使用Intelligen构建智能库存管理系统

我们最近完成了一个项目，解决了中型仓库客户的一个实际痛点：在众多货箱中查找物品耗时过长。他们的拣选人员每天工作时间的30%到40%都花在走动和扫描上。为此，我们开发了一套智能库存系统，利用LED灯带精准照亮每个物品所在的位置。以下是我们的实现方式，以及为何我们大量依赖树莓派开发团队来确保系统顺利运行。

问题所在：过道中浪费了大量时间

想象一下：一个仓库有500个货箱，每个货箱存放不同的SKU(商品编码)。一名拣选员收到一份包含20种物品的清单，他逐一扫描每个货箱，核对数量后继续下一项。这个过程缓慢、容易出错，在冷库环境中尤其令人疲惫。我们的客户希望打造一个系统，让拣选员只需用手机扫描条形码，对应的货箱就会亮起绿色LED灯，无需猜测，也无需反复核对。我们之前曾使用过RFID和超声波传感器进行过类似项目，但这次的要求有所不同：成本低、易于改造现有货架，且无需依赖云服务。所有功能都必须在单块电路板上本地运行。

硬件配置：我们采用的方案

我们选择了树莓派4(2GB型号)作为主控制器。为什么不选ESP32或nRF52呢?因为客户需要一个完整的Linux环境来运行本地数据库(SQLite)，并同时处理多个USB条码扫描器。此外，树莓派的GPIO还能直接控制5V LED灯带，无需额外的电平转换器。

接线设计：简单而整洁

每根LED灯带被切成10个LED段(每个货位一个)。我们从树莓派的GPIO18引出一条数据线连接到第一个LED，然后将灯带依次串联起来。电源通过独立的5V总线分配，以避免长距离传输时电压下降。共12个段，总计120个货位，每个货位都有独立的LED。

我们在每个连接点都使用螺丝端子，便于维护。如果某个LED损坏，只需拔下该段并更换即可，无需现场焊接。

固件与软件：魔法所在之处这正是我们的树莓派开发人员真正赚到钱的地方。系统必须同时处理三件事：1. 监听条形码扫描器输入(USB HID)2. 在本地 SQLite 数据库中查找条形码3. 通过 WS2812B 库点亮正确的 LED

我们使用 `rpi_ws281x` 库用 Python 编写了主循环来控制 LED。条码扫描器类似于键盘，因此我们通过简单的 `sys.stdin` 读取器来捕获输入。但有个问题：扫描器每次扫描后都会发送换行符，有时如果用户不小心碰触扫描器，还会发送乱码。为此，我们添加了一个去抖定时器，以更快地忽略小于 200 毫秒的输入。

系统已预加载了客户端现有库存 CSV 文件中的 1,200 个 SKU。`led_pixel` 字段直接对应 WS2812B 条带上的像素索引。例如，条码 `4901234567890` 映射到第 17 个货箱，而该货箱从像素 170 开始(因为每个货箱使用 10 个像素，所以第 17 个货箱从像素 170 开始)。

当收到扫描指令时：

1. 查询条形码

2. 计算像素范围：`start = bin_number * 10`

3. 将该范围内所有10个像素设置为绿色(255， 0， 0)，亮度为50%4. 5秒后，将它们逐渐关闭。

我们通过一个Web界面(Flask服务器，端口5000)添加了手动覆盖功能，以便仓库管理员无需扫描仪即可按货位编号或物品名称进行搜索。此外，Pi还会将每次扫描记录到CSV文件中，用于分析：哪些物品被拣选最多、扫描之间的平均时间等。

3D设计：LED的安装

我们设计了简单的卡扣式支架，可安装在每个收纳箱的前缘。每个支架可固定一个10颗LED灯带段和一个扩散器(即一块磨砂亚克力条)。这些支架采用PLA材料3D打印，每件大约需要20分钟，在Creality Ender 3上完成。在一个周末内，我们共打印了120个。

扩散器至关重要——没有它，LED会看起来像一个个亮点;有了扩散器，整个箱子正面就能均匀发光。我们测试了三种扩散器材质：打磨过的亚克力、白色PETG以及磨砂聚碳酸酯。其中，聚碳酸酯材质的光线分布效果最佳，且损耗最小。

Zephyr RTOS?这次不选

有人可能会问，为什么我们没有使用Zephyr RTOS或ESP32?原因很简单：客户端需要本地数据库操作和USB HID处理功能。是的，如果使用带有外接SD卡的ESP32，可以运行轻量级SQLite替代方案，但开发时间会更长。而树莓派为我们提供了完整的Python环境，这意味着我们的固件团队可以在两天内完成逻辑原型设计。对于拥有120多个终端的生产系统而言，树莓派的可靠性与维护便捷性更具优势。我们曾在其他项目中使用过Zephyr，例如采用nRF52840节点的无线传感器网络。但这次，树莓派(Pi)正是合适的选择。

测试与部署

我们从开始项目起两周内就向客户交付了完全组装好的原型机。其中包括预装数据库的树莓派、12段带支架的LED灯带以及电源。客户当天下午便自行完成了所有安装：只需将支架固定在托盘上，连接LED灯带，并接入树莓派即可。

在测试过程中，我们发现了一个问题：树莓派的USB接口无法同时稳定地为扫描仪和LED灯供电。解决方案是为扫描仪配备一个带电源的USB集线器，成本为8美元。由于LED灯自带10A电源，因此树莓派仅为其自身和数据线供电。

此外，我们还加入了安全保护机制：如果树莓派崩溃或断电，LED灯会保持关闭状态，避免出现误报。客户拣选人员已习惯于在灯光未响应时转为手动扫描。

三个月后的成果

客户反馈，每单拣选时间减少了22%。这意味着每件商品节省约45秒，对于一支由10名拣选员组成的团队而言，每天班次可节省2.5小时。该系统已连续运行3个月，全天候不间断，从未发生故障。仅有一条LED灯带因制造缺陷损坏，客户在不到一分钟内便完成了更换。

网络界面日志显示，拣选员每班次平均扫描150个条形码，LED响应时间低于100毫秒。数据库已扩展至1800个SKU，且性能未出现任何下降。

我们可能会做出的改进

如果今天要重新构建这个系统，我们会考虑使用Raspberry Pi 5以实现更快的GPIO响应，但Pi 4已经足够。我们还会在Pi上加装一个小型OLED显示屏，实时显示统计信息(总扫描数、错误次数、运行时间)。虽然客户并未提出要求，但这对调试非常有帮助。

对于下一个版本，我们正在探索使用ESP32模块结合ESP-NOW协议实现无线LED控制。这将省去长距离数据线，使安装更加便捷。但目前，有线系统仍能完美运行。

本文编译自hackster.io