智慧工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款以模塊化方式搭建的智慧工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)控制裝置芯片采用STM32F103RCT6，通過(guò)串口將各類傳感器、智能照明模塊和智能打卡模塊（NFC模塊）、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊（MQ-135、MQ-2）、WiFi模塊（ESP8266）連接，可移植性高。此系統(tǒng)適用于多種環(huán)境，可以滿足各類工廠對(duì)于智能化控制的需求，實(shí)現(xiàn)智能一體化節(jié)能。為了緊密切合現(xiàn)代廠房的發(fā)展需求，通過(guò)WiFi模塊的云服務(wù)器中轉(zhuǎn)功能，使手機(jī)端與WiFi模塊可進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房?jī)?nèi)人數(shù)、光照、環(huán)境等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以滿足對(duì)廠房各廠間的多功能一體化管理，減少人力物力資源的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：智能廠房；智能照明；ESP8266；環(huán)境監(jiān)測(cè)；NFC；STM32F103RCT6

中圖分類號(hào)：TP31；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.009

0 引 言

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展要求創(chuàng)建節(jié)約型與資源友好型社會(huì)，綠色可持續(xù)發(fā)展理念備受關(guān)注。由于生產(chǎn)過(guò)程會(huì)消耗大量能源，而工廠一直處于比較密封的狀態(tài)，導(dǎo)致空氣濕度小、有害氣體未能及時(shí)排出而聚集超標(biāo)，極大影響了工人的身體健康。此外，在現(xiàn)代社會(huì)中，信息化管理也是提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和效益的重要手段。通過(guò)實(shí)時(shí)收集、分析、傳輸和反饋各類數(shù)據(jù)信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠內(nèi)人員、設(shè)備、物資等資源的優(yōu)化配置和調(diào)度。

1 物聯(lián)網(wǎng)下智慧工廠概述

物聯(lián)網(wǎng)利用各種信息感知器實(shí)時(shí)收集不同類型的數(shù)據(jù)，如光、熱、溫濕度和位置等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)和物人互聯(lián)。這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備和多環(huán)境的一體化監(jiān)測(cè)和智能化控制，是以傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息傳輸媒介，使所有可尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的

網(wǎng)絡(luò)。

相比之下，智慧工廠則是現(xiàn)代工廠在信息化發(fā)展基礎(chǔ)上形成的新產(chǎn)物。它利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)連接嵌入式設(shè)備方便管理者了解工廠生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性，并減少在整個(gè)過(guò)程中人力和物力資源的浪費(fèi)。智慧工廠可以及時(shí)、準(zhǔn)確地采集各傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和一體化控制，同時(shí)采用綠色智能手段和智能系統(tǒng)等，構(gòu)建了一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保和環(huán)境舒適的人性化工廠。

2 智慧工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

本設(shè)計(jì)采用STM32作為主控芯片，搭載傳感器對(duì)廠房進(jìn)行智能化、一體化監(jiān)測(cè)與控制。利用紅外對(duì)射計(jì)數(shù)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控廠房?jī)?nèi)的人數(shù)變化，結(jié)合光照強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)照明的智能化。采用DHT11溫濕度傳感器獲取廠房?jī)?nèi)溫濕度情況等。為滿足不同類型廠房的需求，預(yù)留了多個(gè)傳感器接口，便于實(shí)現(xiàn)定制化，提高資源利用率。使用WiFi模塊通過(guò)局域網(wǎng)連接阿里云平臺(tái)，上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便管理員了解廠房情況，實(shí)現(xiàn)廠房遠(yuǎn)程控制。此設(shè)計(jì)理念滿足了多種場(chǎng)景需求，性價(jià)比高，打造出高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化工廠。

3 智慧廠房系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)智能化的廠房監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，包括以下部分：

（1）電源接口電路：提供穩(wěn)定的電源。

（2）LCD顯示電路：顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

（3）紅外人數(shù)檢測(cè)電路：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廠房?jī)?nèi)的人數(shù)

變化。

（4）環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)電路：檢測(cè)廠房?jī)?nèi)的溫度、濕度、氣體等環(huán)境參數(shù)。

（5）光強(qiáng)檢測(cè)電路：檢測(cè)廠房?jī)?nèi)的光照強(qiáng)度。

（6）NFC檢測(cè)電路：檢測(cè)廠房?jī)?nèi)的NFC設(shè)備。

（7）LED照明電路：根據(jù)光強(qiáng)和人數(shù)數(shù)據(jù)，智能調(diào)節(jié)廠房?jī)?nèi)的照明效果。

（8）聲光報(bào)警電路：發(fā)生異常情況時(shí)，發(fā)出聲光信號(hào)，提醒人員注意。

（9）語(yǔ)音播報(bào)電路：定時(shí)或按需播報(bào)廠房?jī)?nèi)的環(huán)境質(zhì)量和安全提示。

本系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為主控芯片，它是一款高性能32位微控制器，具有72 MHz高速ARM內(nèi)核、高速嵌入式存儲(chǔ)器、多種增強(qiáng)型I/O和外設(shè)，本系統(tǒng)的最小系統(tǒng)包括外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路，負(fù)責(zé)對(duì)各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[1]。STM32F103RCT6最小系統(tǒng)電路如圖1所示。

3.1 室內(nèi)人數(shù)監(jiān)測(cè)與智能照明

本系統(tǒng)使用FTR9606作為人體紅外檢測(cè)模塊，它由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)NPN光電三極管組成，能夠檢測(cè)人員的出入情況，并將數(shù)據(jù)傳輸給主控單片機(jī)。本系統(tǒng)還使用光強(qiáng)檢測(cè)電路來(lái)判斷室內(nèi)的光照強(qiáng)度，并利用PWM智能控制LED照明電路。

3.2 溫濕度以及空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集

本系統(tǒng)使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來(lái)檢測(cè)廠房?jī)?nèi)的溫度和濕度，DHT11是一款集溫度、濕度采集傳輸于一體的新型傳感器，其數(shù)字信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定，保證了產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定。該傳感器由電阻測(cè)濕儀和NTC溫度計(jì)組成，與8 bit的高性能微處理器連接[2]。

MQ-135空氣質(zhì)量傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系列蒸汽等有害物質(zhì)具有高靈敏度，可以檢測(cè)煙霧和其他有害物質(zhì)。利用MQ-135傳感器可以檢測(cè)當(dāng)前廠房?jī)?nèi)的空氣質(zhì)量。

MQ-2煙霧傳感器對(duì)烷類煙霧的檢測(cè)更為敏感，且具有良好的抗干擾性能，可以準(zhǔn)確排除非可燃性或無(wú)害性煙霧的干擾。

本系統(tǒng)中，MQ-2與MQ-135配合使用，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸給主控單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)智能化廠房監(jiān)測(cè)與

控制。

3.3 智能打卡設(shè)計(jì)

NFC是由飛利浦公司和索尼公司共同開(kāi)發(fā)的近距離無(wú)線通信技術(shù)，是可用于移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC和智能控件工具之間進(jìn)行無(wú)線通信的非接觸式識(shí)別和互聯(lián)

技術(shù)。

本系統(tǒng)利用NFC檢測(cè)電路來(lái)識(shí)別和聯(lián)系廠房?jī)?nèi)的NFC設(shè)備，它選用讀卡器模式，將數(shù)據(jù)保存在NFC芯片中，通過(guò)讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)與NFC設(shè)備的交互。在當(dāng)今信息技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，該技術(shù)愈發(fā)成熟，其應(yīng)用涵蓋城市交通、移動(dòng)支付、身份識(shí)別等多個(gè)生活場(chǎng)景[3]。

當(dāng)用戶刷卡（使用手機(jī)NFC）時(shí)，蜂鳴器響應(yīng)，如果成功獲取權(quán)限，顯示模塊會(huì)顯示用戶的信息、打卡時(shí)間和“打卡成功”，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊會(huì)發(fā)出提示音“打卡

成功”。

3.4 LCD電容屏

LCD電容屏可以被等效為800×480個(gè)點(diǎn)。觸碰到屏幕時(shí)，觸摸點(diǎn)的電容值發(fā)生變化，內(nèi)置MPU能準(zhǔn)確讀取該坐標(biāo)，訪問(wèn)寄存器獲得信息。本系統(tǒng)中，LCD顯示實(shí)時(shí)光照、環(huán)境、人數(shù)信息。

3.5 連接云平臺(tái)

本系統(tǒng)選用ESP8266作為WiFi模塊，該模塊提供三種工作模式：第一種是串口無(wú)線AP模式；第二種是串口無(wú)線STA模式；第三種是串口無(wú)線AP+STA模式，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，必須保證云平臺(tái)和ESP8266處于在線狀態(tài)[4]。

本系統(tǒng)采用阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中轉(zhuǎn)，讓手機(jī)用戶端和WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。本系統(tǒng)把單片機(jī)得到的廠房?jī)?nèi)的光照、環(huán)境質(zhì)量、人數(shù)、打卡信息采用WiFi模塊發(fā)給手機(jī)用戶端，便于相關(guān)人員通過(guò)手機(jī)端實(shí)時(shí)查看各廠房的

情況。

3.6 聲光報(bào)警

聲光報(bào)警電路由蜂鳴器和LED構(gòu)成，當(dāng)檢測(cè)到的參數(shù)值高于閾值時(shí)，電路輸出低電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器：當(dāng)檢測(cè)的參數(shù)值未超出閾值，此時(shí)輸出高電平，蜂鳴器無(wú)反應(yīng)。智能廠房系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并按照模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)環(huán)境亮度的檢測(cè)程序、感應(yīng)人數(shù)并處理的程序、對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫濕度以及空氣質(zhì)量的檢測(cè)、NFC智能讀取、WiFi遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸程序、LCD顯示屏、聲光報(bào)警程序等[5]。環(huán)境亮度檢測(cè)的主要流程是根據(jù)光敏電阻讀取阻值以及與室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行比較，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用PWM技術(shù)對(duì)當(dāng)前光照進(jìn)行智能控制。對(duì)當(dāng)前環(huán)境檢測(cè)的主要流程是將DHT11以及空氣質(zhì)量傳感器和MQ-2煙霧傳感器數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)LCD顯示[6]。WiFi模塊是一種基于ESP8266實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備，它能夠通過(guò)云服務(wù)器與用戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)廠房?jī)?nèi)的光照強(qiáng)度、環(huán)境質(zhì)量、人員數(shù)量和考勤情況，并通過(guò)WiFi模塊向用戶端傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，以便用戶掌握廠房的實(shí)時(shí)狀況[7]。智能照明程序主流程如圖3所示，環(huán)境溫濕度檢測(cè)程序主流程如圖4

所示。

5 智能廠房系統(tǒng)測(cè)試

智能廠房系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)，需按照電路原理圖焊接好電路板，并將程序下載到STM32F103RCT6單片機(jī)中。調(diào)試步驟分為以下幾部分：

（1）智能照明部分：模擬人體進(jìn)入和離開(kāi)室內(nèi)，檢查人數(shù)計(jì)數(shù)功能、光強(qiáng)傳感功能和LCD觸摸屏顯示功能是否正常。計(jì)數(shù)器在無(wú)人時(shí)顯示0，有人進(jìn)入則加1，有人離開(kāi)則減1。室內(nèi)照明通過(guò)PWM進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。

（2）環(huán)境監(jiān)測(cè)部分：檢查DHT11、MQ-135空氣質(zhì)量傳感器和MQ-2煙霧傳感器是否正常工作，檢查L(zhǎng)CD觸摸屏是否能夠正常顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度情況、空氣質(zhì)量情況和設(shè)定的閾值。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警電路。

（3）NFC模塊和語(yǔ)音模塊部分：檢查NFC模塊是否能夠正常識(shí)別NFC卡片，并觸發(fā)語(yǔ)音模塊進(jìn)行智能播報(bào)。

（4）ESP8266模塊部分：檢查ESP8266模塊是否能夠正常連接云服務(wù)器，并將LCD觸摸屏上的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。LCD觸摸屏顯示W(wǎng)iFi的連接狀態(tài)[8]。

ESP8266串口調(diào)試連接云平臺(tái)的步驟如圖5所示，云平臺(tái)實(shí)時(shí)信息界面如圖6所示。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）NFC模塊實(shí)現(xiàn)了智能打卡功能，語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)了播報(bào)功能。

（2）紅外對(duì)射傳感器實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)人數(shù)的計(jì)數(shù)功能，當(dāng)人數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)啟室內(nèi)照明。

（3）光強(qiáng)模塊實(shí)現(xiàn)了光照強(qiáng)度采集功能，可根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)室內(nèi)照明亮度。

（4）DHT11模塊、MQ-135空氣質(zhì)量傳感器和MQ-2煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的采集，可在參數(shù)超閾值時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警。

（5）LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信息顯示功能。

（6）ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能，可將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)[9-10]。

6 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為主控核心，根據(jù)環(huán)境光、人數(shù)、環(huán)境溫濕度等外界因素作為輸入?yún)?shù)，再通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各部分進(jìn)行控制，借助WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，達(dá)到廠房系統(tǒng)智能一體化控制的目的。相比于傳統(tǒng)廠房，該系統(tǒng)有效降低了廠房人力物力資源的浪費(fèi)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了資源的合理化分配和利用，讓管理者更加便利，讓廠房更加安全。

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收稿日期：2023-03-31 修回日期：2023-05-09

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