基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

秦騰飛 葛廣英 張如如 董騰 盛中華

摘 ?要： 為了提高倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息化和智能化的水平，解決監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境手段少、監(jiān)測(cè)環(huán)境方式落后、倉(cāng)庫(kù)管理效率不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了多種智能化的技術(shù)如ZigBee通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，實(shí)時(shí)采集所需要的環(huán)境值，自動(dòng)判斷和處理一些異常情況;將遠(yuǎn)端監(jiān)控中心、手機(jī)控制端、本地監(jiān)控室、通信轉(zhuǎn)發(fā)室、以及遠(yuǎn)端的倉(cāng)庫(kù)智能互聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行效果顯示，該系統(tǒng)的體系架構(gòu)可行，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，能夠極大地提高倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的管理效率。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); ZigBee; 倉(cāng)庫(kù)管理; 環(huán)境監(jiān)測(cè); 嵌入式技術(shù); 實(shí)時(shí)采集

中圖分類號(hào)： TN711?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0108?05

Abstract： To improve the informatization and intelligentization level of warehouse environment monitoring and resolve the problems such as few warehouse environment monitoring means， backward environment monitoring style， low warehouse management efficiency， a warehouse environment monitoring system based on Internet of Things （IoT） was designed and implemented. Multiple intelligent technologies such as ZigBee communication technology and embedded technology are combined in the system to collect the required environment values in real time and automatically judge and deal with some unusual circumstances. The warehouse environment monitoring was realized by intelligent connection of remote control center， mobile phone control terminal， local control room， communication forwarding room， and remote warehouse. The actual operating effect of the system shows that the system has a feasible architecture and stable function， and can greatly improve the efficiency of warehouse environment management.

Keywords： IoT; ZigBee; warehouse management; environmental monitoring; embedded technology; real?time acquisition

0 ?引 ?言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和智能化水平的不斷提高，智能化系統(tǒng)應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣，給人們的生活帶來(lái)了便利。在倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)這個(gè)領(lǐng)域存在智能化水平不高、管理和監(jiān)測(cè)環(huán)境效率低、不同的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類差異大等問(wèn)題。這就需要建立并驗(yàn)證一種體系架構(gòu)，能夠?qū)⒁恍┲悄芑夹g(shù)有效融合到環(huán)境監(jiān)測(cè)這個(gè)領(lǐng)域中去，并且能為解決走線復(fù)雜、成本高、傳感器種類多樣、綜合管理效率低等問(wèn)題提供基本的方法。

分析研究這些實(shí)際問(wèn)題之后，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑦h(yuǎn)端監(jiān)控中心、手機(jī)控制端、本地監(jiān)控室、通信轉(zhuǎn)發(fā)室、以及遠(yuǎn)端的倉(cāng)庫(kù)智能互聯(lián)起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了倉(cāng)庫(kù)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求[1?3]。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)采集所需的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境數(shù)據(jù)，具有ID卡身份識(shí)別，遠(yuǎn)程配置閾值參數(shù)，自動(dòng)故障處理與報(bào)警，倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理等功能。

1.2 ?系統(tǒng)基本組成

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、本地監(jiān)控設(shè)備、手機(jī)控制端和遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件等組成。各個(gè)設(shè)備模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1） 數(shù)據(jù)采集終端用于遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和電機(jī)、繼電器等的控制。

2） 通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)外接設(shè)備之間的通信，具有ID卡識(shí)別、加密、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

3） 本地監(jiān)控設(shè)備用于讓倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)管理人員監(jiān)控整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境數(shù)據(jù)。該設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集、異常報(bào)警、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和控制相關(guān)設(shè)備等功能。

4） 手機(jī)控制端主要是讓管理人員用手機(jī)端實(shí)時(shí)觀測(cè)各個(gè)遠(yuǎn)端倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)，并且能夠設(shè)置倉(cāng)庫(kù)環(huán)境參數(shù)的上下限閾值，控制數(shù)據(jù)采集終端外接的步進(jìn)電機(jī)和繼電器。

5） 遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件能夠?qū)φ麄€(gè)倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)的顯示，并可以對(duì)溫濕度、光照等環(huán)境值設(shè)置閾值。該軟件能夠?qū)}(cāng)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提高了倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的管理效率[4?6]。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?數(shù)據(jù)采集終端硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端硬件采用TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片內(nèi)部帶有RF模塊，是一款可以用于ZigBee通信的片上系統(tǒng)。該芯片內(nèi)部集成了ADC等模塊，可以靈活地外接多種器件，從而能夠采集光照、溫濕度，控制電機(jī)和繼電器等。硬件示意圖如圖2所示。

2.2 ?通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備硬件電路設(shè)計(jì)

通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備使用意法半導(dǎo)體的STM32F103[7]芯片來(lái)開(kāi)發(fā)。該設(shè)備可以提供數(shù)據(jù)通信的接口，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換、加密、ID卡身份識(shí)別等操作。實(shí)際測(cè)試中，與射頻ID卡識(shí)別模塊、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、本地監(jiān)控設(shè)備和ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口相連接。此設(shè)備的硬件電路示意圖如圖3所示。

2.3 ?本地監(jiān)控設(shè)備硬件電路設(shè)計(jì)

本地監(jiān)控設(shè)備采用意法半導(dǎo)體的STM32F401芯片開(kāi)發(fā)。設(shè)備外接有顯示屏、溫濕度傳感器、光照傳感器、多個(gè)手動(dòng)按鍵、步進(jìn)電機(jī)、繼電器、蜂鳴器、報(bào)警屏、其他設(shè)備通信接口等。其中多個(gè)手動(dòng)按鍵可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制繼電器、步進(jìn)電機(jī)等功能。設(shè)備硬件電路示意圖見(jiàn)圖4。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括了數(shù)據(jù)采集終端、通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、本地監(jiān)控設(shè)備、手機(jī)控制端和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 ?數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端是在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，使用TI公司的Z?Stack協(xié)議棧[8?9]。數(shù)據(jù)采集終端中采集終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)中首先對(duì)CC2530硬件、PANID等進(jìn)行初始化操作，在OSAL_SampleApp.c文件中的tasksArr[]數(shù)組添加SampleApp_ProcessEvent，在SampleApp.h頭文件中定義UINT16 SampleApp_ProcessEvent（uint8 task_id， uint16 events），在SampleApp.c中編寫具體實(shí)現(xiàn)的代碼。然后進(jìn)入Z?Stack輪詢式的操作系統(tǒng)，當(dāng)用戶的事件發(fā)生并且沒(méi)有更高級(jí)的事件產(chǎn)生時(shí)，采集終端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理工作。

采集終端能夠?qū)Σ杉墓庹蘸蜏貪穸鹊臄?shù)值與終端內(nèi)設(shè)定的光照和溫濕度的上下限閾值進(jìn)行比較，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)高于或低于相應(yīng)的閾值時(shí)，采集終端會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如啟動(dòng)電機(jī)或開(kāi)關(guān)繼電器等。

3.2 ?通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備在Keil MDK v5.14的開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)，使用開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供的庫(kù)函數(shù)[10?11]。主要實(shí)現(xiàn)了ID卡身份識(shí)別、與串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、本地監(jiān)控設(shè)備、ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)加密等操作。流程圖如圖6所示。

設(shè)備上電后，首先進(jìn)行初始化操作，包括時(shí)鐘頻率、GPIO，SPI外設(shè)、USART等的配置。在主循環(huán)中，讀取ID的卡號(hào)，如果讀取到的ID卡號(hào)為0xEEEA9385，則讀取到正確的ID卡，能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口、本地監(jiān)控設(shè)備和手機(jī)端的數(shù)據(jù)通信。

3.3 ?本地監(jiān)控設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

本地監(jiān)控設(shè)備在Keil MDK v5.14的開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)，使用開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供的庫(kù)函數(shù)。主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、步進(jìn)電機(jī)和繼電器的控制、數(shù)據(jù)的顯示、故障的報(bào)警以及與通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、遠(yuǎn)端監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信等操作。如圖7所示，首先進(jìn)行初始化的操作，包括時(shí)鐘總線、GPIO、片內(nèi)外設(shè)的配置以及全局變量（如自定義的結(jié)構(gòu)體my_local_data）的初始化，開(kāi)機(jī)測(cè)試等操作。在主循環(huán)中，首先讀取ADC的數(shù)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，將得到光照值存儲(chǔ)在my_local_data.light中;利用單總線，讀取溫度值，并存儲(chǔ)在my_local_data.temperature中，將讀取到的濕度值存儲(chǔ)在my_local_data.humidity中;讀取其他相關(guān)引腳的狀態(tài)值，并賦值給my_local_data結(jié)構(gòu)體相對(duì)應(yīng)的成員變量。接收來(lái)自ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作，將數(shù)據(jù)賦值給結(jié)構(gòu)體my_warehouse_data相應(yīng)成員變量，最后將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并通過(guò)顯示屏輸出。

3.4 ?手機(jī)控制端軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)界面端軟件在Eclipse環(huán)境中用Java[12]語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了通信連接、數(shù)據(jù)顯示與設(shè)置、遠(yuǎn)端控制等功能?？刂贫私缑嫒鐖D8所示。

3.5 ?遠(yuǎn)端監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)端監(jiān)控中心軟件在Visual Studio[13]環(huán)境中用C++[14]開(kāi)發(fā)，不但實(shí)現(xiàn)了通信連接、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、上下限閾值設(shè)置等功能，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一顯示與管理。遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件界面如圖9所示。

軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理功能，極大地提高了工作的效率。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試

所有設(shè)備上電，打開(kāi)手機(jī)端的WiFi，在手機(jī)端控制界面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中配置地址192.168.0.6，端口號(hào)為8080。遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件中選擇串口COM5，波特率為115 200 bit/s，其他選擇默認(rèn)，點(diǎn)擊鏈接按鈕，勾選自動(dòng)上傳，點(diǎn)擊手工召喚數(shù)據(jù)按鈕。

1） 首先系統(tǒng)未放置指定的ID卡，采集終端工作正常，而遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件、手機(jī)監(jiān)控軟件和本地監(jiān)控設(shè)備中顯示遠(yuǎn)端倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)為零。放置指定的ID卡后，這些設(shè)備中的遠(yuǎn)端倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示。

2） 放置指定的ID卡后，給采集終端1的光照傳感器強(qiáng)烈的光照從而超過(guò)終端內(nèi)設(shè)定的閾值80，采集終端的電機(jī)會(huì)自動(dòng)動(dòng)作。本地監(jiān)控設(shè)備的蜂鳴器會(huì)報(bào)警，顯示屏上顯示告警信息，遠(yuǎn)端監(jiān)控中心也會(huì)顯示告警信息。光照恢復(fù)正常值后，所有設(shè)備都恢復(fù)正常。

3） 放置指定的ID卡后，給本地監(jiān)控設(shè)備的光照傳感器強(qiáng)烈的光照從而超過(guò)終端內(nèi)設(shè)定的閾值90，本地監(jiān)控設(shè)備的蜂鳴器會(huì)響，步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)正轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)端監(jiān)控中心和顯示屏有告警信息。光照恢復(fù)正常后，所有信息恢復(fù)正常。

手動(dòng)按下繼電器的按鈕，顯示屏和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心都顯示開(kāi)啟或閉合狀態(tài)。

4） 放置指定的ID卡后，觀察遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件界面，界面顯示的數(shù)據(jù)和本地監(jiān)控設(shè)備、采集終端的數(shù)據(jù)是一致且實(shí)時(shí)變化。通過(guò)界面修改本地監(jiān)控設(shè)備的光照的上下限告警閾值，將上限值改為0。修改后，本地監(jiān)控設(shè)備的蜂鳴器會(huì)響，設(shè)備的顯示屏和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心上顯示告警信息。把光照的上限閾值改為100后，所有信息恢復(fù)正常。部分運(yùn)行的報(bào)警界面如圖10所示。

經(jīng)過(guò)各個(gè)組成模塊的功能驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的實(shí)時(shí)、高效、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)。

5 ?結(jié) ?論

這套系統(tǒng)功能較全面，采集終端能夠正確采集遠(yuǎn)端倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)，使用ZigBee無(wú)線通信將數(shù)據(jù)正確地上傳通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備;通信轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備識(shí)別ID卡后，進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)處理;本地監(jiān)控設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障自動(dòng)判斷、告警、手動(dòng)控制、信息顯示和主站通信等功能;手機(jī)控制端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)端倉(cāng)庫(kù);遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件能夠正常通信、正確顯示整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)，還能設(shè)置各種參數(shù)的報(bào)警閾值等，這些極大地提高了倉(cāng)庫(kù)管理的效率。系統(tǒng)成功地完成了多種智能化技術(shù)的融合，滿足了倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的需求，論證了此系統(tǒng)體系架構(gòu)的可行性，為解決實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)中遇到的一些問(wèn)題提供了方法。該系統(tǒng)若要應(yīng)用于實(shí)際倉(cāng)庫(kù)中還需要一個(gè)反復(fù)的測(cè)試、完善的過(guò)程，如系統(tǒng)的電磁兼容等問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

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