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隨著經濟全球化進程的不斷加快, 現代體育賽事的舉辦規模與頻度逐年增大。大型現代體育賽事中的觀眾和參賽人員數量眾多, 賽事物資需求以及消費需求量都相當龐大并具有“爆發性”特征, 如何在有限的空間和時間內對各種物資進行有效規劃和配送是一個極大的挑戰[1,2]。物流倉庫的高效管理是一個關鍵問題, 賽事物流的倉儲進出存作業十分復雜多樣, 傳統人工方式和簡單的倉庫管理系統已經不能滿足當前的大型賽事物流要求。

在這種情況下, Zig Bee網絡技術呈現出了得天獨厚的優勢[3], 因此本文基于Zig Bee網絡芯片CC2480設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。

本文所設計的系統方案如圖1所示。該系統由貨位標簽、操作員手持終端和倉儲管理中心三個子系統構成, 通過ZigBee無線射頻網絡相連接。貨位標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實現, 倉庫各操作員均配備一臺, 可對各貨位標簽的信息進行讀寫操作并與倉儲管理中心的計算機進行通信。管理中心的設計中采用了單片機設計Zig Bee的信號收發器, 通過USB接口與服務器的主機進行通信, 基于DBMS數據庫管理系統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度任務, 并可自動收集倉庫各貨位狀態信息與所存物資的詳細記錄, 通過搜索匹配實現貨位的快速定位, 提高操作和管理的效率。

圖1 系統設計方案  下載原圖

3系統硬件設計

本文所設計的系統硬件包括貨位標簽、操作員手持終端和倉儲管理中心三個部分。設計中, 對貨位標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現, 增強了子系統在基礎硬件上的通用性。系統硬件設計結構如圖2所示。其中, 各部分的Zig Bee無線通信電路、貨位標簽/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。

圖2 系統硬件設計結構圖  下載原圖

Zig Bee無線射頻通信是系統工作的基礎, 各部分的Zig Bee射頻電路設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], 各個節點Zig Bee電路連接方案如圖3所示。CC2480芯片全面支持IEEE 802.15.4標準, 能提供完整的Zig Bee功能, 片內的存儲及接口等資源豐富, 支持Simple API技術, 其應用顯著提高了本系統的研發效率、縮短了研發周期。主控單片機均采用了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方案設計原理圖  下載原圖

在貨位標簽和操作員手持終端的設計中, 為實現和用戶的人機交互, 設計了鍵盤輸入和顯示輸出電路, 電路設計原理如圖4所示。使用MSP430的P0.0~P0.5引腳設計了3×4矩陣鍵盤。P0.0~P0.3用于列掃描, P0.4~P0.6用于行掃描, 安排了數字鍵0~9、功能鍵*和#, 基于行列翻轉式掃描方式進行按鍵識別, 便于實現用戶命令和數據的輸入。

數據的顯示輸出基于OCMJ的C系列中文液晶顯示模塊OCMJ4X8C設計實現, 能夠混合顯示繪圖及文字畫面。OC-MJ4X8C的液晶顯示區大小為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。設計中, OC-MJ4X8C的PSB引腳直接接到VDD高電平, 將OCMJ4X8C設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) 的數據通信, MSP430的P1.0接OC-MJ4X8C的片選線CS, 完成顯示選擇;P1.1連接OCMJ4X8C的復位引腳RST#完成對顯示模塊的復位控制。

圖4 貨位標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通過高速USB總線接口電路與上位機服務器系統相連, 在下位機電路設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], 該部分電路的設計原理如圖5所示。在本地端, CH372具有8位數據總線和中斷輸出控制線, 可方便地掛接到MSP430微處理器上。系統中CH372工作在USB-DEVICE/SLAVE設備模式下, 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口與其進行數據交換;WR、RD用于實現對CH372的讀寫控制, CH372的片選信號CS#置為常有效, A0用于片內尋址。

圖5 USB總線電路原理  下載原圖

系統的軟件程序也分為貨位標簽程序、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器和服務器兩部分的程序設計。貨位標簽、操作員手持終端和中心下位機的程序都采用C51語言設計實現[7], 服務器軟件則基于VC調用數據庫實現。

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

圖6 貨位標簽程序流程圖  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簽和管理中心的作用。程序對中心信號進行不斷的監測, 如果有調度任務則程序馬上對其進行正確性校驗和指令的識別與執行。手持終端將調度任務的目的標簽號與自己信號范圍內的所有標簽進行比對, 當匹配成功時向操作員提供物資定位信息, 以便操作員執行存取操作, 操作完成后系統進行標簽信息更新。最后, 或在無調度任務時, 程序檢測鍵盤有無請求, 有則響應并識別按鍵然后執行鍵盤操作。

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器固件程序和服務器軟件兩大部分, 其中的下位信號收發器程序基于C51語言實現, 負責Zig Bee數據的接收和發射任務, 流程簡單, 本文不詳述。服務器軟件負責著倉儲數據的集中管理, 功能結構設計方法如圖8所示, 主要包括應用層、服務層、Zig Bee中間件[8]和底層驅動。中間件介于底層Zig Bee硬件設備與應用軟件及服務接口層之間, 實現Zig Bee信號收發器硬件的控制協調、數據過濾以及路由選擇等功能。

Zig Bee信號收發器通過USB總線與服務器主機相連, 其低層驅動程序的設計通過調用USB設備通訊動態鏈接庫DLL方式[9]實現。本文采用C++進行了USB通訊DLL的編寫, DLL通過調用底層EZ-USB驅動程序ezusb.sys和usbd.sys實現與下位機Zig Bee收發器程序的通信。DLL的USB數據輸出主代碼如下, 讀入數據時需將傳輸方向Ept1->Direct反向并將用戶請求碼Ept1->Req Cod賦值為0x09。

圖8 管理中心服務器軟件結構框圖  下載原圖

圖9示出了應用程序的功能結構拓撲圖, 該部分程序采用了VC和數據庫編程, 可以很好的實現物流倉庫信息的管理、倉庫的操作和貨位信息的管理任務等。

圖9 中心服務器的程序功能  下載原圖

為了檢驗該方案的性能, 進行了系統樣機的研發實現, 并在某物流公司第一中轉倉庫進行了安裝試用。試用過程中采用了對比測試法, 將采用本系統的第一中轉倉庫統計數據與傳統管理方式的第二中轉倉庫統計數據進行了對比, 并從調度可靠性、管理效率和單位管理成本三個方面進行了分析。其中, 調度可靠性 (表示為r) 的計算如下:

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

管理效率 (表示為e) 計算如下:

式中, wa為管理總任務量 (包括入庫管理任務量、出庫管理任務量以及庫存管理任務量等) , 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為管理總任務量。

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

圖1 0 試用測試結果  下載原圖

本文針對大型體育賽事對物流作業的特殊要求, 設計了一種基于Zig Bee的大型賽事物流中轉庫的高效管理系統, 運用射頻通信識別和嵌入式單片機技術完成了硬件開發, 采用C51和DBMS技術設計實現了系統的軟件。實用情況表明, 應用本系統后的中轉庫管理效率和管理成本得到了顯著改善, 增進了管理自動化和高效化的發展, 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。