随着经济全球化进程的不断加快, 现代体育赛事的举办规模与频度逐年增大。大型现代体育赛事中的观众和参赛人员数量众多, 赛事物资需求以及消费需求量都相当庞大并具有“爆发性”特征, 如何在有限的空间和时间内对各种物资进行有效规划和配送是一个极大的挑战[1,2]。物流仓库的高效管理是一个关键问题, 赛事物流的仓储进出存作业十分复杂多样, 传统人工方式和简单的仓库管理系统已经不能满足当前的大型赛事物流要求。

在这种情况下, Zig Bee网络技术呈现出了得天独厚的优势[3], 因此本文基于Zig Bee网络芯片CC2480设计了适用于大型赛事举办期间的物流物资仓库自动管理系统。

本文所设计的系统方案如图1所示。该系统由货位标签、操作员手持终端和仓储管理中心三个子系统构成, 通过ZigBee无线射频网络相连接。货位标签采用了有源的主动式方案, 安装在仓库货位架上。操作员手持终端基于嵌入式单片机实现, 仓库各操作员均配备一台, 可对各货位标签的信息进行读写操作并与仓储管理中心的计算机进行通信。管理中心的设计中采用了单片机设计Zig Bee的信号收发器, 通过USB接口与服务器的主机进行通信, 基于DBMS数据库管理系统完成物流仓储信息的管理。各仓库操作员配备的操作员手持端可自动接收来自中心的物资存取调度任务, 并可自动收集仓库各货位状态信息与所存物资的详细记录, 通过搜索匹配实现货位的快速定位, 提高操作和管理的效率。

图1 系统设计方案  下载原图

3系统硬件设计

本文所设计的系统硬件包括货位标签、操作员手持终端和仓储管理中心三个部分。设计中, 对货位标签和操作员手持端采用了相同方案, 它们在功能上的不同通过程序来实现, 增强了子系统在基础硬件上的通用性。系统硬件设计结构如图2所示。其中, 各部分的Zig Bee无线通信电路、货位标签/手持器的输入输出电路以及仓储管理中心的USB接口电路是重点。

图2 系统硬件设计结构图  下载原图

Zig Bee无线射频通信是系统工作的基础, 各部分的Zig Bee射频电路设计均采用美国德州仪器公司 (Texas Instruments, TI) 的高性能Zig Bee芯片CC2480[4], 各个节点Zig Bee电路连接方案如图3所示。CC2480芯片全面支持IEEE 802.15.4标准, 能提供完整的Zig Bee功能, 片内的存储及接口等资源丰富, 支持Simple API技术, 其应用显著提高了本系统的研发效率、缩短了研发周期。主控单片机均采用了TI公司的16位高性能、低功耗嵌入式微处理器MSP430[5], 通过SPI总线与CC2480连接。

图3 Zig Bee方案设计原理图  下载原图

在货位标签和操作员手持终端的设计中, 为实现和用户的人机交互, 设计了键盘输入和显示输出电路, 电路设计原理如图4所示。使用MSP430的P0.0~P0.5引脚设计了3×4矩阵键盘。P0.0~P0.3用于列扫描, P0.4~P0.6用于行扫描, 安排了数字键0~9、功能键*和#, 基于行列翻转式扫描方式进行按键识别, 便于实现用户命令和数据的输入。

数据的显示输出基于OCMJ的C系列中文液晶显示模块OCMJ4X8C设计实现, 能够混合显示绘图及文字画面。OC-MJ4X8C的液晶显示区大小为128×64, 能同时显示4行汉字、每行8个, 为用户提供了友好的信息显示接口。设计中, OC-MJ4X8C的PSB引脚直接接到VDD高电平, 将OCMJ4X8C设置为串行通信传输方式, 只通过STD和SCLK完成与微处理器MSP430 (引脚P1.2和P1.3) 的数据通信, MSP430的P1.0接OC-MJ4X8C的片选线CS, 完成显示选择;P1.1连接OCMJ4X8C的复位引脚RST#完成对显示模块的复位控制。

图4 货位标签和手持器的输入输出电路原理图  下载原图

仓储管理中心的下位机通过高速USB总线接口电路与上位机服务器系统相连, 在下位机电路设计中采用了南京沁恒电子公司的USB总线通用接口芯片CH372[6], 该部分电路的设计原理如图5所示。在本地端, CH372具有8位数据总线和中断输出控制线, 可方便地挂接到MSP430微处理器上。系统中CH372工作在USB-DEVICE/SLAVE设备模式下, 采用中断控制传输方式, MSP430通过中断请求引脚INT0与其请求段INT连接, 通过P2口与其进行数据交换;WR、RD用于实现对CH372的读写控制, CH372的片选信号CS#置为常有效, A0用于片内寻址。

图5 USB总线电路原理  下载原图

系统的软件程序也分为货位标签程序、操作员手持终端程序以及管理中心软件三部分。管理中心软件又分为信号收发器和服务器两部分的程序设计。货位标签、操作员手持终端和中心下位机的程序都采用C51语言设计实现[7], 服务器软件则基于VC调用数据库实现。

图6给出了各个货位标签的程序流程。启动后首先对系统的软硬件进行初始化, 并扫描键盘请求, 存在用户操作时对键盘进行按键识别并对操作命令进行及时处理;然后以广播的方式向周围环境发射本货位的信息。在管理员通过佩戴的手持终端对货位标签进行操作时, 货位标签接收它的数据并自动反馈确认信息。在对收到的数据进行分析的基础上执行必要的操作, 然后返回程序头部开始下一轮循环。

图6 货位标签程序流程图  下载原图

图7给出了操作员的手持终端程序的流程图, 手持终端起着连接各货位标签和管理中心的作用。程序对中心信号进行不断的监测, 如果有调度任务则程序马上对其进行正确性校验和指令的识别与执行。手持终端将调度任务的目的标签号与自己信号范围内的所有标签进行比对, 当匹配成功时向操作员提供物资定位信息, 以便操作员执行存取操作, 操作完成后系统进行标签信息更新。最后, 或在无调度任务时, 程序检测键盘有无请求, 有则响应并识别按键然后执行键盘操作。

图7 操作员手持终端的程序流程图  下载原图

中心软件分为下位信号收发器固件程序和服务器软件两大部分, 其中的下位信号收发器程序基于C51语言实现, 负责Zig Bee数据的接收和发射任务, 流程简单, 本文不详述。服务器软件负责着仓储数据的集中管理, 功能结构设计方法如图8所示, 主要包括应用层、服务层、Zig Bee中间件[8]和底层驱动。中间件介于底层Zig Bee硬件设备与应用软件及服务接口层之间, 实现Zig Bee信号收发器硬件的控制协调、数据过滤以及路由选择等功能。

Zig Bee信号收发器通过USB总线与服务器主机相连, 其低层驱动程序的设计通过调用USB设备通讯动态链接库DLL方式[9]实现。本文采用C++进行了USB通讯DLL的编写, DLL通过调用底层EZ-USB驱动程序ezusb.sys和usbd.sys实现与下位机Zig Bee收发器程序的通信。DLL的USB数据输出主代码如下, 读入数据时需将传输方向Ept1->Direct反向并将用户请求码Ept1->Req Cod赋值为0x09。

图8 管理中心服务器软件结构框图  下载原图

图9示出了应用程序的功能结构拓扑图, 该部分程序采用了VC和数据库编程, 可以很好的实现物流仓库信息的管理、仓库的操作和货位信息的管理任务等。

图9 中心服务器的程序功能  下载原图

为了检验该方案的性能, 进行了系统样机的研发实现, 并在某物流公司第一中转仓库进行了安装试用。试用过程中采用了对比测试法, 将采用本系统的第一中转仓库统计数据与传统管理方式的第二中转仓库统计数据进行了对比, 并从调度可靠性、管理效率和单位管理成本三个方面进行了分析。其中, 调度可靠性 (表示为r) 的计算如下:

式中, ne为操作有误的调度次数, na为总调度次数。其中ne与多因素有关但主要受货物能否被准确快速定位的影响。

管理效率 (表示为e) 计算如下:

式中, wa为管理总任务量 (包括入库管理任务量、出库管理任务量以及库存管理任务量等) , ta为管理总耗时。

单位管理成本 (表示为c) 计算如下:

式中, ca为总的管理成本 (包括入库管理成本、出库管理成本以及库存管理成本等) , wa为管理总任务量。

图10为自2012年11月至2013年8月的10个月试用中, 采用本系统的第一中转仓库的调度可靠性数据以及与第二中转仓库相比的管理效率提高率和单位管理成本降低率数据。分析可得, 采用本系统的第一中转仓库平均调度可靠性逾99%、管理效率比第二中转仓库平均提高56.8%, 单位管理成本平均节省了36.1%。这些数据切实验证了本系统的高效性和实用性。

图1 0 试用测试结果  下载原图

本文针对大型体育赛事对物流作业的特殊要求, 设计了一种基于Zig Bee的大型赛事物流中转库的高效管理系统, 运用射频通信识别和嵌入式单片机技术完成了硬件开发, 采用C51和DBMS技术设计实现了系统的软件。实用情况表明, 应用本系统后的中转库管理效率和管理成本得到了显著改善, 增进了管理自动化和高效化的发展, 很好地满足了大型体育赛事举办过程中的物流仓储管理需求。