基于ZigBee與STM32的叉車管理系統(tǒng)研究

周 祿，李捍東，覃 濤，徐 杰

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到各行各業(yè)。雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透進(jìn)了社會(huì)生活的各個(gè)方面，比如智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，但仍有巨大的發(fā)揮潛能。由于各國企業(yè)來華投資，中國已成為“世界工廠”，如何打造以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造為基礎(chǔ)的新競爭優(yōu)勢，成為新時(shí)代的建設(shè)重點(diǎn)。智能工廠是指工廠的辦公、管理及生產(chǎn)自動(dòng)化，與此同時(shí)生產(chǎn)安全和效率得到提升。目前在發(fā)達(dá)國家工廠管理人員可以通過叉車的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)制定對整個(gè)廠區(qū)的叉車工作的合理調(diào)度安排，但是中國大部分工廠還未實(shí)現(xiàn)上述功能，所以造成巨大的人力、物力、財(cái)力資源浪費(fèi)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對車輛的智能化管理和控制提供了有力的技術(shù)支撐。

康昭等提出了射頻識(shí)別（RFID）和超寬帶（UWB）技術(shù)在智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的聯(lián)合應(yīng)用，但沒有考慮倉儲(chǔ)周圍環(huán)境，對叉車的情況缺失管理，缺少危險(xiǎn)報(bào)警等安全措施；Sergiu等提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由定位服務(wù)器、倉庫管理服務(wù)器和安裝在叉車上設(shè)備組成，并根據(jù)位置信息以及定位服務(wù)器從倉庫管理服務(wù)器獲得的信息，告知叉車操作員將要依照執(zhí)行的各種動(dòng)作，從而減少叉車行駛的距離以及搬運(yùn)和裝載時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了叉車的動(dòng)作指導(dǎo)和定位服務(wù)，但是這種預(yù)測和指導(dǎo)會(huì)有延遲，如果能將叉車出入車間的情況通過RFID模塊上傳至數(shù)據(jù)庫，就能針對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并作出決策，可以方便管理員的工作；Fabian Kirsch等利用本地雷達(dá)技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的叉車等運(yùn)輸車輛進(jìn)行定位，使用了RFID模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置監(jiān)測，并且利用超寬帶定位系統(tǒng)融合算法進(jìn)行三維高精度對叉車定位，但是由于使用的是雷達(dá)系統(tǒng)，存在視野盲區(qū)而且容易被天氣或其它事物干擾，測量結(jié)果會(huì)失去準(zhǔn)確度。

在工業(yè)4.0的背景下，物流貿(mào)易空前發(fā)展，中國急需建立智能化倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)，叉車是物流行業(yè)不可缺少的工具，目前叉車智能化的程度還不夠，而且一般廠內(nèi)需要專職人員對叉車定期進(jìn)行檢查，造成成本浪費(fèi)；其次故障排查人員不一定能及時(shí)有效精確定位到故障點(diǎn)，導(dǎo)致叉車本身可能會(huì)長期存在隱患點(diǎn)。

為解決上述叉車管理的問題，本文研究了基于ZigBee和STM32的叉車管理系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測叉車，遇到叉車故障能手動(dòng)上傳故障碼，管理人員收到后安排維修師傅針對具體問題現(xiàn)場修理，免去故障排查，有效提高工廠叉車管理水平，適應(yīng)智能工廠的轉(zhuǎn)變。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee自組網(wǎng)、多點(diǎn)中繼，實(shí)現(xiàn)了樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較為簡單的通信方案，圖1給出了一個(gè)典型的樹形結(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信可以依賴路由器的輔助轉(zhuǎn)發(fā)完成通信，即便是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)，也能借助路由器轉(zhuǎn)發(fā)消息。采用了樹形結(jié)構(gòu)主要是考慮到這種結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式相對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，簡單且易于調(diào)試，傳輸距離比星形結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)。

圖1 ZigBee樹形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 ZigBee tree networking structure

基于此結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟硬件的開發(fā)和設(shè)計(jì)，同時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)開展了多次組網(wǎng)測試，最終完成了調(diào)試。

叉車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。由于在廠區(qū)有多個(gè)存儲(chǔ)廠房，所以需要多個(gè)這種叉車控制器，稍后介紹多個(gè)叉車控制器的總體架構(gòu)布局。單個(gè)叉車控制系統(tǒng)架構(gòu)包括多個(gè)模塊，包含液晶顯示、超聲波報(bào)警、RFID、供電以及供電檢測、叉車故障檢測上報(bào)幾大模塊，幾大模塊與主控集成在一個(gè)控制箱內(nèi)，放置在叉車空閑位置。顯示模塊方便操作人員查看，比如RFID模塊檢測到當(dāng)前叉車進(jìn)入哪一個(gè)廠房等；叉車電池故障狀態(tài)包含過壓、欠壓、充電過流、放電過流、SOC過低報(bào)警；超聲波報(bào)警模塊主要是考慮到安全問題，設(shè)置一個(gè)安全范圍，通過限制叉車與物體間的間距在安全范圍內(nèi)可以避免危險(xiǎn)發(fā)生；叉車故障監(jiān)測上報(bào)模塊上傳故障信息，通過將多種故障編碼來內(nèi)置多種故障情況，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)駕駛員可以通過輸入相應(yīng)故障代碼發(fā)送給后臺(tái)，管理人員可以及時(shí)派故障修理人員到場處理；射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)。RFID模塊主要是用來確定叉車當(dāng)前位置的；供電模塊為叉車控制器提供能源，不需要外界供能，供能模塊采用的是鋰電池供能。

圖2 叉車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖Fig.2 Design architecture of forklift control system

由于在廠區(qū)有多個(gè)存儲(chǔ)廠房，所以需要多個(gè)叉車控制器，需要多個(gè)控制器來進(jìn)行協(xié)調(diào)，多臺(tái)控制器的系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 多臺(tái)叉車控制器的情況時(shí)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 System architecture diagram for multiple forklift controllers

在系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)、故障信息，服務(wù)器接收到信息就會(huì)顯示具體位置及何種故障，管理人員能及時(shí)派遣人員處理故障。由于在局域網(wǎng)內(nèi)使用自定義的報(bào)文，一定程度上規(guī)避了別人解析數(shù)據(jù)包的風(fēng)險(xiǎn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

叉車控制器的主控芯片采用的是基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103單片機(jī)，其是叉車控制器的核心，為硬件系統(tǒng)提供處理能力，可實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)度、數(shù)據(jù)回傳與接受、執(zhí)行各種控制功能，基于STM32F103的集成電路板設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。其中，叉車定位模塊使用的是RFID（射頻識(shí)別技術(shù)），其原理是利用標(biāo)簽與閱讀器之間非接觸式通信，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的。由于在工廠內(nèi)，叉車和閱讀器之間的距離近，所以使用無源標(biāo)簽，駕駛員進(jìn)入某一個(gè)廠房時(shí)，使用電子標(biāo)簽接近閱讀器，閱讀器讀取數(shù)據(jù)后將其解碼并將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，將實(shí)時(shí)位置信息顯示在Web網(wǎng)站上，達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示的效果。

圖4 基于STM32F103的集成電路板設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Block diagram of integrated circuit board design based on STM32F103

廠房區(qū)域內(nèi)的通信使用的是ZigBee組網(wǎng)。ZigBee組網(wǎng)有3個(gè)特點(diǎn)：一是延遲短，ZigBee的響應(yīng)速度快，從睡眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)僅需要15 ms，節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)僅需要30 ms；二是方便，ZigBee的通信控制要求非常低，可以節(jié)約通信成本，并且ZigBee免收專利費(fèi)，其工作的頻段可免許可證，非常方便；三是ZigBee安全性高，使用加密算法提供數(shù)據(jù)完整性檢查和身份驗(yàn)證功能。除了上述特點(diǎn)之外，ZigBee通信功耗極低，從而消除了充電或頻繁更換電池的麻煩。雖然ZigBee傳輸距離不長，一般來說點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸范圍介于10～100 m之間，考慮到廠房內(nèi)空間不大，故可以接受，ZigBee組網(wǎng)通信方式基本符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。后臺(tái)與ZigBee協(xié)調(diào)器之間的信息傳輸通過局域網(wǎng)通信的方式，設(shè)置ZigBee協(xié)調(diào)器的IP地址都處于同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸采用的是套接字通信和以太網(wǎng)傳輸方式。每個(gè)廠房之間數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)是通過ZigBee路由器級(jí)聯(lián)組網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?，最后?shù)據(jù)會(huì)匯總到一片區(qū)域的ZigBee協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長距離傳輸，最后通過套接字和以太網(wǎng)傳送給后臺(tái)服務(wù)器。

2 自定義通信協(xié)議

2.1 叉車故障狀態(tài)碼

叉車系統(tǒng)啟動(dòng)后，遇到叉車故障時(shí)駕駛?cè)藛T能夠手動(dòng)在叉車控制器的鍵盤上輸入故障代碼，服務(wù)器程序能夠識(shí)別和解析故障含義。

叉車機(jī)械故障是指叉車在使用過程中出現(xiàn)的故障，分為6類，包含驅(qū)動(dòng)故障、起升電機(jī)故障、加速踏板故障、電池故障、溫度過高以及其他故障，其它故障的故障碼為3，主要包括CAN通訊故障、開路或檔位問題等一些不常見的故障；驅(qū)動(dòng)故障定義為0號(hào)故障，又可具體分為驅(qū)動(dòng)邏輯故障一到驅(qū)動(dòng)邏輯故障三，將故障狀態(tài)碼定為01－03，此外還有驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相線故障、驅(qū)動(dòng)邏輯故障等若干項(xiàng)驅(qū)動(dòng)故障等，1號(hào)故障確定為叉車起升故障，主要有起升邏輯故障一到起升邏輯故障三，此外還有起升電機(jī)故障等；加速錯(cuò)誤定為2號(hào)故障，主要是加速踏板的問題，有加速踏板誤觸和加速踏板故障兩種錯(cuò)誤；電池錯(cuò)誤是4號(hào)故障，包括電池電量不足和電壓不足等故障；5號(hào)故障主要是叉車在過度運(yùn)行或者是冷卻系統(tǒng)出問題時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常高溫的情況，主要分為啟動(dòng)電機(jī)模塊溫度過高、起升電機(jī)溫度過高等情況。

2.2 RFID協(xié)議碼

EPC（Electronic Product Code）是用來標(biāo)識(shí)目標(biāo)的特定代碼，可應(yīng)用在生產(chǎn)、物流、跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)場景中，易于使用和維護(hù)，成本較低。通過標(biāo)簽制作軟件可以寫入RFID標(biāo)簽的EPC號(hào)。定位規(guī)則：使用4個(gè)字節(jié)儲(chǔ)存信息，其中首部字節(jié)標(biāo)識(shí)進(jìn)出狀態(tài)，01表示進(jìn)入狀態(tài)，00表示離開狀態(tài)；第二個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)樓號(hào)，由01、02、03這3個(gè)標(biāo)識(shí)代表3棟樓，04標(biāo)識(shí)充電間，05和06標(biāo)識(shí)兩個(gè)雨棚；第三個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)層號(hào)，若第二個(gè)字節(jié)不是01、02、03表示沒有層號(hào)，這時(shí)用00代替；最后一個(gè)字節(jié)表示具體倉庫，每層樓一共3個(gè)倉庫，若該段信息不表示樓層，則用00標(biāo)識(shí)。例如：01010101表示進(jìn)入1號(hào)樓1層1號(hào)倉庫。標(biāo)簽的識(shí)別是使用UHF讀卡器，將UHF讀卡器的波特率設(shè)置為57 600 bps。設(shè)置好單張標(biāo)簽過濾時(shí)間為1 s（可設(shè)置其他值），開啟蜂鳴器，UHF讀卡器將讀取到電子標(biāo)簽的信息。

3 叉車管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是用來存儲(chǔ)必要信息的。MySQL數(shù)據(jù)庫體積小、開放源代碼，有著廣泛的應(yīng)用。共設(shè)計(jì)3張表，分別是設(shè)備表、設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表、用戶表，見表1～表3。

表1 設(shè)備表Tab.1 Equipment table

表2 設(shè)備信息表Tab.2 Device information table

表3 用戶表Tab.3 User table

3.2 網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

網(wǎng)站后臺(tái)有以下功能：①實(shí)時(shí)顯示功能；②歷史數(shù)據(jù)查詢功能；③數(shù)據(jù)分析功能。其中，實(shí)時(shí)顯示功能需要實(shí)時(shí)顯示充電間以及1、2、3號(hào)庫房范圍內(nèi)連入ZigBee自組網(wǎng)不超過3臺(tái)的叉車（根據(jù)交付的硬件數(shù)量）狀態(tài)信息和位置信息；歷史數(shù)據(jù)查詢需要能夠查詢重要的歷史數(shù)據(jù)以及報(bào)警記錄，例如異常報(bào)警等信息；數(shù)據(jù)分析功能需要根據(jù)數(shù)據(jù)分析叉車使用率、工作效率車輛狀態(tài)、定期提醒、保養(yǎng)與維護(hù)等。

人員分為操作人員和管理員，管理員可以增添操作人員信息，管理人員和操作人員可登陸查看叉車當(dāng)前運(yùn)行與叉車運(yùn)行歷史信息，后臺(tái)運(yùn)行信息界面如下圖5所示。

圖5 運(yùn)行信息界面Fig.5 Operation information interface

4 結(jié)束語

本文介紹了基于STM32和ZigBee的工廠智能叉車管理系統(tǒng)的自擬協(xié)議和軟硬件設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可為當(dāng)前國內(nèi)大部分工廠服務(wù)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)了一種智能且方便的控制方式，能夠大幅度減小工廠叉車操作人員以及管理人員負(fù)擔(dān)；

（2）研究了叉車常見故障，對叉車易出現(xiàn)機(jī)械故障情況進(jìn)行了編碼，方便操作人員將故障碼上傳，以及后臺(tái)解析故障碼；

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在叉車的工作范圍、停放區(qū)域以及廠區(qū)等其它地方對叉車的定位，定位精度到10 m內(nèi)的范圍，空間精度精確到當(dāng)前所在樓層及區(qū)域，保障了叉車安全區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，保障廠房財(cái)產(chǎn)安全；

（4）系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及報(bào)警記錄，在系統(tǒng)的后臺(tái)還能對這些信息進(jìn)行大范圍查詢和維護(hù)。