代码收藏家技术教程 2024-07-19

基于STM32、FreeRTOS和Spring Boot的智能仓储管理系统：RFID、BLE和Three.js全栈解决方案（附代码示例）

1. 项目概述

随着电子商务和物流行业的快速发展，高效精准的仓储管理变得越来越重要。本文介绍了一个基于STM32微控制器和Spring Boot框架的智能仓储管理系统，该系统能够实时跟踪库存位置，优化仓储布局和拣货路径，显著提高仓储管理效率。

1.1 系统主要特点

实时定位：利用RFID和蓝牙低功耗(BLE)技术实现货物精确定位
自动化管理：通过嵌入式设备自动采集数据，减少人工操作
3D可视化：使用Three.js实现仓库布局和货物位置的直观展示
智能优化：基于实时数据优化仓储布局和拣货路径

1.2 技术栈

嵌入式：STM32微控制器，FreeRTOS实时操作系统

定位技术：RFID，蓝牙低功耗(BLE)

后端：Java Spring Boot，MySQL数据库

前端：Angular框架，Three.js 3D可视化库

2. 系统设计

2.1 硬件架构

系统的硬件架构如下图所示：

STM32微控制器：作为系统的核心，连接并控制其他硬件模块

RFID读写器：读取货物上的RFID标签

BLE模块：扫描并接收BLE信标信号

WiFi模块：将采集到的数据传输到后端服务器

RFID标签和BLE信标：分别贴附在货物或货架上，用于定位

2.2 软件架构

系统的软件架构如下图所示：

前端Angular应用：提供用户界面，展示仓库状态和管理功能

Spring Boot后端：处理业务逻辑，管理数据存储和检索

MySQL数据库：存储货物信息、位置数据和仓库布局

STM32嵌入式程序：采集RFID和BLE数据，通过MQTT协议发送到后端

位置追踪模块：处理和分析位置数据

库存管理模块：管理货物入库、出库和库存盘点

路径优化模块：基于实时数据计算最优拣货路径

Three.js 3D可视化：在前端实现仓库和货物的三维可视化展示

3. 代码实现

3.1 STM32嵌入式程序

STM32嵌入式程序使用FreeRTOS实时操作系统，主要包含RFID读取、BLE扫描和数据上传三个任务。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "rfid.h"
#include "ble.h"
#include "wifi.h"
#include "mqtt.h"

// RFID读取任务
void vRFIDTask(void *pvParameters)
{
    RFIDData_t rfidData;
    for(;;)
    {
        if(RFID_Read(&rfidData) == SUCCESS)
        {
            // 处理RFID数据
            process_rfid_data(&rfidData);
            // 通过MQTT发送数据
            MQTT_Publish("rfid_topic", &rfidData, sizeof(RFIDData_t));
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 延时100ms
    }
}

// BLE扫描任务
void vBLETask(void *pvParameters)
{
    BLEData_t bleData;
    for(;;)
    {
        if(BLE_Scan(&bleData) == SUCCESS)
        {
            // 处理BLE数据
            process_ble_data(&bleData);
            // 通过MQTT发送数据
            MQTT_Publish("ble_topic", &bleData, sizeof(BLEData_t));
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200)); // 延时200ms
    }
}

// 数据上传任务
void vUploadTask(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        // 检查MQTT连接
        if(!MQTT_IsConnected())
        {
            MQTT_Connect();
        }
        // 处理MQTT消息
        MQTT_Process();
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1s
    }
}

int main(void)
{
    // 初始化外设
    RFID_Init();
    BLE_Init();
    WiFi_Init();
    MQTT_Init();

    // 创建任务
    xTaskCreate(vRFIDTask, "RFID Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vBLETask, "BLE Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vUploadTask, "Upload Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    
    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();
    
    // 正常情况下不会到达这里
    for(;;);
}

这段代码创建了三个FreeRTOS任务：

vRFIDTask：周期性读取RFID数据，处理后通过MQTT发送。
vBLETask：周期性扫描BLE信标，处理后通过MQTT发送。
vUploadTask：维护MQTT连接，确保数据能够正常上传到服务器。

3.2 Spring Boot后端

Spring Boot后端负责处理来自STM32的数据，并提供RESTful API供前端调用。以下是核心代码示例：

@RestController
@RequestMapping("/api/inventory")
public class InventoryController {

    @Autowired
    private InventoryService inventoryService;

    @GetMapping("/{id}")
    public ResponseEntity<InventoryItem> getItem(@PathVariable Long id) {
        InventoryItem item = inventoryService.getItemById(id);
        if (item != null) {
            return ResponseEntity.ok(item);
        } else {
            return ResponseEntity.notFound().build();
        }
    }

    @PostMapping("/update")
    public ResponseEntity<Void> updateItemLocation(@RequestBody LocationUpdateRequest request) {
        boolean success = inventoryService.updateItemLocation(request.getItemId(), request.getNewLocation());
        if (success) {
            return ResponseEntity.ok().build();
        } else {
            return ResponseEntity.badRequest().build();
        }
    }

    @GetMapping("/optimize-path")
    public ResponseEntity<List<InventoryItem>> getOptimizedPickingPath(@RequestParam List<Long> itemIds) {
        List<InventoryItem> optimizedPath = inventoryService.calculateOptimizedPickingPath(itemIds);
        return ResponseEntity.ok(optimizedPath);
    }
}

@Service
public class InventoryService {

    @Autowired
    private InventoryRepository inventoryRepository;

    @Autowired
    private LocationTrackingService locationTrackingService;

    public InventoryItem getItemById(Long id) {
        return inventoryRepository.findById(id).orElse(null);
    }

    public boolean updateItemLocation(Long itemId, Location newLocation) {
        InventoryItem item = inventoryRepository.findById(itemId).orElse(null);
        if (item != null) {
            item.setLocation(newLocation);
            inventoryRepository.save(item);
            return true;
        }
        return false;
    }

    public List<InventoryItem> calculateOptimizedPickingPath(List<Long> itemIds) {
        List<InventoryItem> items = inventoryRepository.findAllById(itemIds);
        // 实现路径优化算法，例如最近邻算法或遗传算法
        // 这里简化为按位置排序
        items.sort(Comparator.comparing(item -> item.getLocation().getDistance()));
        return items;
    }
}

@Component
public class MqttHandler {

    @Autowired
    private LocationTrackingService locationTrackingService;

    @MqttSubscribe(topics = {"rfid_topic", "ble_topic"})
    public void handleLocationData(String topic, byte[] payload) {
        if ("rfid_topic".equals(topic)) {
            RFIDData rfidData = deserializeRFIDData(payload);
            locationTrackingService.updateRFIDLocation(rfidData);
        } else if ("ble_topic".equals(topic)) {
            BLEData bleData = deserializeBLEData(payload);
            locationTrackingService.updateBLELocation(bleData);
        }
    }

    // 反序列化方法省略
}

这段代码包含以下主要组件：

InventoryController：提供RESTful API，包括获取单个物品信息、更新物品位置和获取优化拣货路径。
InventoryService：实现业务逻辑，包括从数据库获取和更新物品信息，以及计算优化拣货路径。
MqttHandler：处理来自STM32的MQTT消息，将RFID和BLE数据传递给位置追踪服务。

主要功能说明：

3.3 Angular前端

Angular前端负责展示仓库状态和提供用户交互界面。以下是核心组件的示例代码：

getItem：根据ID获取物品信息。

updateItemLocation：更新物品位置。

getOptimizedPickingPath：计算优化的拣货路径。这里使用了一个简化的方法，实际应用中可能需要更复杂的算法。

handleLocationData：处理从MQTT接收到的RFID和BLE数据，更新物品位置信息。

@Component({
  selector: 'app-inventory-view',
  templateUrl: './inventory-view.component.html',
  styleUrls: ['./inventory-view.component.css']
})
export class InventoryViewComponent implements OnInit, AfterViewInit {
  inventoryItems: InventoryItem[] = [];
  scene: THREE.Scene;
  camera: THREE.PerspectiveCamera;
  renderer: THREE.WebGLRenderer;

  @ViewChild('rendererContainer') rendererContainer: ElementRef;

  constructor(private inventoryService: InventoryService) {}

  ngOnInit() {
    this.loadInventory();
  }

  ngAfterViewInit() {
    this.initThreeJS();
    this.animate();
  }

  loadInventory() {
    this.inventoryService.getAllItems().subscribe(
      (items) => {
        this.inventoryItems = items;
        this.updateVisualization();
      },
      (error) => {
        console.error('Error loading inventory:', error);
      }
    );
  }

  initThreeJS() {
    this.scene = new THREE.Scene();
    this.camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
    this.renderer = new THREE.WebGLRenderer();
    this.renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
    this.rendererContainer.nativeElement.appendChild(this.renderer.domElement);

    // 添加仓库基本结构
    this.addWarehouseStructure();

    this.camera.position.z = 5;
  }

  updateVisualization() {
    // 清除现有的物品可视化
    this.clearItemVisualizations();

    // 为每个物品添加3D表示
    this.inventoryItems.forEach(item => {
      const itemMesh = this.createItemMesh(item);
      this.scene.add(itemMesh);
    });
  }

  createItemMesh(item: InventoryItem): THREE.Mesh {
    const geometry = new THREE.BoxGeometry(0.2, 0.2, 0.2);
    const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });
    const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);
    mesh.position.set(item.location.x, item.location.y, item.location.z);
    return mesh;
  }

  animate() {
    requestAnimationFrame(() => this.animate());
    this.renderer.render(this.scene, this.camera);
  }

  // 其他辅助方法省略...
}

这个组件实现了以下功能：