CN116938641B - 一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法，包括：至少一个电力物资仓库封闭式货架，用于存放电力物资；若干终端网关，设置在所述至少一个电力物资仓库封闭式货架处，用于感知至少一个电力物资仓库封闭式货架的门禁动作，唤醒并监测物料类别识别和物料取放位置、类别与数量，生成对应的取放事件报文，并将取放事件报文进行加密传输；中央网关远程接收若干终端网关加密传输的取放事件报文，并进行解密后发送至服务器备份。
Description
技术领域
本发明涉及工业无线仓储技术领域，尤其涉及一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法。
背景技术
在新型电力***建设快速推进的大背景下，对电网企业物资管理提出了新的要求。仓储管理水平直接决定了电力企业管理的高效性，传统的物资管理工作依赖人工对电力物质仓库内各货架上的物料进行进/出登记和事后核对盘点，各类物资难于查找、账物不符、存取无法追溯等问题是其一直以来的管理痛点。即便陆续采用标准化物资目录、责任到人、多级审核等措施，本质上仍然依靠人员自律自觉，漏登记、错登记或者取放错误的现象时有发生，导致了物料管理的混乱。
目前已有采用物联网设备进行物料管理的方案。由于传统网关的算力难以有效支撑物联边缘计算的运行，仅具有信号收发功能，涉及算法的方案必须将数据传输至服务器，在服务器上做处理后再返回。当接入大量物联设备时，对于服务器的带宽、CPU的运算能力都有较高的要求。传统的网关接口类型单一、大多只具有协议转换和传输功能、仅具有数据打包和转发功能，难以高效应用于各种物资频繁进出登记场景，缺乏现场决策能力，智能化程度不高，影响了物资管理的时效性和准确性。
综上所述，开发一种电力物资仓库用智能网关装置，在现场执行物管功能，提供边缘算力支撑，降低服务器的带宽需求和算力资源消耗，提高仓库的响应速度，改善账物不符的现状，是非常必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种现场无需人员值守、可对电力物资进行自动识别和管理的、新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关，包括：
至少一个电力物资仓库封闭式货架，用于存放电力物资；
若干终端网关，设置在所述至少一个电力物资仓库封闭式货架处，用于感知至少一个电力物资仓库封闭式货架的门禁动作，唤醒并监测物料类别识别和物料取放位置、类别与数量，生成对应的取放事件报文，并将取放事件报文进行加密传输；
中央网关，远程接收若干终端网关加密传输的取放事件报文，并进行解密后发送至服务器备份；所述至少一个电力物资仓库封闭式货架，包括中空的架体和若干独立的储藏室，若干储藏室沿着架体的延伸方向阵列设置；各储藏室均配置有可独立开启的舱门；各储藏室用于存放电力物资；所述若干终端网关对应设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架上；
所述若干终端网关均包括ARM芯片、信息采集模块、联网通信模块、输入输出模块、存储模块、硬件加密模块和DC电源模块；所述ARM芯片分别与联网通信模块、存储模块和硬件加密模块通信连接，与输入输出模块电性连接；信息采集模块与联网通信模块通信连接，还与输入输出模块电性连接；DC电源模块分别与ARM芯片、信息采集模块、联网通信模块、输入输出模块、存储模块和硬件加密模块电性连接；信息采集模块对应设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架的架体与若干储藏室内部；联网通信模块用于终端网关内部通信、不同的终端网关之间通信或者终端网关与中央网关通信；输入输出模块用于向ARM芯片传输信息采集模块输出的开关量信号，或者将ARM芯片向外输出的开关量信号进一步输出到至少一个电力物资仓库封闭式货架；硬件加密模块用于终端网关向中央网关发送取放事件报文时，对取放事件报文加密；DC电源模块用于提供不同等级的直流电源；
所述信息采集模块包括RFID读写单元、称重单元、温湿度检测单元和门磁单元；RFID读写单元设置在各储藏室的边缘处，用于对放入或者拿出储藏室的电力物资进行RFID标签读写，生成RFID标签读写数据；称重单元用于输出放入或者拿出储藏室后的包含估算电力物资的数量变化的当前电力物资的重量信息；温湿度检测单元实时监测各储藏室内部的温湿度信号；门磁单元检测各舱门是否开启或者关闭，并输出门磁开关量信号；所述RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息和温湿度信号发送至联网通信模块，由联网通信模块进一步转发至ARM芯片；门磁开关量信号发送至输入输出模块中，由输入输出模块进一步将门磁信号发送至ARM芯片；ARM芯片根据RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息、温湿度信号和门磁开关量信号，生成取放事件报文，对取放事件报文进行本地存储或者加密发送。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述信息采集模块还包括身份识别单元，身份识别单元设置在柜体上，身份识别单元与联网通信模块通信连接，用于识别当前存取电力物资人员的身份；身份识别单元确认操作人员的身份合法后，才使能并唤醒至少一个电力物资仓库封闭式货架的各储藏室的RFID读写单元和称重单元，实现至少一个电力物资仓库封闭式货架与操作人员的交互。
在以上技术方案的基础上，优选的，，所述ARM芯片根据RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息、温湿度信号和门磁信号，生成取放事件报文，对取放事件报文进行本地存储或者加密发送，是根据取放事件的开始时间、操作人员信息、取放电力物资的类别、估算的取放电力物资的数量与实际取放的电力物资之间的差异以及取放时间的结束时间，生成取放事件报文后，暂存在终端网关的存储模块中；由硬件加密模块读取暂存的取放事件报文，并采用加密算法对取放事件报文进行加密，然后由联网通信模块向中央网关发送。
优选的，所述硬件加密模块采用加密算法对取放事件报文进行加密，是采用AES、3DES、RSA、ECC、SHA1、SHA256、SM2、SM3、SM4或者SM9加密算法中的一种。
另一方面，本方还提供了一种新型电力物资仓库低功耗无人值守方法，包括如下步骤：
S1：配置上述的新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关；将RFID读写单元设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架的各储藏室的舱门开口的一侧边缘，RFID读写单元的检测部正对着舱门开口的中心，各储藏室靠近地面的一端设置有称重单元，各储藏室内设置温湿度检测单元和称重单元；各储藏室的舱门的活动端和固定端相对的设置门磁单元；
S2：预先登记有权限操作至少一个电力物资仓库封闭式货架的操作人员的身份信息；并将身份信息保存在若干终端网关处；信息采集模块的门磁单元、温湿度检测单元和身份识别单元处于持续运行状态，用于监测至少一个电力物资仓库封闭式货架的各储藏室的舱门开启状态、舱门内部的温湿度以及接近至少一个电力物资仓库封闭式货架的操作人员的身份；
S3：信息采集模块的身份识别单元对接近至少一个电力物资仓库封闭式货架的操作人员进行身份验证；通过身份验证后并生成身份验证信息后，至少一个电力物资仓库封闭式货架处的终端网关的ARM芯片分别唤醒休眠状态的联网通信模块以及信息采集模块的RFID读写单元和称重单元；操作人员选择取操作或者放操作后，终端网关的ARM芯片通过输入输出模块启动一个或者多个舱门，并通过门磁单元采集舱门的状态，生成门磁开关量信号；RFID读写单元确认送入或者拿出已开启的舱门的储藏室内的电力物资的类别信息；称重单元获取当前已开启的舱门的储藏室内的电力物资的重量信息，上述身份验证信息、舱门状态信息、电力物资的类别信息和电力物资的重量信息均发送至联网通信模块中，联网通信模块进一步发送至ARM芯片中；
S4：ARM芯片依照获取的身份验证信息及其开始时间、温湿度监测信号、门磁单元反馈的舱门状态信息、电力物资的类别信息、电力物资的重量信息以及估算的取放电力物资的数量，按预设的格式生成取放事件报文；由现场的操作人员对取放事件报文对应的内容进行确认，确认完成后取放事件报文存储在终端网关的存储模块中；然后由终端网关的ARM芯片唤醒硬件加密模块，硬件加密模块读取存储模块中新生成的取放事件报文，并采用加密算法对取放事件报文进行加密，加密后的取放事件报文经联网通信模块以无线通信方式发送到中央网关。
优选的，所述按预设的格式生成取放事件报文，是同时满足如下条件：
A、以当前操作人员身份验证通过的时刻作为当前取放事件的开始时间，以由现场的操作人员对取放事件报文对应的内容进行互动并完成确认的时间作为当前取放事件的结束时间，且默认的取放事件的开始时间与取放事件的结束时间之间的时间间隔为在预设的第一时间阈值T1的基础上，根据操作人员身份和取放事件对应的电力物资的总重量对预设的第一时间阈值T1进行调增或者调减；对于不同的操作人员，给定的预设的第一时间阈值T1不完全相同；每次放入一个打开舱门的储藏室的电力物资的数量不小于一个；
B、在即将到达第一时间阈值时，信息采集模块的身份识别单元会要求对现场的操作人员再次进行身份验证，如在到达第一时间阈值T1前完成了再次的身份验证，当前开启的至少一个电力物资仓库封闭式货架的储藏室的舱门的开启状态会延长第一时间阈值T1的基准值或者由现场的操作人员主动向身份识别单元确认当前取放事件已完成后自动关闭，如未在第一时间阈值T1内前完成再次身份验证，当前开启的至少一个电力物资仓库封闭式货架的储藏室的舱门会在延时一段时间后自动切换为关闭状态，强制结束当前取放事件，以强制结束当前取放事件的时刻作为当前取放事件的结束时间，与延开启状态的延长或者强制结束当前取放事件均记录在舱门状态信息中；
C、RFID读写单元确认当前操作人员送入储藏室的电力物资的类别与该储藏室预设的电力物资的类别是否保持一致，在确认电力物资的类别信息一致后，RFID读写单元对经过当前储藏室舱门的电力物资上预设的RFID标签的存取状态字段的内容进行改写，并登记改写RFID标签的数量，获得RFID标签读写数据；
D、称重单元对当前储藏室内的电力物资的实时重量进行更新，估算位于储藏室内的同一类别的电力物资的变化量，并输出包含当前电力物资的实时重量和预估数量变化量的电力物资的重量信息；
E、对比称重单元获得的同一类别的电力物资的变化量与RFID读写单元确认的对RFID标签的改写次数之间的差异，以称重单元222获得的电力物资的变化量为基准，对RFID读写单元确认的电力物资的变化量进行修正，如RFID读写单元与称重单元估算的数量变化量存在差异，说明存在漏登记的现象，提示当前操作人员将最近一次取放同一储藏室内的电力物资还原归位，RFID读写单元清除最近一次取放的同一储藏室内的电力物资的RFID标签的存取状态字段的内容，并在该电力物资再次取放归位后，重新对各RFID标签的存取状态字段进行逐个取放与改写，使RFID读写单元登记的改写RFID标签的数量与称重单元对应的电力物资的变化量保持一致；
将满足上述条件的身份验证信息及其开始时间、温湿度监测信号、门磁单元反馈的舱门状态信息、电力物资的类别信息、电力物资的重量信息以及估算的取放电力物资的数量字段，形成一个整体，添加报文头和报文结束标记，得到取放事件报文。
优选的，至少一个电力物资仓库封闭式货架的各储藏室对于不同类别的电力物资的存放数量上限不完全相同，称重单元估算的当前储藏室内的同一类别的电力物资的数量到达存放数量上限时，不论是否到达第一时间阈值T1，当前储藏室的舱门会立即关闭，停止对储藏室内同一类别的电力物资存放操作，仅支持提取电力物资的操作，身份识别单元提示电力物资已装满该储藏室，由操作人员激活当前电力物资仓库封闭式货架的另一个同类型的储藏室，或者相邻的另一个电力物资仓库封闭式货架上的同类型的储藏室。
优选的，所述称重单元输出包含当前电力物资的实时重量和预估数量变化量的电力物资的重量信息，是根据公式：△X＝|X’-X|∝VCC/|(R’-R)|，其中△X为称重单元获取的实时重量变化量，X为取放前的实时重量，X’为取放后的实时重量，VCC为DC电源模块提供的工作电压，R’为取放后的称重传感器的电阻，R为取放前的称重传感器的电阻，则取放前的称重传感器的电阻变化与称重单元获取的实时重量变化量成反比。
本发明提供的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本方案中终端网关的边缘算力的得到了显著提升，能够就地针对电力物资仓库封闭式货架内的电力物资进出登记进行管控，降低了对中央网关的算力需求和网络带宽的要求；
(2)与中央网关进行无线通信时，采用了硬件级加密芯片，数据传输更加安全；
(3)DC电源选用了合适的电路，能向各模块无干扰稳定的供电，不同模块工作与相互通讯的过程更加稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的设备结构框图；
图2为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的电力物资仓库封闭式货架的前视图；
图3为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的电力物资仓库封闭式货架的半剖前视图；
图4为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的电力物资仓库封闭式货架的储藏室的局部放大剖视图；
图5为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的终端网关的结构框图；
图6为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的RFID读写单元的一种接线图；
图7为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的称重单元的一种接线图；
图8为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的门磁单元的一种接线图；
图9为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的联网通信模块的部分接线示意图；
图10为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的联网通信模块的4G通信单元的接线示意图；
图11为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的4G通信单元与SIM卡的接线示意图；
图12为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的硬件加密模块的接线示意图；
图13为本发明一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关及方法的DC电源模块的接线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，一方面，本发明提供了一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关，包括：
至少一个电力物资仓库封闭式货架1用于存放电力物资；如图2-图4所示，图示公开了一种具体的电力物资仓库封闭式货架的结构示意图，每一个货架都具有若干独立的储物空间，用于放置相同类别或者不同类别的电力物资。
若干终端网关2设置在所述至少一个电力物资仓库封闭式货架1处，用于感知至少一个电力物资仓库封闭式货架1的门禁动作，唤醒并监测物料类别识别和物料取放位置、类别与数量，生成对应的取放事件报文，并将取放事件报文进行加密传输；终端网关2进行了针对性的改进，提高了现场的数据采集与处理能力，能够对操作人员进行身份识别、动作确认并自动生成取放事件报文，免去人工登记的不便。
中央网关3远程接收若干终端网关2加密传输的取放事件报文，并进行解密后发送至服务器备份。中央网关3仅具有数据存储和备份功能，不用作主要计算单元，因此对中央网关3的硬件配置、网络带宽的需求明显下降。
如图2-图4所示，为了更好的实现不同物料的独立存储，至少一个电力物资仓库封闭式货架1包括中空的架体11和若干独立的储藏室12，若干储藏室12沿着架体11的延伸方向阵列设置；各储藏室12均配置有可独立开启的舱门；各储藏室12用于存放电力物资；所述若干终端网关2对应设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架1上。由图可知，不同的储藏室12之间互不连通，不同的物料之间不会直接接触，便于实现不同电力物资的分类存放。
如图2结合图5所示，若干终端网关2均包括ARM芯片21、信息采集模块22、联网通信模块23、输入输出模块24、存储模块25、硬件加密模块26和DC电源模块27；ARM芯片21分别与联网通信模块23、存储模块25和硬件加密模块26通信连接，与输入输出模块24电性连接；信息采集模块22与联网通信模块23通信连接，还与输入输出模块24电性连接；DC电源模块27分别与ARM芯片21、信息采集模块22、联网通信模块23、输入输出模块24、存储模块25和硬件加密模块26电性连接；信息采集模块22对应设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架1的架体11与若干储藏室12内部；联网通信模块23用于终端网关2内部通信、不同的终端网关2之间通信或者终端网关2与中央网关3通信；输入输出模块24用于向ARM芯片21传输信息采集模块22输出的开关量信号，或者将ARM芯片21向外输出的开关量信号进一步输出到至少一个电力物资仓库封闭式货架1；硬件加密模块26用于终端网关2向中央网关3发送取放事件报文时，对取放事件报文加密；DC电源模块27用于提供不同等级的直流电源。结合图13所示，本方案的ARM芯片21可以采用单独的芯片，也可以集成了ARM芯片的开发板，ARM芯片21具有若干GPIO端口和串行通信端口，串行端口可以是UART、I2C等类型。ARM芯片21通过串行端口与联网通信模块23、存储模块25、硬件加密模块26和部分信息采集模块22中的功能单元通信连接，通过GPIO端口与信息采集模块的部分功能单元和DC电源模块电性连接。如具有通信功能的信息采集模块22的身份识别单元225、RFID读写单元221、称重单元222或者温湿度检测单元223。门磁单元224的开关量形式的驱动信号或者反馈信号通过输入输出模块24与ARM芯片21GPIO端口对应电性连接。
具体如图5结合图6、图7、图8和图9所示，信息采集模块22包括RFID读写单元221、称重单元222、温湿度检测单元223和门磁单元224；RFID读写单元221设置在各储藏室12的边缘处，用于对放入或者拿出储藏室12的电力物资进行RFID标签读写，生成RFID标签读写数据；称重单元222用于输出放入或者拿出储藏室12后的包含估算电力物资的数量变化的当前电力物资的重量信息；温湿度检测单元223实时监测各储藏室12内部的温湿度信号；门磁单元224检测各舱门是否开启或者关闭，并输出门磁开关量信号；所述RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息和温湿度信号发送至联网通信模块23，由联网通信模块23进一步转发至ARM芯片21；门磁开关量信号发送至输入输出模块24中，由输入输出模块24进一步将门磁信号发送至ARM芯片21；ARM芯片21根据RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息、温湿度信号和门磁开关量信号，生成取放事件报文，对取放事件报文进行本地存储或者加密发送。
如图6结合图9所示，图示展示了一种RFID读写单元221的接线示意图，其主体包括RFID读卡器，其输出端通过接线端子与SSP3485芯片U4的输入端连接，SSP3485芯片U4的串行端口与ARM芯片21的UART串行端口通信连接，SSP3485芯片U4的使能端与ARM芯片21的GPIO1端口电性连接。
如图7结合图9所示，图示展示了一种称重单元222的接线示意图，称重传感器的输出端同样可以通过接线端子与SSP3485芯片U4的输入端连接，即共用ARM芯片21的一路UART串行通信端口。RFID读写单元221、称重单元222和身份识别单元225均可采用RS485通信模块与ARM芯片21通信，由于ARM芯片21属于TTL电平，与RS485电平等级不同，故需要通过SSP3485芯片U4进行电平转换。称重单元222可以采用压敏式模拟测量单元，即由DC电源模块27提供工作电压，根据称重单元222当前所承受的重量不同，其阻值会发生改变，通过阻值的变化导致的输出电流变化，通过ARM芯片21自带的AD转换可以获知当前的实时重量与对应的电力物资的数量的关系。
门磁开关量信号属于电平信号，如图8所示，门磁单元224输出的门磁开关量信号与光耦U5的引脚1连接光耦U5的引脚4分别与ARM芯片21的GPIO1端口和蜂鸣器BEEP的引脚2电性连接，蜂鸣器BEEP的引脚1与VCC_3.3V电源电性连接。如储藏室12的舱门开启时，门磁开关量信号为高电平，光耦U5导通，蜂鸣器工作；GPIO2处的电平被拉低，ARM芯片21监控该端口的电平即可确认对应的舱门的开启状态。
如图2结合图5所示，身份识别单元225设置在柜体上，身份识别单元225与联网通信模块23通信连接，用于识别当前存取电力物资人员的身份；身份识别单元225确认操作人员的身份合法后，才使能并唤醒至少一个电力物资仓库封闭式货架1的各储藏室12的RFID读写单元221和称重单元222，实现至少一个电力物资仓库封闭式货架1与操作人员的交互。身份识别单元225可以采用带指纹和指静脉识别的键盘交互终端，不仅能够识别操作人员的身份，还能进行按键输入确认功能，实现操作人员与终端网关2的交互过程。
如图5结合图10和图11所示，图示展示了一种4G通信单元的接线图，4G通信单元U7采用带有mini-PCIE接口的EC-20产品，这是一端支持SIM卡的4G无线通信模块，由于其电平等级与ARM芯片21也不同，采用了电平转换芯片U6进行VCC_1.8V与VCC_3.3V之间的电平转换，从而使4G通信单元U7的4G_RXD、4G_TXD端口能够与ARM芯片21的UART2_TX和UART2_RX端口正常通信。4G通信单元U7的引脚8、引脚10、引脚12和引脚14分别与SIM卡的引脚1、引脚6、引脚3和引脚2一一对应电性连接：为了保证型号的稳定，采用了稳压管芯片U8，稳压管芯片U8的每个引脚对应设置有一个反接的稳压二极管，稳压二极管的阴极分别与SIM卡的引脚1、引脚6、引脚3和引脚2电性连接，稳压二极管的阳极均接地，可以抑制SIM卡各引脚的信号波动。当然，本方案是以4G通信单元进行举例说明，实际上可以采用以太网单元、USB接口单元、LoRa通信单元等方式进行邮箱或者无线通信，同样能够实现与中央网关3的数据通信过程。终端网关2可以内嵌Linux***，提供可配置式的Modbus、MQTT、HTTP等多种物联网协议支持。
ARM芯片21通过获取上述RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息、温湿度信号和门磁信号，生成取放事件报文，对取放事件报文进行本地存储或者加密发送的过程，是根据取放事件的开始时间、操作人员信息、取放电力物资的类别、估算的取放电力物资的数量与实际取放的电力物资之间的差异以及取放时间的结束时间，生成取放事件报文后，暂存在终端网关2的存储模块25中；由硬件加密模块26读取暂存的取放事件报文，并采用加密算法对取放事件报文进行加密，然后由联网通信模块23向中央网关3发送。
上述加密算法，是采用AES、3DES、RSA、ECC、SHA1、SHA256、SM2、SM3、SM4或者SM9加密算法中的一种对取放事件报文进行加密处理，提高无线通信的安全性和可靠性，对应的在中央网关3处可以对应的设置解码用的解码模块。如图12所示，图示展示了硬件加密模块的接线图，其中硬件加密模块的主体为加密芯片，通过UART和/或I2C串行端口与ARM芯片21进行通信的示意图。本方案的加密芯片可以采用TF32A029或者CS18S-E4NVA芯片实现。
如图13所示，图示展示了DC电源模块27的一种接线图。图中采用了两级DC-DC降压芯片U1和U2的稳压滤波电路结构，每一级DC-DC降压的电压与输出端的分压电阻的比值有关，即电阻R3与R4，电阻R7和R8。经过第一级降压后，输入的6-24VDC直流被降压至VCC_5V输出，VCC_5V可以进一步通过同步降压芯片如AMS1117-3.3降低后供ARM芯片21使用，为了节省能源开销，只有当ARM芯片21上电后，ARM芯片21的GPIO0引脚才有使能信号输出，此时DC-DC降压芯片U2被使能，进一步将VCC_5V降压为VCC_3.3V输出，为了满足4G通信单元U7的使用需求，进一步采用了降压芯片AMD/LD1117芯片U3，将VCC_3.3V电源降压为VCC_1.8V，供对应的芯片正常使用。由于本方案使用了大量芯片，如果电源波动会导致信号传输受到干扰，因此图13的DC-DC降压芯片U1与U2的输入端与输出端均采用多级并联滤波的结构，能够实现无干扰的稳定供电。
另外，本发明还提供了一种新型电力物资仓库低功耗无人值守方法，包括如下步骤：
S1：配置上述的新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关的硬件设备；将RFID读写单元221设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架1的各储藏室12的舱门开口的一侧边缘，RFID读写单元221的检测部正对着舱门开口的中心，各储藏室12靠近地面的一端设置有称重单元222，各储藏室12内设置温湿度检测单元223和称重单元222；各储藏室12的舱门的活动端和固定端相对的设置门磁单元224；
S2：预先登记有权限操作至少一个电力物资仓库封闭式货架1的操作人员的身份信息；并将身份信息保存在若干终端网关2处；信息采集模块22的门磁单元224、温湿度检测单元和身份识别单元225处于持续运行状态，用于监测至少一个电力物资仓库封闭式货架1的各储藏室12的舱门开启状态、舱门内部的温湿度以及接近至少一个电力物资仓库封闭式货架1的操作人员的身份；可通过带指纹和指静脉识别的键盘交互终端实现身份确认；
S3：信息采集模块22的身份识别单元225对接近至少一个电力物资仓库封闭式货架1的操作人员进行身份验证；通过身份验证后并生成身份验证信息后，至少一个电力物资仓库封闭式货架1处的终端网关2的ARM芯片21分别唤醒休眠状态的联网通信模块23以及信息采集模块22的RFID读写单元221和称重单元222；操作人员选择取操作或者放操作后，终端网关2的ARM芯片21通过输入输出模块24启动一个或者多个舱门，并通过门磁单元224采集舱门的状态，生成门磁开关量信号；RFID读写单元221确认送入或者拿出已开启的舱门的储藏室12内的电力物资的类别信息；称重单元222获取当前已开启的舱门的储藏室12内的电力物资的重量信息，上述身份验证信息、舱门状态信息、电力物资的类别信息和电力物资的重量信息均发送至联网通信模块23中，联网通信模块23进一步发送至ARM芯片21中；
S4：ARM芯片21依照获取的身份验证信息及其开始时间、温湿度监测信号、门磁单元224反馈的舱门状态信息、电力物资的类别信息、电力物资的重量信息以及估算的取放电力物资的数量，按预设的格式生成取放事件报文；由现场的操作人员对取放事件报文对应的内容进行确认，确认完成后取放事件报文存储在终端网关2的存储模块25中；然后由终端网关2的ARM芯片21唤醒硬件加密模块26，硬件加密模块26读取存储模块25中新生成的取放事件报文，并采用加密算法对取放事件报文进行加密，加密后的取放事件报文经联网通信模块23以无线通信方式发送到中央网关3。
步骤S4中的按预设的格式生成取放事件报文，是需要同时满足如下条件：
A、以当前操作人员身份验证通过的时刻作为当前取放事件的开始时间，以由现场的操作人员对取放事件报文对应的内容进行互动并完成确认的时间作为当前取放事件的结束时间，且默认的取放事件的开始时间与取放事件的结束时间之间的时间间隔为在预设的第一时间阈值T1的基础上，根据操作人员身份和取放事件对应的电力物资的总重量对预设的第一时间阈值T1进行调增或者调减；
如确认操作人员的身份后，针对当前操作人员的年龄，对于不同年龄段的操作人员，给定的预设的第一时间阈值T1不完全相同；每次放入一个打开舱门的储藏室12的电力物资的数量不小于一个；第一时间阈值T1可以认为设定一个基准值，如600秒。对于不同年龄段的操作人员，对于年龄25-35区间的操作人员，可以选用第一时间阈值T1的基准值600秒,如年龄35-45区间，第一时间阈值T1可以在基准值上增加20％-50％；针对操作人员当前取放的电力物资的总数量或者总重量的不同，在年龄的基础上针对给定第一时间阈值T1为基准，再进一步进行增减，如以100kg为基准，当前取放事件包含的全部电力物资的总重量不超过100kg的，第一时间阈值T1为基准值不变，当前取放事件包含的全部电力物资的总重量在100kg以上，以100kg为基础且每步进增加一定重量，如mkg，第一时间阈值T1可以在基准值上相应增加5％-10％，m为5的整数倍。给定足够的第一时间阈值是为了让操作人员有充足的时间充分完成取放操作；即便操作人员暂离或者完成取放操作后未关舱门，到达设定的第一时间阈值时会自动关闭舱门；当前操作未完成时，或者有舱门未关闭时，其他操作人员的身份验证过程会延迟进行，保证任意时刻，当前电力物资仓库封闭式货架1的操作人员有且只有一个。
B、在即将到达第一时间阈值时，信息采集模块22的身份识别单元225会要求对现场的操作人员再次进行身份验证，如在到达第一时间阈值T1前完成了再次的身份验证，当前开启的至少一个电力物资仓库封闭式货架1的储藏室12的舱门的开启状态会延长第一时间阈值T1的基准值或者由现场的操作人员主动向身份识别单元225确认当前取放事件已完成后自动关闭，如未在第一时间阈值T1内前完成再次身份验证，当前开启的至少一个电力物资仓库封闭式货架1的储藏室12的舱门会在延时一段时间后自动切换为关闭状态，强制结束当前取放事件，以强制结束当前取放事件的时刻作为当前取放事件的结束时间，与延开启状态的延长或者强制结束当前取放事件均记录在舱门状态信息中。
C、RFID读写单元221确认当前操作人员送入储藏室12的电力物资的类别与该储藏室12预设的电力物资的类别是否保持一致，在确认电力物资的类别信息一致后，RFID读写单元221对经过当前储藏室12舱门的电力物资上预设的RFID标签的存取状态字段的内容进行改写，并登记改写RFID标签的数量，获得RFID标签读写数据。
D、称重单元222对当前储藏室12内的电力物资的实时重量进行更新，估算位于储藏室12内的同一类别的电力物资的变化量，并输出包含当前电力物资的实时重量和预估数量变化量的电力物资的重量信息：
△X＝|X’-X|∝VCC/|(R’-R)|，其中△X为称重单元222获取的实时重量变化量，X为取放前的实时重量，X’为取放后的实时重量，VCC为DC电源模块27提供的工作电压，R’为取放后的称重传感器的电阻，R为取放前的称重传感器的电阻，DC电源模块27提供的工作电压可认为保持不变，则取放前的称重传感器的电阻变化与称重单元222获取的实时重量变化量成反比。令某一类型的单个电力物资的重量为X0，是根据前n次成功的取放事件报文中的电力物资的重量信息分别求得的单个电力物资的重量的平均值，n不小于20，对当前取放事件的实时重量变化量△X与X0的比值△X/X0四舍五入取整，即得到称重单元222对当前取放的电力物资的实时重量变化量对应的预估数量变化量。如果信息采集模块22的温湿度检测单元223还监控各储藏室12内的温湿度状况是否发生异常。这种温湿度异常可能使称重传感器的电阻发生温漂，对称重单元222获取的实时重量变化量和对应的预估数量变化量产生不利影响。
E、对比称重单元222获得的同一类别的电力物资的变化量与RFID读写单元221确认的对RFID标签的改写次数之间的差异，以称重单元222获得的电力物资的变化量为基准，对RFID读写单元221确认的电力物资的变化量进行修正，如RFID读写单元221与称重单元222估算的数量变化量存在差异，说明存在漏登记的现象，提示当前操作人员将最近一次取放同一储藏室12内的电力物资还原归位，RFID读写单元221清除最近一次取放的同一储藏室12内的电力物资的RFID标签的存取状态字段的内容，并在该电力物资再次取放归位后，重新对各RFID标签的存取状态字段进行逐个取放与改写，使RFID读写单元221登记的改写RFID标签的数量与称重单元222对应的电力物资的变化量保持一致。
如果针对漏登记的现象，将电力物资还原归位以后，连续三次及以上的同样数量和类型的电力物资取放操作时，RFID读写单元221与称重单元222估算的数量变化量仍存在差异，且差异值始终为1的，则认定是四舍五入取整存在数量偏差，通过自动修正方式，自动加1或者减1，使称重单元222估算的数量变化量与RFID读写单元221记录的改写RFID标签的数量相符。上述过程是由于称重单元222估算的数量变化量具有取整的过程，四舍五入在重量有小范围偏差时，或者储藏室12内可能存在着温度异常，导致称重单元222估算的数量变化量可能偏小或者偏大，存在单个数量的差异。通过重复最近一次取放操作的一个或者多个同类型电力物资，并实现逐个取放，消除了依次取放多个电力物资时可能存在RFID读写单元221对标签读写中存在的误差的情形，并以RFID读写单元221对标签读写的次数来修正称重单元222估算的数量变化量。
将满足上述条件的身份验证信息及其开始时间、温湿度监测信号、门磁单元224反馈的舱门状态信息、电力物资的类别信息、电力物资的重量信息以及估算的取放电力物资的数量字段，在相邻字段之间添加分隔符形成一个整体，进一步添加报文头和报文结束标记，即可得到取放事件报文。
存在一种特殊情况，即如果持续的进行存放操作，储藏室12内的有限空间会被装满，此时需要有针对性的预防。至少一个电力物资仓库封闭式货架1的各储藏室12对于不同类别的电力物资的存放数量上限不完全相同，称重单元222估算的当前储藏室12内的同一类别的电力物资的数量到达存放数量上限时，不论是否到达第一时间阈值T1，当前储藏室12的舱门会立即关闭，停止对储藏室12内同一类别的电力物资存放操作，仅支持提取电力物资的操作，身份识别单元225提示电力物资已装满该储藏室12，由操作人员激活当前电力物资仓库封闭式货架的另一个同类型的储藏室12，或者相邻的另一个电力物资仓库封闭式货架上的同类型的储藏室12。如果同一操作人员对同一储藏室的同一类型的电力物资连续存放或者领取，且储藏室内的电力物资的数量未达到存放数量上限或者为零，即便取放事件的总用时超过至少一个第一时间阈值，终端网关2可以将同一操作人员对同一储藏室连续的同类型的操作进行合并，即生成一个取放时间报文。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关，其特征在于，包括：
至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)，用于存放电力物资；
若干终端网关(2)，设置在所述至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)处，用于感知至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的门禁动作，唤醒并监测物料类别识别和物料取放位置、类别与数量，生成对应的取放事件报文，并将取放事件报文进行加密传输；
中央网关(3)，远程接收若干终端网关(2)加密传输的取放事件报文，并进行解密后发送至服务器备份；所述至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)，包括中空的架体(11)和若干独立的储藏室(12)，若干储藏室(12)沿着架体(11)的延伸方向阵列设置；各储藏室(12)均配置有可独立开启的舱门；各储藏室(12)用于存放电力物资；所述若干终端网关(2)对应设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)上；
所述若干终端网关(2)均包括ARM芯片(21)、信息采集模块(22)、联网通信模块(23)、输入输出模块(24)、存储模块(25)、硬件加密模块(26)和DC电源模块(27)；所述ARM芯片(21)分别与联网通信模块(23)、存储模块(25)和硬件加密模块(26)通信连接，与输入输出模块(24)电性连接；信息采集模块(22)与联网通信模块(23)通信连接，还与输入输出模块(24)电性连接；DC电源模块(27)分别与ARM芯片(21)、信息采集模块(22)、联网通信模块(23)、输入输出模块(24)、存储模块(25)和硬件加密模块(26)电性连接；信息采集模块(22)对应设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的架体(11)与若干储藏室(12)内部；联网通信模块(23)用于终端网关(2)内部通信、不同的终端网关(2)之间通信或者终端网关(2)与中央网关(3)通信；输入输出模块(24)用于向ARM芯片(21)传输信息采集模块(22)输出的开关量信号，或者将ARM芯片(21)向外输出的开关量信号进一步输出到至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)；硬件加密模块(26)用于终端网关(2)向中央网关(3)发送取放事件报文时，对取放事件报文加密；DC电源模块(27)用于提供不同等级的直流电源；
所述信息采集模块(22)包括RFID读写单元(221)、称重单元(222)、温湿度检测单元(223)和门磁单元(224)；RFID读写单元(221)设置在各储藏室(12)的边缘处，用于对放入或者拿出储藏室(12)的电力物资进行RFID标签读写，生成RFID标签读写数据；称重单元(222)用于输出放入或者拿出储藏室(12)后的包含估算电力物资的数量变化的当前电力物资的重量信息；温湿度检测单元(223)实时监测各储藏室(12)内部的温湿度信号；门磁单元(224)检测各舱门是否开启或者关闭，并输出门磁开关量信号；所述RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息和温湿度信号发送至联网通信模块(23)，由联网通信模块(23)进一步转发至ARM芯片(21)；门磁开关量信号发送至输入输出模块(24)中，由输入输出模块(24)进一步将门磁信号发送至ARM芯片(21)；ARM芯片(21)根据RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息、温湿度信号和门磁开关量信号，生成取放事件报文，对取放事件报文进行本地存储或者加密发送。
2.根据权利要求1所述的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关，其特征在于，所述信息采集模块(22)还包括身份识别单元(225)，身份识别单元(225)设置在柜体上，身份识别单元(225)与联网通信模块(23)通信连接，用于识别当前存取电力物资人员的身份；身份识别单元(225)确认操作人员的身份合法后，才使能并唤醒至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的各储藏室(12)的RFID读写单元(221)和称重单元(222)，实现至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)与操作人员的交互。
3.根据权利要求1所述的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关，其特征在于，所述ARM芯片(21)根据RFID标签读写数据、当前电力物资的重量信息、温湿度信号和门磁信号，生成取放事件报文，对取放事件报文进行本地存储或者加密发送，是根据取放事件的开始时间、操作人员信息、取放电力物资的类别、估算的取放电力物资的数量与实际取放的电力物资之间的差异以及取放时间的结束时间，生成取放事件报文后，暂存在终端网关(2)的存储模块(25)中；由硬件加密模块(26)读取暂存的取放事件报文，并采用加密算法对取放事件报文进行加密，然后由联网通信模块(23)向中央网关(3)发送。
4.根据权利要求3所述的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关，其特征在于，所述硬件加密模块(26)采用加密算法对取放事件报文进行加密，是采用AES、3DES、RSA、ECC、SHA1、SHA256、SM2、SM3、SM4或者SM9加密算法中的一种。
5.一种新型电力物资仓库低功耗无人值守方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：配置如权利要求1-3任一项所述的新型电力物资仓库低功耗无人值守智能网关；将RFID读写单元(221)设置在至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的各储藏室(12)的舱门开口的一侧边缘，RFID读写单元(221)的检测部正对着舱门开口的中心，各储藏室(12)靠近地面的一端设置有称重单元(222)，各储藏室(12)内设置温湿度检测单元(223)和称重单元(222)；各储藏室(12)的舱门的活动端和固定端相对的设置门磁单元(224)；
S2：预先登记有权限操作至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的操作人员的身份信息；并将身份信息保存在若干终端网关(2)处；信息采集模块(22)的门磁单元(224)、温湿度检测单元和身份识别单元(225)处于持续运行状态，用于监测至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的各储藏室(12)的舱门开启状态、舱门内部的温湿度以及接近至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的操作人员的身份；
S3：信息采集模块(22)的身份识别单元(225)对接近至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的操作人员进行身份验证；通过身份验证后并生成身份验证信息后，至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)处的终端网关(2)的ARM芯片(21)分别唤醒休眠状态的联网通信模块(23)以及信息采集模块(22)的RFID读写单元(221)和称重单元(222)；操作人员选择取操作或者放操作后，终端网关(2)的ARM芯片(21)通过输入输出模块(24)启动一个或者多个舱门，并通过门磁单元(224)采集舱门的状态，生成门磁开关量信号；RFID读写单元(221)确认送入或者拿出已开启的舱门的储藏室(12)内的电力物资的类别信息；称重单元(222)获取当前已开启的舱门的储藏室(12)内的电力物资的重量信息，上述身份验证信息、舱门状态信息、电力物资的类别信息和电力物资的重量信息均发送至联网通信模块(23)中，联网通信模块(23)进一步发送至ARM芯片(21)中；
S4：ARM芯片(21)依照获取的身份验证信息及其开始时间、温湿度监测信号、门磁单元(224)反馈的舱门状态信息、电力物资的类别信息、电力物资的重量信息以及估算的取放电力物资的数量，按预设的格式生成取放事件报文；由现场的操作人员对取放事件报文对应的内容进行确认，确认完成后取放事件报文存储在终端网关(2)的存储模块(25)中；然后由终端网关(2)的ARM芯片(21)唤醒硬件加密模块(26)，硬件加密模块(26)读取存储模块(25)中新生成的取放事件报文，并采用加密算法对取放事件报文进行加密，加密后的取放事件报文经联网通信模块(23)以无线通信方式发送到中央网关(3)。
6.根据权利要求5所述的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守方法，其特征在于，所述按预设的格式生成取放事件报文，是同时满足如下条件：
A、以当前操作人员身份验证通过的时刻作为当前取放事件的开始时间，以由现场的操作人员对取放事件报文对应的内容进行互动并完成确认的时间作为当前取放事件的结束时间，且默认的取放事件的开始时间与取放事件的结束时间之间的时间间隔为在预设的第一时间阈值T1的基础上，根据操作人员身份和取放事件对应的电力物资的总重量对预设的第一时间阈值T1进行调增或者调减；对于不同的操作人员，给定的预设的第一时间阈值T1不完全相同；每次放入一个打开舱门的储藏室(12)的电力物资的数量不小于一个；
B、在即将到达第一时间阈值时，信息采集模块(22)的身份识别单元(225)会要求对现场的操作人员再次进行身份验证，如在到达第一时间阈值T1前完成了再次的身份验证，当前开启的至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的储藏室(12)的舱门的开启状态会延长第一时间阈值T1的基准值或者由现场的操作人员主动向身份识别单元(225)确认当前取放事件已完成后自动关闭，如未在第一时间阈值T1内前完成再次身份验证，当前开启的至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的储藏室(12)的舱门会在延时一段时间后自动切换为关闭状态，强制结束当前取放事件，以强制结束当前取放事件的时刻作为当前取放事件的结束时间，与延开启状态的延长或者强制结束当前取放事件均记录在舱门状态信息中；
C、RFID读写单元(221)确认当前操作人员送入储藏室(12)的电力物资的类别与该储藏室(12)预设的电力物资的类别是否保持一致，在确认电力物资的类别信息一致后，RFID读写单元(221)对经过当前储藏室(12)舱门的电力物资上预设的RFID标签的存取状态字段的内容进行改写，并登记改写RFID标签的数量，获得RFID标签读写数据；
D、称重单元(222)对当前储藏室(12)内的电力物资的实时重量进行更新，估算位于储藏室(12)内的同一类别的电力物资的变化量，并输出包含当前电力物资的实时重量和预估数量变化量的电力物资的重量信息；
E、对比称重单元(222)获得的同一类别的电力物资的变化量与RFID读写单元(221)确认的对RFID标签的改写次数之间的差异，以称重单元222获得的电力物资的变化量为基准，对RFID读写单元(221)确认的电力物资的变化量进行修正，如RFID读写单元(221)与称重单元(222)估算的数量变化量存在差异，说明存在漏登记的现象，提示当前操作人员将最近一次取放同一储藏室(12)内的电力物资还原归位，RFID读写单元(221)清除最近一次取放的同一储藏室(12)内的电力物资的RFID标签的存取状态字段的内容，并在该电力物资再次取放归位后，重新对各RFID标签的存取状态字段进行逐个取放与改写，使RFID读写单元(221)登记的改写RFID标签的数量与称重单元(222)对应的电力物资的变化量保持一致；
将满足上述条件的身份验证信息及其开始时间、温湿度监测信号、门磁单元(224)反馈的舱门状态信息、电力物资的类别信息、电力物资的重量信息以及估算的取放电力物资的数量字段，形成一个整体，添加报文头和报文结束标记，得到取放事件报文。
7.根据权利要求6所述的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守方法，其特征在于，至少一个电力物资仓库封闭式货架(1)的各储藏室(12)对于不同类别的电力物资的存放数量上限不完全相同，称重单元(222)估算的当前储藏室(12)内的同一类别的电力物资的数量到达存放数量上限时，不论是否到达第一时间阈值T1，当前储藏室(12)的舱门会立即关闭，停止对储藏室(12)内同一类别的电力物资存放操作，仅支持提取电力物资的操作，身份识别单元(225)提示电力物资已装满该储藏室(12)，由操作人员激活当前电力物资仓库封闭式货架的另一个同类型的储藏室(12)，或者相邻的另一个电力物资仓库封闭式货架上的同类型的储藏室(12)。
8.根据权利要求6所述的一种新型电力物资仓库低功耗无人值守方法，其特征在于，所述称重单元(222)输出包含当前电力物资的实时重量和预估数量变化量的电力物资的重量信息，是根据公式：△X＝|X’-X|∝VCC/|(R’-R)|，其中△X为称重单元(222)获取的实时重量变化量，X为取放前的实时重量，X’为取放后的实时重量，VCC为DC电源模块(27)提供的工作电压，R’为取放后的称重传感器的电阻，R为取放前的称重传感器的电阻，则取放前的称重传感器的电阻变化与称重单元(222)获取的实时重量变化量成反比。
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