基于Arduino的倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)設(shè)計(jì)

張琳 潘昊飛 凌應(yīng)花 葉周宇

【摘 要】基于Arduino的倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)為移動(dòng)設(shè)備。下位機(jī)主要包括Arduino及其擴(kuò)展板，紅外避障傳感器，煙霧傳感器，溫濕度傳感器等，作用是完成自動(dòng)避障、溫度、濕度和煙氣濃度數(shù)據(jù)采集功能。智能小車(chē)?yán)胊rduino leonardo完成信號(hào)控制，處理采集的數(shù)據(jù)并通過(guò)ESP8266將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)顯示，供工作人員監(jiān)測(cè)。智能小車(chē)既可以自由行駛，也可以通過(guò)上位機(jī)控制小車(chē)的行駛路線，方便對(duì)小車(chē)的操控。

【關(guān)鍵詞】Arduino;智能小車(chē);傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）11-0026-003

【Abstract】The intelligent warehouse car based on Arduino is composed of upper computer and lower computer.The upper computer is a mobile device.The lower computer mainly includes Arduino and its expansion board，infrared obstacle avoidance sensor，smoke sensor，temperature and humidity sensor，etc.，which is used to complete the function of automatic obstacle avoidance，temperature，humidity and smoke concentration data collection.The intelligent car USES arduino leonardo to complete signal control，process the collected data and transmit the data to the upper computer through ESP8266 for staff monitoring.The intelligent car can not only drive freely，but also control the running route of the car through the upper computer，which is convenient for the control of the car.

【Key words】Arduino;Intelligent car;The sensor

0 引言

倉(cāng)庫(kù)作為企業(yè)存放物資的地方，關(guān)系著公司職工的生命安全和公司的經(jīng)濟(jì)利益。每年，倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡都是無(wú)數(shù)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)數(shù)量占全年火災(zāi)總數(shù)的21.76%，造成重大人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)通過(guò)對(duì)倉(cāng)庫(kù)中溫濕度，氣體濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，幫助倉(cāng)庫(kù)管理人員提前做好防備，降低倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)發(fā)生的可能性。由于倉(cāng)庫(kù)的面積較大，人工檢測(cè)的成本較高，且采集的數(shù)據(jù)不夠精確，利用倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫濕度，氣體濃度進(jìn)行采集，既減少人力成本又提高數(shù)據(jù)的精確程度。本文利用Arduino及其擴(kuò)展板研究設(shè)計(jì)一個(gè)可以完成檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)溫濕度，氣體濃度的倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)硬件電路結(jié)構(gòu)

倉(cāng)庫(kù)智能車(chē)配備Arduino及其擴(kuò)展板，超聲波傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器，輪胎采用橡膠輪胎，并通過(guò)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，保證小車(chē)行駛的穩(wěn)定性和速度的可控性。倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 避障模塊

為保障倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)在無(wú)上位機(jī)控制時(shí)能夠自主行駛，本設(shè)計(jì)采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)自主避障。紅外避障傳感器有一對(duì)紅外發(fā)射管和接收管，發(fā)射管發(fā)出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射表面）時(shí)，紅外線被接收管反射回來(lái)并被接收管接收。GP2 D120 X的測(cè)量范圍為4～30cm，常被用于智能硬件領(lǐng)域的視覺(jué)系統(tǒng)中，因此，GP2 D120 X紅外傳感器可以幫助自主行駛小車(chē)更準(zhǔn)確地避開(kāi)障礙物。

1.3 DHT11溫濕度模塊

為了確保倉(cāng)庫(kù)智能車(chē)測(cè)量的溫度和濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用DHT11溫度和濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器具有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的功能，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高，它可以保證測(cè)量數(shù)據(jù)具有高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，體積小、功耗低，便于攜帶。

1.4 MQ9煙霧傳感器模塊

采用MQ9煙霧傳感器測(cè)量倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的氣體濃度，MQ9煙霧傳感器對(duì)一氧化碳，甲烷和液化石油氣非常敏感，它采用了SnO2敏感材料，通過(guò)循環(huán)高低溫進(jìn)行檢測(cè)，低溫時(shí)檢測(cè)CO，高溫時(shí)檢測(cè)甲烷，丙烷等可燃?xì)怏w，并且能夠自動(dòng)清除低溫下吸附的其他氣體。

1.5 ESP8266無(wú)線模塊

為保證倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)與上位機(jī)之間穩(wěn)定的通信，通過(guò)比較藍(lán)牙、紅外和WIFI控制的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用WIFI Bee-ESP8266芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。WIFI Bee-ESP8266芯片可用于擴(kuò)展Arduino，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程控制，芯片的片上處理和存儲(chǔ)能力十分強(qiáng)大，內(nèi)置32位處理器和Lwip協(xié)議棧并支持AP+STA模式共存。采用XBEE造型設(shè)計(jì)的串口轉(zhuǎn)WIFI的設(shè)計(jì)模式，體積較小。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)使用RomeoV2開(kāi)發(fā)板做為主控板，實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)避障系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等各個(gè)模塊功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

2.2 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)主要包括溫濕度檢測(cè)和氣體濃度檢測(cè)。

系統(tǒng)上電后，先判斷DHT11溫濕度傳感器是否工作正常，若不正常則返回錯(cuò)誤信息，反之，則執(zhí)行指令返回所采集的溫濕度數(shù)據(jù)。氣體濃度檢測(cè)，采用MQ9煙霧傳感器模塊，可以將0到5V之間的輸入電壓轉(zhuǎn)換為0到1023之間的整數(shù)值，根據(jù)其返回的數(shù)據(jù)可以分析出空氣中一氧化碳等氣體的濃度。溫濕度檢測(cè)具體的代碼分析如下：

2.3 自動(dòng)避障系統(tǒng)

自動(dòng)避障系統(tǒng)主要采用GP2D120 X紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，可探測(cè)前方4～30cm距離的物體。GP2D120 X紅外傳感器的舵機(jī)不停的以0～180°反復(fù)擺動(dòng)，在檢測(cè)到前方大概6cm處有障礙物后，傳遞信息給Romeo V2主控芯片，控制小車(chē)自動(dòng)轉(zhuǎn)向避障。具體的代碼分析如下：

2.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)，是為了實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)與上位機(jī)之間的通信，采用ESP8266芯片，使其在AP模式下工作，利用上位機(jī)來(lái)連接ESP8266開(kāi)啟的AP熱點(diǎn)，完成實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)與上位機(jī)之間的通信。

利用ESP8266開(kāi)啟一個(gè)AP（接入點(diǎn)），并創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器，當(dāng)有設(shè)備連接時(shí)，服務(wù)器發(fā)送握手成功信息給接入的設(shè)備，并將上位機(jī)發(fā)送的指令傳遞給Romeo V2控制器，由Romeo V2控制器來(lái)控制倉(cāng)庫(kù)智能執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。關(guān)鍵代碼分析如下：

2.5 上位機(jī)系統(tǒng)

為了能夠?qū)χ悄軅}(cāng)庫(kù)小車(chē)行駛路線進(jìn)行控制，在手機(jī)移動(dòng)端，開(kāi)發(fā)了基于Andriod平臺(tái)的“WIFI小車(chē)”APP?！癢IFI小車(chē)”APP具有控制小車(chē)的移動(dòng)和接收小車(chē)的環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。主要代碼如下：

（1）發(fā)送控制指令模塊：

3 功能測(cè)試

完成倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)的硬件連接與系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對(duì)倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

（1）上位機(jī)與倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)的能否連接成功，測(cè)試結(jié)果如圖3：

（2）倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)能否采集到溫濕度數(shù)據(jù)并檢測(cè)可燃?xì)怏w是否超標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示：

（3）倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)在自動(dòng)行駛模式遇到障礙物時(shí)能否避障行駛，避障測(cè)試結(jié)果如圖5所示：

經(jīng)檢測(cè)，倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)在自動(dòng)行駛模 式下能夠成功避開(kāi)所有障礙物并正常行駛。在非自動(dòng)行駛模式下，上位機(jī)可以控小車(chē)正常行駛并且準(zhǔn)確采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)和氣體濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)判斷此時(shí)可燃?xì)怏w濃度是否超標(biāo)。因此，倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)通信系統(tǒng)，自動(dòng)避障系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)均能正常工作，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 總結(jié)與展望

將由紅外避障傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器和Arduino及其擴(kuò)展板構(gòu)成的智能小車(chē)應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)中，是智能機(jī)器人應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的一種體現(xiàn)。倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)取代人工測(cè)量倉(cāng)庫(kù)中環(huán)境數(shù)據(jù)，成本低且精確度高，控制過(guò)程簡(jiǎn)單便于操作，同時(shí)可以加以改造應(yīng)用于其他工業(yè)智能作業(yè)領(lǐng)域中。當(dāng)然，倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)還有些不足之處，比如當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)怏w超標(biāo)時(shí)能否準(zhǔn)確找到著火點(diǎn)，并將位置信息傳送給上位機(jī)，通知倉(cāng)庫(kù)管理人員。

下一步將為倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)設(shè)計(jì)一個(gè)GPS定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的實(shí)時(shí)定位，使倉(cāng)庫(kù)管理人員在倉(cāng)庫(kù)著火時(shí)，快速到達(dá)著火點(diǎn)進(jìn)行撲火，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高安全保障。同時(shí)研究多性能的小車(chē)針對(duì)存儲(chǔ)不同貨物的倉(cāng)庫(kù)，綜合各種因素為倉(cāng)庫(kù)提高更加自動(dòng)化，實(shí)用化的倉(cāng)庫(kù)智能小車(chē)。

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※基金項(xiàng)目：安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015ckjh114）;安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（AH201712216062）。

作者簡(jiǎn)介：張琳（1999.01—），女，安徽六安人，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)開(kāi)發(fā)、嵌入式。