基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)設計

張澤建，王曉東，晏　芳

（湖北物資流通技術研究所，湖北　襄陽　441002）

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基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)設計

張澤建，王曉東，晏芳

（湖北物資流通技術研究所，湖北襄陽441002）

分析了基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)的功能及其主要構成中智能節(jié)點網絡、傳輸網絡、軟件平臺的設計重點，針對該系統(tǒng)設計中關鍵技術的實現(xiàn)，詳細闡述了終端節(jié)點、終端協(xié)調器節(jié)點以及傳感器網絡的設計，為物聯(lián)網技術在倉儲管理中的應用提供參考與借鑒。

物聯(lián)網技術；倉儲環(huán)境；感知系統(tǒng)

1　基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)設計

基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)通過研究ZigBee、協(xié)議、傳感節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點等開發(fā)出一套由多個傳感器終端節(jié)點組成的無線傳感器網絡，立體全面地感知倉儲環(huán)境。系統(tǒng)的具體實現(xiàn)是利用壓力、煙霧、溫濕度等傳感器采集倉庫環(huán)境信息，利用無線傳感節(jié)點構建無線網絡將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線網絡傳輸至計算機；然后上位機應用軟件通過串口、WIFI信號將接收到的傳感器數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)進行顯示、分析，發(fā)出警報或指導下一步操作。

基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)可以對倉庫的環(huán)境如溫度、濕度、光照、PM2.5、CO2濃度、震動等參數(shù)進行多區(qū)域、多層次、多參數(shù)感知和處理，其結果由授權的網絡用戶以瀏覽器的形式進行操作與查詢。模擬倉庫布置結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)功能主要包括兩大部分：數(shù)據(jù)采集和傳輸；數(shù)據(jù)接收和處理；數(shù)據(jù)采集和傳輸主要是終端傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。終端傳感器節(jié)點是由“處理器+傳感器”構成，實時監(jiān)測溫濕度、CO2濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)；網關是無線傳感器網絡和外部進行交換的樞紐，關系到監(jiān)測區(qū)域內的各種數(shù)據(jù)能否正確有效地傳輸?shù)奖镜赜嬎銠C或服務器。完成倉庫溫濕度、防火、防盜相關信息的采集、處理和發(fā)送。數(shù)據(jù)接收、處理部分主要是通過數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)軟件平臺將傳感器采集的數(shù)據(jù)接收存儲至本地計算機，并顯示在系統(tǒng)軟件平臺上，完成倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析。

1.1智能節(jié)點網絡

部署帶有傳感器的智能節(jié)點，依據(jù)倉庫溫濕度、防火、防盜監(jiān)測的基本功能來選用傳感器，包括煙霧、熱釋紅外、振動、光照、CO2、溫濕度、壓力等類型傳感器。防盜型傳感器節(jié)點主要布置在倉庫門窗附近；防火型傳感器節(jié)點視具體情況而定。其中，各節(jié)點均內置鋰電池供電，也可通過外置12V電源供電并給內置鋰電池充電。

傳輸網絡用來采集倉庫的環(huán)境信息如溫濕度、人員的進出等，及時處理數(shù)據(jù)并根據(jù)自身路由協(xié)議，將環(huán)境信息匯聚到網關，網關將接收到的數(shù)據(jù)信息處理后傳輸?shù)奖镜赜嬎銠C或通過網絡供他人訪問，網關也可以接收上位機的命令，控制傳感器節(jié)點，如圖2所示。

以傳感節(jié)點為基礎，進行無線傳感網絡搭建，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)采集、節(jié)點與網關的通信以及網關的聯(lián)機功能。各節(jié)點工作信號頻率為2.4GHz，采用ZigBee通信協(xié)議，其中，ZigBee應用層和網絡層協(xié)議的技術標準是IEEE 802.15.4，網關和本地計算機采用RS232全雙工、無流控的通信方式。

圖1　倉庫布置結構圖

1.3軟件平臺設計

應用軟件的主要功能是向傳感器網絡收發(fā)信息，同時建立與管理環(huán)境感知數(shù)據(jù)庫和傳感器終端節(jié)點配置數(shù)據(jù)庫。操作界面中“串口連接”、“無線連接”為交互頁面；“倉庫視圖”、“查詢”、“菜單”導航欄可以打開系統(tǒng)的配置和查詢頁面，可以查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

串口連接：選擇串口號和波特率，建立連接就可以連接終端節(jié)點，實時顯示終端節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

無線連接：輸入IP地址和端口號，建立連接就可以連接終端節(jié)點，實時顯示終端節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

查詢-歷史數(shù)據(jù)：選取時間段或時間點和要查詢的節(jié)點DSA，即可以查詢該節(jié)點的光照、二氧化碳、溫度、濕度、煙霧報警等信息。

我們沒有祖國可以回歸。我們被一些不確定的闡釋，被一群過度敏感者過度闡釋的世界所包圍。在這種情況下，徐浡君在他的作品中摻入了一種能讓他墮入其中，卻不會被耗盡的敏感，或者說感覺，為了棲居扎根，為了與文化更靠近，或者喬裝成文化，這種感覺也是一種理解力，超越了事物的融和與差別，單純和忍讓。

查詢-歷史曲線：選取時間段或時間點和要查詢的節(jié)點DSA以及要查詢的類型，即可以繪制該節(jié)點的光照、二氧化碳、溫度、濕度、煙霧報警等曲線信息。

倉庫平面圖：顯示倉庫的平面信息，顯示各個節(jié)點在倉庫中的位置，當節(jié)點發(fā)生故障時也容易發(fā)現(xiàn)和處理。

圖2　無線傳感器網絡結構示意圖

2　系統(tǒng)中關鍵技術的實現(xiàn)

2.1終端節(jié)點設計

終端傳感器節(jié)點由CC2430處理器模塊、（各種）傳感器、存儲器模塊和電源模塊組成。終端傳感器節(jié)點的硬件結構圖如圖3所示。

（1）CC2430核心處理器模塊。核心處理器模塊采用高性能的CC2430及低功耗的8051的控制器進行集成。核心處理器模塊擁有不同的內存空間：處理器的代碼區(qū)、處理器的數(shù)據(jù)區(qū)和處理器的寄存器區(qū)，不同的內存空間可以將采集的數(shù)據(jù)和代碼進行分離，從而提高對內存的讀寫速度。

圖3　終端傳感器節(jié)點框圖

（2）傳感器。溫濕度、光照、CO2、壓力等各種傳感器節(jié)點都可以通過總線與CC2430相連接，多種傳感器節(jié)點可以一起連接在一個CC2430處理器上，監(jiān)測多種數(shù)據(jù)。

（3）存儲器模塊。存儲器模塊核心芯片是AT45DB041，通過SPI輸入端直接接入CC2430。存儲器模塊包含2 046頁×264 B Flash存儲單元，可以存儲CC2430接入的各種傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。

（4）電源模塊。電源模塊采用固定電源和電池供電兩種，對于環(huán)境簡單、位置相對固定的倉庫采用固定電源供電；環(huán)境復雜，監(jiān)測點需要移動的采用電池供電。固定電源供電選用AH805升壓穩(wěn)壓器，將3V電壓升高至5V；電源部分提供3V和5V兩種電壓，3V電壓為CC2430供電，5V電壓為外圍電路供電。CC2430的ADC模塊采樣P0端口引腳上的輸入電壓或AVDD_SoC引腳上的1/3電壓，監(jiān)測電源電壓是否在CC2430工作電壓2.0～3.6V范圍內，如果超出則發(fā)出報警信號。

2.2終端協(xié)調器節(jié)點設計

終端協(xié)調器節(jié)點與終端傳感節(jié)點結構類似，同樣也包含有處理器模塊、存儲器模塊和電源模塊，節(jié)點同時提供串行接口和以太網接口，其硬件結構的設計如圖4所示。

圖4　終端協(xié)調器節(jié)點框圖

（1）處理器模塊和存儲器模塊。處理器模塊和存儲器模塊與傳感終端節(jié)點結構相同。

（2）以太網口。節(jié)點使用DM9161作為以太網物理層接口，具有低功耗、高性能特點，支持10MB/s、100MB/s的以太網傳輸，通過接口可以進行編碼、譯碼、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出，將終端協(xié)調器節(jié)點連接至上位機或將終端協(xié)調器節(jié)點連接至無線網絡，即可實現(xiàn)節(jié)點的遠程連接。

（3）232串行接口。串行接口模塊采用通用的串口，即MAX3232及COM口共同組成。將CC2430的串口端與MAX3232相連接，進行電平的轉換；通過COM口與計算機進行通信，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

（4）電源模塊。由于協(xié)調器節(jié)點能量消耗較大，未保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和準確性，由室內電轉換后提供電源。

2.3傳感器網絡設計

傳感器網絡拓撲使用網狀結構，網絡節(jié)點均為全功能設備。計算機通過協(xié)調器節(jié)點向傳感器網絡發(fā)布感知指令，傳感器終端節(jié)點將感知數(shù)據(jù)通過動態(tài)路由快速傳至協(xié)調器節(jié)點，轉至計算機進行管理。

（1）ZigBee無線網絡拓撲結構。系統(tǒng)選用ZigBee網狀拓撲結構，所有節(jié)點均采用FFD設備，其中一個作為網絡協(xié)調器，其余為具有路由器功能的傳感器終端。網狀網絡覆蓋范圍大，網絡拓撲結構中的每一個節(jié)點即可以作為終端傳感器節(jié)點又可以作為路由器，保證路徑的優(yōu)化和可靠性。

（2）ZigBee協(xié)議的編程。ZigBee協(xié)議棧的各個層都需要有自己的FSM（有限狀態(tài)機）來追蹤后期的操作，而最頂層的狀態(tài)需最初調用apsFSM（）函數(shù)，進行初始化使協(xié)議棧運行。

節(jié)點如果作為協(xié)調器節(jié)點將該節(jié)點定義為COORDINATOR；若作為路由器節(jié)點則需該節(jié)點定義為ROUTER；如果該節(jié)點作RFD節(jié)點，則不需要定義。無線網絡拓撲結構中的協(xié)調器節(jié)點與終端傳感器節(jié)點形成網絡，則需要不斷循環(huán)和調用apsFSM（）來運行協(xié)議棧。通過調用aplFormNetwork（）服務和函數(shù)aplGetStatus（）的返回值來判斷服務是否調用成功。

應用程序通過調用aplSendMSG（）函數(shù)發(fā)送信息包，調用aplGetRxDstEp（）//返回目的端點、aplGetRxRSSI（）//返回收到消息的信號強度、aplGetRxMsgLen（）//返回消息長度、aplGetRxSADDR（）//返回源端點的3總結

短地址等函數(shù)來接收數(shù)據(jù)。

基于物聯(lián)網技術的倉儲環(huán)境感知系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的諸多缺點和弊端，其通用性、安裝和使用的方便程度都大大優(yōu)于其他測控系統(tǒng)，可廣泛用于各個行業(yè)的儲備型倉庫，如水果倉庫、藥品倉庫、?；穫}庫等。同時若將系統(tǒng)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過網絡與云端相連，可將系統(tǒng)推廣應用到貨物的運輸過程中，對運輸車輛進行實時監(jiān)控、報警，保證貨物的安全性和運輸質量。本系統(tǒng)的推廣應用，可以提升倉儲業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，降低倉儲成本，提高物流服務質量，從而推動物流業(yè)進入“智能時代”，實現(xiàn)智能互動。系統(tǒng)采用無線技術，還可以節(jié)約大量電線電纜，減少環(huán)境污染。

［1］董永勝.基于無線傳感器網絡的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.微型機與應用，2010，（9）.

［2］胡慶新，程陣.基于ZigBee的無線傳感器網絡定位系統(tǒng)的設計［J］.電子技術應用，2009，（11）.

［3］李珊珊.基于ZigBee的無線傳感網絡節(jié)點設計與實現(xiàn)［D］.長沙：湖南大學，2013.

［4］張秋.無線傳感器網絡在倉儲環(huán)境監(jiān)測中應用的研究［D］.江蘇：江南大學，2013.

［5］艾海峰.ZigBee的倉儲環(huán)境監(jiān)測無線節(jié)點設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2013.

［6］李修華，秦昕，何成就，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.山東工業(yè)技術，2015，（9）.

Design of Warehouse Environment Sensing System Based on IOT Technologies

Zhang Zejian，Wang Xiaodong，Yan Fang
（Hubei Research Institute of Logistics Technology， Xiangyang 441002， China）

In view of the problems with the traditional warehouse environment monitoring system， we proposed to integrate the IOTtechnologies， ZigBee technology and RFID technology， etc.， into the warehouse environment sensing system so as to improve the warehouseenvironment and the level of warehouse management and promote the development of the logistics industry.

IOT technology； warehouse environment； sensing system

F259.2；F724.6

A

1005-152X（2016）08-0119-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.08.030

2016-07-15

城鄉(xiāng)一體化商業(yè)服務網絡建設關鍵技術研究與示范（2014BAL07B01）

張澤建（1982-），男，湖北襄陽人，湖北物資流通技術研究所工程師，研究方向：物流技術；王曉東（1966-），男，河南方城人，高級工程師，研究方向：自動控制；晏芳（1981-），女，湖北襄陽人，湖北物資流通技術研究所工程師，研究方向：物流技術。