

式中, ca為總的管理成本 (包括入庫(kù)管理成本、出庫(kù)管理成本以及庫(kù)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(gè)月試用中, 采用本系統(tǒng)的第一中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)的調(diào)度可靠性數(shù)據(jù)以及與第二中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)平均調(diào)度可靠性逾99%、管理效率比第二中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)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(yàn)證了本系統(tǒng)的高效性和實(shí)用性。

圖1 0 試用測(cè)試結(jié)果  下載原圖

本文針對(duì)大型體育賽事對(duì)物流作業(yè)的特殊要求, 設(shè)計(jì)了一種基于Zig Bee的大型賽事物流中轉(zhuǎn)庫(kù)的高效管理系統(tǒng), 運(yùn)用射頻通信識(shí)別和嵌入式單片機(jī)技術(shù)完成了硬件開(kāi)發(fā), 采用C51和DBMS技術(shù)設(shè)計(jì)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(kù)管理效率和管理成本得到了顯著改善, 增進(jìn)了管理自動(dòng)化和高效化的發(fā)展, 很好地滿(mǎn)足了大型體育賽事舉辦過(guò)程中的物流倉(cāng)儲(chǔ)管理需求。