基于物聯(lián)網(wǎng)的智能運(yùn)輸車(chē)輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

穆天 曹清源

摘 要：針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)智能化的需求，文中設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能運(yùn)輸車(chē)輛控制系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的組成和工作原理。設(shè)計(jì)的運(yùn)輸車(chē)輛、控制系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自主運(yùn)行以及運(yùn)輸車(chē)輛與控制系統(tǒng)協(xié)同工作的功能。該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、功耗低、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：倉(cāng)儲(chǔ)；運(yùn)輸車(chē)輛；自動(dòng)控制；射頻識(shí)別；藍(lán)牙

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，在倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中引入無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[1-3]，通過(guò)掃描貼在每個(gè)貨物上的電子標(biāo)簽完成對(duì)貨物出入庫(kù)的跟蹤管理；同時(shí)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)以及微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集；對(duì)進(jìn)入倉(cāng)儲(chǔ)管理區(qū)域中的運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)行引導(dǎo)，從而高效提升企業(yè)智能運(yùn)輸車(chē)輛控制系統(tǒng)的綜合效益[4-8]。

倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸車(chē)輛管理控制系統(tǒng)是在無(wú)人工干預(yù)的情況下，為運(yùn)輸車(chē)輛導(dǎo)航，使運(yùn)輸車(chē)輛安全到達(dá)指定位置。運(yùn)輸車(chē)輛行駛至入口處，采集貨物信息并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息比對(duì)。本系統(tǒng)使用RFID技術(shù)讀取運(yùn)輸車(chē)輛承載貨物的詳細(xì)信息，通過(guò)藍(lán)牙向運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)送運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車(chē)輛的自主運(yùn)行。

1 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖1所示。使用印刷電路板（PCB）作為運(yùn)輸車(chē)輛的主體承載平臺(tái)，在其上方安裝一層有機(jī)玻璃板用于放置貨物。運(yùn)輸車(chē)輛使用兩個(gè)與車(chē)輪直接相連的微型直流電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，在該車(chē)輛后部安裝一個(gè)萬(wàn)向輪用于維持車(chē)體平衡。運(yùn)輸車(chē)輛在指定車(chē)道內(nèi)循跡行駛，且能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)本車(chē)與前車(chē)間的距離，當(dāng)與前車(chē)的距離小于安全車(chē)距時(shí)，運(yùn)輸車(chē)輛減速，避免與前車(chē)相撞。在運(yùn)輸車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)載藍(lán)牙始終開(kāi)啟并處于接收狀態(tài)，實(shí)時(shí)接收控制中心發(fā)送的指令，車(chē)輛依照指令運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)輸車(chē)輛行駛至道閘處時(shí)，道閘側(cè)面安裝的RFID讀寫(xiě)器能夠識(shí)別車(chē)載貨物的信息，并將信息上傳至控制中心計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將獲得的信息與既有數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)成功則向道閘發(fā)送成功信息，欄桿自動(dòng)抬起，道閘通過(guò)藍(lán)牙向運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)送停放位置，運(yùn)輸車(chē)輛駛?cè)牒髷?shù)據(jù)庫(kù)信息被更新；若比對(duì)失敗，欄桿保持落下?tīng)顟B(tài)，道閘向當(dāng)前的運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)送禁止駛?cè)氲男畔?，運(yùn)輸車(chē)輛接收到該信息后掉頭駛離。

2 運(yùn)輸車(chē)輛設(shè)計(jì)方案

2.1 車(chē)輛硬件設(shè)計(jì)方案

運(yùn)輸車(chē)輛由載臺(tái)和底盤(pán)兩部分組成。載臺(tái)是定做的透明有機(jī)玻璃板，通過(guò)銅柱安裝在車(chē)輛底盤(pán)上。底盤(pán)為車(chē)輛控制核心電路板。該電路板集成了微處理器、調(diào)試接口、開(kāi)關(guān)、電池插口、紐扣電池底座、穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)安裝口、避障傳感器、紅外光電傳感器及相應(yīng)的信號(hào)處理電路，并留有藍(lán)牙模塊的接口，還包括車(chē)輛正常工作需要的其他外圍電路。底盤(pán)上安裝有6個(gè)發(fā)光二極管（LED）作為狀態(tài)指示燈，還有2個(gè)數(shù)碼管專(zhuān)用于顯示車(chē)輛編號(hào)，使運(yùn)輸車(chē)輛具有良好的人機(jī)交互功效[9]。

全車(chē)的電能均來(lái)自一塊容量為2 600 mA的鋰電池，可通過(guò)獨(dú)立的穩(wěn)壓芯片向全車(chē)各模塊供電。其中，LM2940提供穩(wěn)定的5 V電源，向全車(chē)各傳感器模塊供電；AMS1117-3.3提供3.3 V電源，向控制器和無(wú)線(xiàn)通信模塊供電；78M05和78M06用于向電機(jī)提供工作電流。全車(chē)各穩(wěn)壓芯片獨(dú)立工作，互不干擾，可保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

MCU采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32系列微處理器，該處理器使用來(lái)自ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核， 該內(nèi)核專(zhuān)門(mén)用于高性能、低功耗及對(duì)成本較為敏感的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合，因此STM32系列處理器[10，11]是本系統(tǒng)的最佳選擇。

本系統(tǒng)選用額定電壓為6 V，轉(zhuǎn)速為30 r/min的n20小型電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用ST公司的L298P芯片，該芯片工作電壓最高可達(dá)46 V，持續(xù)工作電流為2 A，已完全滿(mǎn)足運(yùn)輸車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電流的需求。封裝為貼片形式，具有便于焊接安裝、外圍電路簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

運(yùn)輸車(chē)輛與道閘控制系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信協(xié)議進(jìn)行通信，軟件協(xié)議采用自主設(shè)計(jì)模式，硬件電路采用自主設(shè)計(jì)的傳輸模塊，通過(guò)排針與排座將其安裝在運(yùn)輸車(chē)輛及道閘控制系統(tǒng)的電路板上。藍(lán)牙模塊采用基于CC2540芯片的解決方案，使用藍(lán)牙4.0協(xié)議，傳輸速率達(dá)1 Mb/s，若采用外置天線(xiàn)，傳輸距離可達(dá)到100 m。其傳輸速度與傳輸距離均能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

避障模塊使用市面上流行的E18-D50NK光電傳感器，其有效距離為3～50 cm，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線(xiàn)計(jì)件等場(chǎng)合。該傳感器通過(guò)專(zhuān)用支架固定在車(chē)輛底盤(pán)的PCB上，安裝方便，工作性能穩(wěn)定。

用于實(shí)現(xiàn)車(chē)輛尋跡行駛功能的傳感器使用TCRT5000反射式紅外光電傳感器。該傳感器尺寸小，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)運(yùn)輸車(chē)輛的需求。光電傳感器電路如圖3所示。

2.2 運(yùn)輸車(chē)輛工作過(guò)程

運(yùn)輸車(chē)輛沿標(biāo)記的路徑行駛，當(dāng)車(chē)輛偏離路徑時(shí)能夠自動(dòng)糾正；當(dāng)車(chē)載紅外光電傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎標(biāo)記時(shí)可根據(jù)指示轉(zhuǎn)彎；當(dāng)檢測(cè)到停車(chē)線(xiàn)時(shí)停車(chē)，準(zhǔn)備接收道閘控制系統(tǒng)發(fā)送的信息。當(dāng)?shù)篱l發(fā)送允許信息時(shí)，運(yùn)輸車(chē)輛等待欄桿抬起后繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)?shù)篱l發(fā)送禁止信息時(shí)，運(yùn)輸車(chē)輛自動(dòng)掉頭返回，行駛至停車(chē)區(qū)停車(chē)。運(yùn)輸車(chē)輛工作過(guò)程如圖4所示。

3 道閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 道閘控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

道閘控制系統(tǒng)由安裝在透明有機(jī)玻璃板上的獨(dú)立模塊構(gòu)成，包括控制器主板、液晶顯示器、藍(lán)牙模塊、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和射頻卡讀寫(xiě)器。整個(gè)系統(tǒng)由一塊鋰電池供電，該鋰電池與運(yùn)輸車(chē)輛使用的鋰電池完全相同，此處不再贅述。

主板的核心處理器為意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32系列微處理器STM32F103ZET6。這款處理器擁有144個(gè)引腳，72 MHz的主頻，512 kB Flash，64 kB RAM，并擁有多達(dá)80個(gè)通用輸入、輸出端口（GPIO）。該處理器外設(shè)資源豐富，處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)，能夠完全滿(mǎn)足本項(xiàng)目道閘控制系統(tǒng)的需求。

主板上留有調(diào)試接口、液晶顯示器接口、無(wú)線(xiàn)通信模塊接口和SD卡接口，將全部GPIO通過(guò)排針引出，便于連接。主板上還集成了電源插座、穩(wěn)壓芯片（5 V和3.3V）、用于RTC的紐扣電池、紅外遙控接收頭和必要的外圍電路。道閘控制系統(tǒng)的液晶顯示器和藍(lán)牙模塊直接安裝在主板上，其他模塊通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和主板連接。

顯示器選用薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）。

步進(jìn)電機(jī)選用兩相四線(xiàn)的42BYGH步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)扭矩大，安裝方便，且與選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相匹配。使用該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)能夠完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

射頻讀卡器選用購(gòu)買(mǎi)的成品MFRC-522模塊。該模塊被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)射頻識(shí)別場(chǎng)合中，其供電電壓為3.3 V，通過(guò)SPI接口直接與用戶(hù)MCU主板相連接通信，具有工作可靠、讀卡距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。射頻讀卡器與MCU連接關(guān)系如圖5所示。

3.2 道閘控制系統(tǒng)工作過(guò)程

道閘控制系統(tǒng)工作過(guò)程如圖6所示。MCU通過(guò)射頻讀卡器連續(xù)檢測(cè)當(dāng)前卡的狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到有卡后，MCU獲取卡片信息，將其發(fā)送至上位機(jī)軟件中，若獲得的反饋信息為允許通過(guò)，則藍(lán)牙模塊向運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)送通過(guò)信息，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)欄桿抬起，待車(chē)輛通過(guò)后道閘落下，射頻讀卡器繼續(xù)檢測(cè)卡狀態(tài)；若卡片代表的信息為禁止通過(guò)，則藍(lán)牙模塊向運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)送禁止信息，運(yùn)輸車(chē)輛掉頭返回，欄桿保持落下?tīng)顟B(tài)。

4 計(jì)算機(jī)軟件簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目涉及的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案如下：通過(guò)LabVIEW繪制前面板，構(gòu)成程序主界面。主界面第一行顯示當(dāng)前最新的貨物進(jìn)出動(dòng)態(tài)。第一行上方的選擇欄設(shè)定當(dāng)前使用的串口號(hào)，通過(guò)串口與道閘通信。第一行下方列表顯示歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)篱l檢測(cè)到貨物時(shí)，將貨物信息通過(guò)串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)處，由計(jì)算機(jī)軟件判定是否允許貨物進(jìn)入，并將當(dāng)前編號(hào)、系統(tǒng)時(shí)間、貨物信息、狀態(tài)等顯示在前面板上。若貨物允許進(jìn)入，則向道閘發(fā)送允許信息；反之則發(fā)送禁止信息。程序運(yùn)行時(shí)前面板如圖7所示[12-14]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)以及微處理器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能運(yùn)輸車(chē)輛控制系統(tǒng)，并通過(guò)硬件模塊、軟件模塊的選取進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無(wú)人工干預(yù)的情況下，該系統(tǒng)能夠?yàn)檫\(yùn)輸車(chē)輛導(dǎo)航，使運(yùn)輸車(chē)輛安全到達(dá)指定位置，具有自動(dòng)化程度高、功耗低、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Komori Y， Sakai K， Fukumoto S. RFID Tag Grouping Protocols Made Private[C].Dependable Systems and Networks Workshop（DSN-W），2017 47th Annual IEEE/IFIP International Conference on.IEEE，2017：105-106.

[2] Zaid J， Farahani M， Denidni T A. Magneto-dielectric substrate-based microstrip antenna for RFID applications[J].IET Microwaves， Antennas & Propagation，2017， 11（10）： 1389-1392.

[3] Sanjay Ahuja， Pavan Potti.An Introduction to RFID Technology[J].Communications and Network，2010（2）：183-186.

[4]聶開(kāi)林，李韶遠(yuǎn)，陳家樂(lè)，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流云倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)[J].電子世界，2017（13）：40-41.

[5]任曉莉. 基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2017，45（4）：783-787.

[6]李衛(wèi)東，徐金鈺，郭鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)鐵路倉(cāng)儲(chǔ)管理信息跟蹤設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（7）：61-65.

[7] 王慶生，魏曉偉.RFID 復(fù)雜事件處理關(guān)鍵技術(shù)的研究與改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（1）：45-48.

[8] 周潤(rùn)景，郝媛媛.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 謝龍漢，魯力，張桂東.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[10] 張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇.原子教你玩STM32（庫(kù)函數(shù)版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[11] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[12] 張?zhí)m勇，孫健，孫曉云，等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[13] 鄭對(duì)元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[14] 林靜，林振宇，鄭福仁等.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2013.