基于Ardunio的電子倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

高弘揚+徐琴

摘要：隨著電子產業(yè)快速發(fā)展，對于電子倉庫的智能化管理和實時監(jiān)控也有了更高的需求。在一些較為精密的電子倉庫中，需要進行實時的溫濕度環(huán)境監(jiān)控，以Arduino開源板和AndroidTVBox作為開發(fā)平臺，設計了一套無線網(wǎng)絡電子倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過傳感器將電子倉內的溫濕度環(huán)境信息以及設備運轉狀態(tài)采集到Arduino控制器中，再通過Wifi模塊將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關模塊，通過無線網(wǎng)絡在服務器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，同時在顯示屏上進行實時的數(shù)據(jù)顯示，如果超出閾值范圍則會進行聲、畫報警提示，從而實現(xiàn)對電子倉內環(huán)境的調控。該系統(tǒng)具有部署方便、成本低、可靠性高、擴展性強等優(yōu)點，具有推廣應用價值。

關鍵詞：Ardunio；環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；wIFI；Android；電子倉

1概述

電子工業(yè)是在電子科學技術發(fā)展和應用的基礎上發(fā)展起來的。20世紀以來，隨著大規(guī)模集成電路和計算機的大量生產和使用，以及光纖通信、數(shù)字化通信、衛(wèi)星通信技術的興起，使電子工業(yè)成為一個迅速崛起的高技術產業(yè)。伴隨著這種快速發(fā)展，電子產品零部件的精密度、復雜度也越來越高，有些核心電子器件的成本很高，需要做到多方面的保護，因此對于電子倉的環(huán)境也提出了較高的要求。目前，大多的電子倉都需要做到恒溫、恒濕、防靜電。在傳統(tǒng)的電子倉環(huán)境監(jiān)控中，一般采取在倉內配置少量的溫濕度監(jiān)控報警設備，這種設備大多精度較低，并且由于設備自身較大，不利于多點布局。鑒于此，設計了一種分布式、多節(jié)點的電子倉溫濕度環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用Ardu-ino開源板與AndroidTVBox作為控制系統(tǒng)的核心單元，對電子倉內環(huán)境進行調控，同時利用WiFi模塊進行無線傳輸，解決了繁雜的布線問題。

2電子倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

隨著電子工業(yè)和信息的發(fā)展，有兩個架構概念使用范圍很廣，分別是“互聯(lián)網(wǎng)+”和“物聯(lián)網(wǎng)”。其中，“互聯(lián)網(wǎng)+”是以互聯(lián)網(wǎng)為主，外圍智能模塊和傳感器為輔，構建互聯(lián)生態(tài)；而“物聯(lián)網(wǎng)”卻是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，重點在傳感器數(shù)據(jù)采集，設備控制，遠程監(jiān)控為主。在一個典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，從組成上來看分為三個部分：感知（實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，包括了傳感器、執(zhí)行器，RFID，二維碼和智能裝置等）、連接（網(wǎng)絡層）、智能（應用層，包涵應用基礎設施、中間件和物聯(lián)網(wǎng)應用）。本電子倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)正是基于“物聯(lián)網(wǎng)”的架構為基礎而設計的。

該電子倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個部分組成：控制系統(tǒng)終端層、中心網(wǎng)關層、服務器層。控制系統(tǒng)終端層：主要包含多路溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及終端控制模塊（Ardmfio）。根據(jù)現(xiàn)場的不同環(huán)境參數(shù)，設置對應的控制模塊（Ardunio），可任意進行的擴展和改造；中心網(wǎng)關層（TVBox）：主要通過Wifi模塊與控制系統(tǒng)終端層的各個小的終端模塊（Ardunio）進行數(shù)據(jù)交互，同時將所獲取的數(shù)據(jù)以網(wǎng)格的形式在顯示屏上進行直觀顯示，針對不同的溫濕度監(jiān)測情況會有不同的顯示效果。此外進行雙網(wǎng)關設置，以做備用；服務器層：將中心網(wǎng)關發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于服務器的數(shù)據(jù)庫中，服務器的編碼使用spring-boot，數(shù)據(jù)庫使用MongoDB，將所獲取的數(shù)據(jù)進行分布式存儲，便于后期將數(shù)據(jù)接入云端進行大數(shù)據(jù)的處理。其總體設計見圖1。

2.1系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件部分主要實現(xiàn)的功能是溫濕度數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，并且能夠依據(jù)數(shù)據(jù)的實際情況作出報警等相應操作。主要包括溫濕度傳感器、WIFI模塊和每條線路的控制器（Ardunio），在實際的開發(fā)中選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、ESP8266 WIFI模塊和Ardunio UNO R3開發(fā)板。DHTl 1數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，尤其適用于中小型系統(tǒng)設計應用。該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，產品為4針單排引腳封裝，連接方便。具體的溫濕度感知模塊設計如圖2所示。

結合電子倉的實際布局，我們在房間共設置了7條線路，每條線路上包含一個控制器（Ardunio）、一個WIFI模塊和五個溫濕度傳感器（DHT11），其中每一條線路上Ardunio和溫濕度傳感器的引腳連線如圖3所示。

2.2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括中心網(wǎng)關和服務器的設計，其中網(wǎng)關在整個系統(tǒng)中起到橋梁的作用，它實現(xiàn)的主要功能是實現(xiàn)控制系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)的存儲和顯示，同時具備一定的控制功能。服務器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，在存儲過程中我們選用了Man-goDB作為數(shù)據(jù)庫來進行存儲。

2.2.1中心網(wǎng)關設計

鑒于網(wǎng)關部分承載的數(shù)據(jù)展示作用，選用了Askey生產的TVBox Android智能盒子，盒子預裝了4.4KitKat版本的Android系統(tǒng)，提供四個USB插口供存儲設備或外部設備接入。基于該設備和人機界面人性化的需求，設計了一款與該系統(tǒng)相匹配的APP運行于智能盒子上。Android是一種以linux為基礎的開放源碼操作系統(tǒng)，主要應用于移動設備。Android采用Eclipse作開發(fā)環(huán)境，以Java作為開發(fā)語言。程序由用戶界面（UI）層、服務層、保持層三大部分組成。其中UI層完成與用戶交互和環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示，也就是我們最直觀看到的顯示；服務層由服務程序在后臺運行，創(chuàng)建線程執(zhí)行與服務器間的數(shù)據(jù)交互以及本地數(shù)據(jù)處理；保持層刷新服務器發(fā)送過來的實時數(shù)據(jù)，同時反饋給界面進行顯示。應用軟件設計好之后，將該apk文件拷貝至Android智能盒子中安裝后即可運行，正常狀態(tài)下的運行初始界面如圖4所示。圖中字母后面的序號1-7表示房間中所安置的7條線路，A-E表示每條線路上的5個溫濕度傳感器。當控制系統(tǒng)終端所上傳的數(shù)據(jù)高于或低于所設置的閾值范圍時，該傳感器所在方格的背景色和文字會進行相應改變，從而達到警示的效果，警示狀態(tài)顏色標示遵從表1。

2.2.1服務器設計

服務器主要用于接收中心網(wǎng)關傳上來的溫濕度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行格式轉換后存儲在MongoDB數(shù)據(jù)庫中，然后可以通過MongoDB數(shù)據(jù)庫指令對數(shù)據(jù)進行查詢。另一個功能是對網(wǎng)關的狀態(tài)進行判斷，當一個網(wǎng)關出現(xiàn)故障時，會自動切換到備用網(wǎng)關，同時在原網(wǎng)關上進行警示，提醒工作人員進行替換。服務器編碼使用spring-boot，數(shù)據(jù)庫使用MongoDB。spring-boot是基于spring框架上的技術，主要優(yōu)點是嵌入了tomcak簡化了Maven配置且自動配置spring無須配置Xml文件，整體代碼風格易懂簡潔。MongoDB是NoSql數(shù)據(jù)庫，在大型數(shù)據(jù)處理上比關系數(shù)據(jù)庫（relational database）更優(yōu)，同時也是目前主流的云服務所采用的數(shù)據(jù)庫。

3結論

該系統(tǒng)先在實驗室模擬狀態(tài)下進行了測試，測試時搭建了兩條數(shù)據(jù)采集線路，配置本地服務器進行測試，為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在測試過程中給予部分人工干預，效果良好，達到了預期的效果。目前該系統(tǒng)已在實際的電子倉中進行安裝，運行較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)實時反饋效果較好，同時由于使用了分布式的節(jié)點進行監(jiān)測，對于電子倉的溫濕度調控能達到更為精準的效果。

本系統(tǒng)以Arduino開源板和AndroidTVbox作為開發(fā)平臺，設計了一套分布式無線網(wǎng)絡電子倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化控制的手段，解決了傳統(tǒng)電子倉環(huán)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不夠準確，控制不方便的缺陷。Android平臺和WIFI模塊的加入，使得只要是廠區(qū)里覆蓋了WIFI的電子倉都可進行安裝、監(jiān)控，利用Mon-goDB數(shù)據(jù)庫進行分布式存儲，也為之后的云端管理做了鋪墊，具有一定的擴展能力。endprint