CN107505874A - 一种智能物料配送柜的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能物料配送柜的控制系统，包括身份识别单元、上位机电脑终端、中转单元和若干只下位机；中转单元包括中转MCU及与中转MCU电联接的RS485收发器和电源控制电路；RS485收发器通过RS485总线收发来自下位机中的数据；电源控制电路实现对电源的通断控制；本发明的控制系统由下位机独立测量每只抽屉的物料重量及数量显示，方便了物料的管理及使用者对剩余物料的了解；上位机电脑终端实现了用户身份的识别、物料数据的管理、信息共享及通过软件操作对下位机开启抽屉的指令下达，使得整个配送柜管理安全可靠，使用便捷；中转单元则实现了下位机群的智能电源管理，起到了节约能耗、延长器件工作寿命的作用。

Description

一种智能物料配送柜的控制系统
技术领域
本发明属于仓储管理系统技术领域，具体涉及一种智能化的物料存储管理配送柜，特别是其控制系统。
背景技术
针对目前现代综合交通装备制造与维修行业，在日常物料和零件管理使用中，存在的人工效率低下，零件和物料补给不及时，数量统计不准确等问题，缺乏对零件和物料状态管理的控制和大数据信息支持，满足不了对物料和零件进出库标准化、精细化管理的要求。
2016年公开的中国专利“一种智能零件储存箱，申请号为201610099978.7”公开了一种智能零件储存箱，包括箱体、抽屉、显示控制装置、称重装置和LED灯组，能方便地查找所需零件，且当同时若储存在抽屉内零件过少时能及时进行颜色提示，使工作人员及时补充。这种零件储存箱存在的问题是仅仅在零件存储量不够时进行提醒，缺少对人员身份的管理，以及对每个身份取走零件数量的精确统计，缺少对物料和零件的现代化、精细化管理。
发明内容
本发明提出了一种基于承重式压力传感实时测量物料和零件数量库存，并对取料人进行身份识别管理的智能料/零件配送柜控制系统，实现了物料和零件的现代化、精细化管理。
本发明的技术方案如下：
一种智能物料配送柜的控制系统，包括身份识别单元、上位机电脑终端、中转单元和若干只下位机；所述的物料配送柜包括柜体和多只具有称重功能的物料抽屉，每只物料抽屉通过电控锁锁定在柜体上，物料抽屉下部设置有称重传感器，每只物料抽屉对应一只下位机；
所述的身份识别单元与上位机电脑终端电连接；所述的上位机电脑终端与中转单元通过USB-TTL接口联接；
所述的中转单元包括中转MCU及与中转MCU电联接的RS485收发器和电源控制电路；RS485收发器通过RS485总线收发来自下位机中的数据；电源控制电路与电源电联接，实现对电源的通断控制；
所述的下位机包括下位机MCU以及与下位机MCU电联接的RS485收发器、AD 转换电路和监测控制电路；所述的AD转换电路实现称重传感器的数据采集；监测控制电路与电控锁电联接，用于控制及监测电控锁的状态；
下位机MCU通过RS485收发器和RS485总线收发来自中转MCU的数据。
上述智能物料配送柜的控制系统中，所述的控制系统还包括为RS485总线忙闲提供标识的忙线单元；所述的忙线单元包括一根分叉导线和外围元器件，分叉导线的一端通过元器件与中转单元MCU的数字输入端口A和数字输出端口B电联接，另一端分叉后通过元器件与若干只下位机MCU的数字输入端口A和数字输出端口B电联接，实现分叉导线电平高低的判断及切换。
上述智能物料配送柜的控制系统中，忙线单元的外围元器件包括与每只MCU相对应的驱动三激光和限流电阻；在忙线单元的下位机一端中，三极管C的发射极接地，基极通过限流电阻接在MCU的数字输出端口B，集电极分成两路，一路通过限流电阻接MCU的数字输入端口A，另一路接在导线上。在忙线单元的中转单元一端中，三极管C的发射极接地，基极通过限流电阻接在MCU的数字输出端口B，集电极分成三路，第一路通过限流电阻接MCU的数字输入端口A，第二路通过限流电阻接在电源Vcc上，第三路则接在导线上。
上述智能物料配送柜的控制系统中，物料抽屉的前表面设置有感应人手接触抽屉拉手的感应探头；所述的监测控制电路与感应探头电联接，用于监测人手触碰抽屉时的状态。
上述智能物料配送柜的控制系统中，感应探头为光电遮挡开关。
上述智能物料配送柜的控制系统中，下位机还包括与下位机MCU电联接的数显单元，用于显示配送柜中工具或物料数量。
上述智能物料配送柜的控制系统中，数显单元设置在物料抽屉的前表面。
上述智能物料配送柜的控制系统中，身份识别单元为射频卡识别模块、指纹识别模块、人脸识别模块和虹膜识别模块的一种或几种组合。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明基于移动互联技术，集机电一体化精细控制，可视化触屏电脑人机交互窗口，实现物联网内零件和物料的精细化管理，实现了物料出入库的高效、低差错率智能化管理，并为计划制定、生产调度、资源统筹等管理提供快捷、可靠的物料数据。
2、本发明的控制系统包括了上位机电脑终端、中转单元和每只抽屉分配一只的下位机，由下位机独立测量每只抽屉的物料重量及数量显示，方便了物料的管理及使用者对剩余物料的了解；上位机电脑终端实现了用户身份的识别、物料数据的管理、信息共享及通过软件操作对下位机开启抽屉的指令下达，使得整个配送柜管理安全可靠，使用便捷；中转单元则实现了下位机群的智能电源管理，起到了节约能耗、延长器件工作寿命的作用。
3、本发明在下位机中配置了监测控制电路，实时监测抽屉是否关闭，为数据上报提供条件，同时监测控制电路还实时监测拉手处的感应探头的状态，为称重传感器的数据采集提供触发条件。
4、本发明在中转单元和每只下位机之间设置了一条公用忙线，在下位机向上位机电脑终端进行数据上报之前需要检测忙线的忙闲状态，作为485传输总线忙闲的标志，避免了多个抽屉同时上报数据时造成的数据错乱，确保了测量的准确性，并具有简单可靠的特点。
5、本发明在物料抽屉的把手处安装了感应探头，探测到人手接触抽屉拉手时，则停止计算重量，确保了称重测量中不受外力的干扰。
6、本发明集成了射频卡识别模块、指纹识别模块、人脸识别模块和虹膜识别模块等多种身份识别方式，满足了多种场合和特殊人群的应用。
7、本发明采用多台移动配送柜组成的智能物料使用管理系统，集成了物联网技术、无线Wi-Fi技术、云计算技术、机电一体化技术等软硬件相结合，满足了各类制造检修场所工具使用及仓储管理者的需求，系统提供了物料和零件的入库、出库、盘点、统计查询等功能模块，实现了物料管理的智能化。
附图说明
图1为本发明配送柜结构组成图；
图2为本发明抽屉关闭时抽屉结构组成图；
图3为本发明抽屉开启时抽屉结构组成图；
图4为本发明称重传感器布局示意图
图5为本发明抽屉正面结构示意图；
图6为本发明抽屉俯视结构示意图；
图7为本发明弹力锁结构示意图
图8为本发明改进的一种抽屉结构示意图；
图9为本发明配送柜控制系统组成原理图；
图10为本发明配送柜中转单元组成原理图；
图11为本发明配送柜下位机组成原理图；
图12为本发明忙线单元工作原理图；
图13为本发明身份识别单元的组成原理示意图；
图14为多台智能配送柜组网形成的智能物料管理系统原理图。
附图标记如下：
1—柜体；2—下位机；3—数显单元；4—身份识别单元；5—上位机电脑终端；6—支架；9—物料抽屉；10—抽屉拉手；11—滚轮；8—电控锁；13—中转单元；30—调平旋钮；71—射频卡识别模块；71—指纹识别模块；73—人脸识别模块；74—虹膜识别模块；81—无线路由器；82—终端设备；83—配送柜；201—机架后板；202—机架底板； 203—坡板；204—托板；205—伸缩滑轨；206—屉身；207—称重传感器；210—下位机电路板；211—电控锁；212—锁座；213—滑轮；214—机架前板；215—感应探头；216—定位边；217—弹簧；218—前面板；220—物料。
具体实施方式
如图1-7所示，本发明的物料配送柜主体为底部安装有滚轮11的柜体1，柜体1 上设置有上位机电脑终端5和身份识别单元4，柜体1内部设置有下位机2,下位机2与上位机电脑终端5和身份识别单元4电联接，上位机电脑终端5推荐使用平板电脑，通过支架6固定在柜体1的顶部，支架6可采用活动式，在收工不用时将平板电脑扣放在柜体的顶部，保护电脑屏幕。
柜体1的内部嵌有若干只物料抽屉9，抽屉内放置物料和零件，每只柜子可根据生产场合需要定制若干组尺寸为大中小不同规格的抽屉。物料抽屉9通过电控锁211锁定在柜体1上，只有通过身份识别单元4对使用者的身份确认后才能通过电控锁211自动打开抽屉。物料抽屉9的前表面设置有数显单元3和抽屉拉手10。
每只物料抽屉下端设置有称重传感器207，通过测量每只抽屉放置零件前后的重量，并根据事先获取的每只零件的重量，计算得到每只抽屉内部的剩余的零件数量上报至上位机电脑终端5上，同时显示在数显单元3上。为了精确测量的需要，在柜体上还设置有水平尺，同时柜体的底部安装调平旋钮30，这是为了满足称重传感器精确测量时的水平工作需求。电控锁211采用电控弹力锁，依靠推力关闭，一旦接收到开启信号时，则自动弹开。
如图7所示，在机架后板201和抽屉9之间设置有弹簧217，弹簧217一端固定在机架后板201上，另一端悬空。其目的是在采用普通电控弹力锁需要弹开抽屉时，压簧作用可使得工具抽屉较重情况下的自动弹开；而抽屉复位时，可通过人力推动压簧，不影响下一次开启时的应用。
如图2-6所示，为了实现精确的物料重量测量，本发明的的称重单元布局方式如下：机架底板202的两侧各设置有一只伸缩滑轨205，多只称重传感器207通过托板204固定在伸缩滑轨205上，物料抽屉9则悬空设置在称重传感器207上，通常每只物料抽屉 9下方的称重传感器207为4只，交错固定在托板204上，确保零件放置不平衡时也能获得准确的重量数据。
称重传感器207交错放置的目的还在于对物料抽屉9具有定位作用，如图5所示，物料抽屉9的下端设置有定位边216，定位边216限位在称重传感器207的外壳边沿上，使得悬空放置的物料抽屉9在推拉过程中前后左右不会出现较大的移位。
传统的称重传感器207采用压敏测量原理，在长时间重量加载过程中会出现传感器疲劳效应和蠕变等误差，为了克服这个问题，本发明实施的方案时平时零件和物料储存过程称重传感器不承压，只有在取放零件之后才进行称重测量。具体技术方案如图2和图3所示，物料抽屉9的两侧设置有若干只滑轮213，机架底板202的对应位置处设置有若干只坡板203，物料抽屉9关闭时，滑轮213压在对应坡板203的坡面上，使得物料抽屉9脱离称重传感器207的支撑。通常每只物料抽屉9设置有4只滑轮，每侧2 只，坡板203的坡度为10°-20°，坡高和滑轮213的固定位置设计合理，以确保平时不取放物料或零件时抽屉闭合，电控锁8锁上，此时滑轮213正好位于坡板203上，此时物料抽屉9脱离开称重传感器207的支撑，确保称重传感器207不再受到压力，防止传感器的疲劳效应和蠕变等误差；而当取料放料人点击上位机的指定打开物料抽屉时，电控锁8开启，依靠电控锁8自身的弹力和后端弹簧217的弹力弹开物料抽屉9，滑轮213 从坡板203上移开，物料抽屉9位置下降至称重传感器207的开始承压支撑，在合适的时机读取抽屉重量，并上传至上位机处理，使得称重传感器只有在少数场合下下称重，防止了蠕变误差。
以上的测量会带来另外一个问题，也就是在抽屉开启时，取放零件动作完成后需要对此时的屉身206的重量进行采集，并消除掉推拉抽屉过程中对屉身206负载改变目前带来的影响，目前采用的方案有三点解决措施：
措施一：对取放零件动作完成后的重量数据进行连续采集，并剔除和过滤掉其中的不稳定的毛刺起伏数据(也就是推拉抽屉带来的干扰)，得到较为准确的测量结果。
措施二：如图5和图6所示，在抽屉拉手10的附近安装感应探头215，感应探头 215可采用光电遮挡开关，探测到人手接触抽屉拉手10时，则停止测量重量，等到感应探头215感应不到把手处有物体出现时，才触发控制系统的采集单元进行重量信号采集，确保了称重测量中不受外力的干扰。
措施三：如图8所示，托板204与抽屉的前面板218固为一体，屉身206放置在前面板218之后的称重传感器207上方，抽屉拉手10则固定在抽屉的前面板218上，这样以来，取放零件时触碰抽屉拉手10时，并不会影响到称重传感器207上方的屉身206 的重量，从而避免对称重数据的串扰，进一步提高测量准确性。
如图9-11所示，本发明的控制系统包括通过电联接的身份识别单元4、上位机电脑终端5、中转单元13和若干只下位机2，每只物料抽屉对应一只下位机2。身份识别单元4通过USB接口与上位机电脑终端5电联接，上位机电脑终端5与中转单元13通过 USB-TTL接口联接。下位机2负责物料重量测量、标定、计算和显示数量，然后上传上位机电脑终端5。上位机电脑终端5负责身份验证，提供物料信息输入界面并建立物料数据库，接受来自软件界面的开启抽屉指令并执行开启动作，收集下位机2上传的物料数量信息并改写物料数据库，通过Wifi在局域网或互联网上共享物料数据库信息。
图9中，上位机电脑终端5通过身份识别单元4获取操作人员的身份信息并进行验证。通过验证后，上位机电脑终端5通过USB-TTL模块首先向中转单元13下达系统上电指令，接令后中转单元13立即向所有下位机2供电，使其启动运行。上位机电脑终端5再通过USB-TTL模块和RS485总线向用户选择的下位机2下达开启抽屉、皮重测量或灵敏度测算等指令。站址相符的下位机2收到指令后立即执行相应的指令并应答上位机电脑终端5。
图10中，中转单元13主要由MCU、RS485收发器和电源控制电路组成，RS485 收发器通过RS485总线收发来自下位机2中的数据，电源控制电路与电源电联接，实现对电源的通断控制；除了通过USB-TTL模块接受上位机电脑终端5的上电指令，完成对下位机群加电的功能外，还负责检测抽屉的全闭合状态，当所有抽屉全部闭合一段时间(通常是十几秒)后，中转单元13将断掉下位机群的电源，以达到降低能耗、延长系统工作寿命的目的。
图11中，下位机2主要由MCU、RS485收发器、AD转换电路、数显单元和监测控制电路等组成。监测控制电路与电控锁211电联接，用于控制电控锁211开关及监测其状态；下位机MCU通过RS485收发器和RS485总线收发来自中转MCU的数据；数显单元3用于显示配送柜中工具或物料数量；MCU接收RS485总线下达的指令，根据指令要求控制电控锁211、通过AD转换电路采集抽屉皮重或实重数据、进行灵敏度计算、物料数量计算并显示等。此外下位机的MCU还通过监测控制电路监测电控锁211 的状态，并在电控锁211处于关闭状态，即抽屉处于关闭时，对上位机电脑终端5进行数据上报。根据需要，监测控制电路还实时监测拉手10处的感应探头215的状态，在检测不到人手或物件接触抽屉拉手10时，触发AD转换电路对称重传感器进行采集转换。
平时不工作时抽屉是关闭的，工作时当某个抽屉被验证为正常身份的使用者打开，并取走物料后，在抽屉开启状态下，下位机2采集称重传感器的数据并存储在MCU内部，当该抽屉关闭后，其下位机2将主动向上位机电脑终端5汇报剩余物料数量和抽屉状态信息。
如图12所示，为避免多个抽屉取走物料同时上报数据时发生总线冲突，造成数据错乱，系统设置了忙线单元，作为485总线忙闲的标志。忙线由一根分叉导线及外围元器件组成，导线的一端通过元器件与中转单元MCU的数字输入端口A和数字输出端口 B电联接，另一端分叉后通过元器件与若干只下位机MCU的数字输入端口A和数字输出端口B电联接。图12中端口A和B分别表示所属单片机的数字输入端口和数字输出端口，C为驱动三极管。外围器件包括与每只MCU对应的一只三极管C及若干只分流电阻。由MCU的数字输入端口A检测忙线的电平高低，而由数字输出端口B实现忙线电平拉高及降低。忙线为高电平时标志RS485总线空闲，否则忙线电平为“0”，标志 RS485总线已被占用。
下面给出具体的一种实施电路。图12中，在忙线单元的下位机一端中，三极管C 的发射极接地，基极通过限流电阻接在MCU的数字输出端口B，集电极分成两路，一路通过限流电阻接MCU的数字输入端口A，另一路接在导线上。在忙线单元的中转单元一端中，三极管C的发射极接地，基极通过限流电阻接在MCU的数字输出端口B，集电极分成三路，第一路通过限流电阻接MCU的数字输入端口A，第二路通过限流电阻接在电源Vcc上，第三路则接在导线上。
当某个下位机准备上报数据时，其MCU首先通过数字输入端口A监测忙线电平。如果忙线为低电平，标志RS485总线已被其它下位机占用，MCU进入等待状态，直到忙线变为高电平，此时RS485总线被释放，MCU即刻通过其数字输出端口B输出高电平驱动三极管C导通，使总线电平变为低电平，从而占领忙线，并启动发送程序上报数据。数据上报完毕，MCU立刻恢复数字输出端口B为低电平，使三极管C处于截止状态，RS485总线恢复高电平，以便其它下位机使用。如果同时有若干下位机在等待发送数据，则谁先抢到忙线使用权谁先进行数据上报。这种方式比传统的给每个下位机进行数据编码和加帧头处理更简单稳定，提高了控制系统的可靠性。
如图13所示，本发明的身份识别单元4为射频卡识别模块71、指纹识别模块72、人脸识别模块73和虹膜识别模块74的一种或几种组合，采用多种识别方式的目的在于方便用户，应付丢失或忘带射频卡或使用者手脏时无法指纹识别的不足，满足了多种场合和特殊人群的应用。
如图14所示，若干台通过无线局域网内互联的配送柜83，可组成智能物料管理系统。每台配送柜83操作使用，通过每台柜上的平板电脑5可以查询本柜及其他柜上的物料数量状态，管理者还可通过该无线局域网内的终端设备82实时扫描每台配送柜83 的数据，统一采集汇总并进行数据管理与处理。此外通过APP软件，使用者可在手持移动终端设备上键入配送柜83的编号进行多条件分类精细查询。
下面对配送柜的主要功能和操作步骤进行详述：
一、人员身份识别与电子账单管理。
启动装置上位机进入系统操作界面。通过身份识别单元首先对操作人员的身份进行辨识，确认其对物料存取的操作权限。并对之后进行的物料存取操作将形成本人电子账单并存档。
二、物料入库
1)建立规格清单：在系统操作界面上，根据入库物料的大小分配相适应的物料抽屉类型，并输入物料名称、规格、单位、补货提示数量和备注等信息。物料抽屉目前按尺寸分为大、中、小三种类型，以适应不同规格的物料。
2)物料首次入库：点击系统操作界面上对应物料规格的标定按钮，对应物料抽屉将进入标定模式，采集抽屉皮重并记忆；在操作界面上输入准备入库的物料数量并确认，抽屉自动打开；将此数量的物料放入抽屉后关闭抽屉，标定完成。
3)日常物料入库：点击系统操作界面上对应物料规格的开启按钮，对应物料抽屉将自动弹开，数码管即刻显示已有物料数量；直接存入物料，每存入一件物料，数码管上的物料数量将增加一；关闭物料抽屉，物料数量将保持显示15秒后熄灭。
三、物料出库
点击系统操作界面上对应物料规格的开启按钮，对应物料抽屉将自动弹开，数码管即刻显示已有物料数量；直接拿取物料，每拿取一件物料，数码管上的物料数量将减少一；关闭物料抽屉，物料数量将保持显示15秒后熄灭。
四、库存查询与远程数据管理
用户可从系统界面的清单中方便地查询到柜体内物料的现存数量，同时，通过无线 Wi-Fi在局域网(或互联网)内共享物料清单，方便远程数据收集和分析。
五、物料量低警示
当抽屉中的物料数量到补货提示数量及以下时，系统界面上将对该规格物料发出补货提示信息。
本发明采用基于称重原理及自动身份识别与权限管理开启电控锁，并由触屏电脑可视化界面实时单机控制，实现物料配送柜内的物料和零件精细化管理，自动形成出入库汇总及补货提醒，多台配送柜通过局域网的网络通讯，实现服务器终端统一汇总和数据管理，方便了对物料和零件的现代化、精细化管理。

Claims (8)

1.一种智能物料配送柜的控制系统，包括身份识别单元(4)、上位机电脑终端(5)、中转单元(13)和若干只下位机(2)；
所述的物料配送柜包括柜体(1)和多只具有称重功能的物料抽屉(9)，每只物料抽屉(9)通过电控锁(211)锁定在柜体(1)上，物料抽屉(9)下部设置有称重传感器(207)，每只物料抽屉(9)对应一只下位机(2)；
所述的身份识别单元(4)与上位机电脑终端(5)电连接；所述的上位机电脑终端(5)与中转单元(13)通过USB-TTL接口联接；
所述的中转单元(13)包括中转MCU及与中转MCU电联接的RS485收发器和电源控制电路；RS485收发器通过RS485总线收发来自下位机(2)中的数据；电源控制电路与电源电联接，实现对电源的通断控制；
所述的下位机(2)包括下位机MCU以及与下位机MCU电联接的RS485收发器、AD转换电路和监测控制电路；所述的AD转换电路实现称重传感器(207)的数据采集；监测控制电路与电控锁(211)电联接，用于控制及监测电控锁(211)的状态；
下位机MCU通过RS485收发器和RS485总线收发来自中转MCU的数据。
2.根据权利要求1所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：所述的控制系统还包括为RS485总线忙闲提供标识的忙线单元；所述的忙线单元包括一根分叉导线和外围元器件，分叉导线的一端通过元器件与中转单元MCU的数字输入端口A和数字输出端口B电联接，另一端分叉后通过元器件与若干只下位机MCU的数字输入端口A和数字输出端口B电联接，实现分叉导线电平高低的判断及切换。
3.根据权利要求1所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：所述的忙线单元的外围元器件包括与每只MCU相对应的驱动三激光和限流电阻；在忙线单元的下位机一端中，三极管C的发射极接地，基极通过限流电阻接在MCU的数字输出端口B，集电极分成两路，一路通过限流电阻接MCU的数字输入端口A，另一路接在导线上。在忙线单元的中转单元一端中，三极管C的发射极接地，基极通过限流电阻接在MCU的数字输出端口B，集电极分成三路，第一路通过限流电阻接MCU的数字输入端口A，第二路通过限流电阻接在电源Vcc上，第三路则接在导线上。
4.根据权利要求1所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：物料抽屉(9)的前表面设置有感应人手接触抽屉拉手(10)的感应探头(215)；所述的监测控制电路与感应探头(215)电联接，用于监测人手触碰抽屉时的状态。
5.根据权利要求4所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：所述的感应探头(215)为光电遮挡开关。
6.根据权利要求1所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：所述的下位机(2)还包括与下位机MCU电联接的数显单元(3)，用于显示配送柜中工具或物料数量。
7.根据权利要求6所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：数显单元(3)设置在物料抽屉(9)的前面板上。
8.根据权利要求1所述的智能物料配送柜的控制系统，其特征在于：所述的身份识别单元(4)为射频卡识别模块(71)、指纹识别模块(72)、人脸识别模块(73)和虹膜识别模块(74)的一种或几种组合。
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