李際康 于會(huì)山

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)達(dá)到至關(guān)重要的位置，應(yīng)用技術(shù)更是廣泛使用。使得智能倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變思路，采用了更多的智能控制方法，旨在達(dá)到節(jié)能高效的目的。相比于傳統(tǒng)的采用人工檢測(cè)溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況，省時(shí)省力、效率高、節(jié)省人工成本。文章分析國(guó)內(nèi)外智能倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適用于我國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的智能倉(cāng)儲(chǔ)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用NRF24L01 2.4G組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)多個(gè)環(huán)境點(diǎn)的溫濕度、光強(qiáng)等環(huán)境信息，具有智能化程度高、體積小、可擴(kuò)展、成本低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫濕度；光照強(qiáng)度；物聯(lián)網(wǎng)；NRF24L01

倉(cāng)庫(kù)是一個(gè)大的物品儲(chǔ)備中心，同時(shí)也是一個(gè)無(wú)流量大的集散地，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)環(huán)境情況直接影響物品存放時(shí)間與質(zhì)量，倉(cāng)庫(kù)的智能化合理化管理可以提升倉(cāng)庫(kù)的流通和儲(chǔ)備量。倉(cāng)庫(kù)環(huán)境錯(cuò)綜負(fù)責(zé)，如何更加智能化地管理具有很重要的實(shí)際研究意義。

當(dāng)代社會(huì)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛，互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)的集中化監(jiān)測(cè)管理，但是由于互聯(lián)網(wǎng)成本較高、互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。對(duì)于智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)而言，小范圍的局域網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的智能化管理，同時(shí)最近幾年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信可靠性不斷提高，具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，采用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的智能化管理，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低，具有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

所以本系統(tǒng)進(jìn)行了倉(cāng)庫(kù)的溫度、濕度、光照等環(huán)境因子檢測(cè)，物品的可靠有效存放，倉(cāng)庫(kù)物品的可靠中轉(zhuǎn)流通，及時(shí)處理事故較小損失等方面的研究。

1 倉(cāng)儲(chǔ)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)要求

1.1 環(huán)境特點(diǎn)分析

影響倉(cāng)庫(kù)內(nèi)物品存放的環(huán)境因素包括溫度、濕度以及光照強(qiáng)度。溫濕度是影響倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)存貨物的重要因素之一，為了更加長(zhǎng)久地存放物品，需要針對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)物品種類，分別設(shè)定存放溫濕度，并盡量保持恒溫恒濕，最好能做到實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫濕度。對(duì)于有些物品的存放，還需要保持一定的輻照量，且不宜過(guò)低或過(guò)高。倉(cāng)庫(kù)存放物品種類繁多，數(shù)量巨大，以致于倉(cāng)庫(kù)物品流通量、搬運(yùn)量都比較大，物品擺放或者搬運(yùn)過(guò)程中，多種情況都很容易導(dǎo)致物品掉落，尤其是貴重且精細(xì)的物品掉落更是導(dǎo)致巨大的價(jià)值損失，通過(guò)動(dòng)態(tài)加速度傳感器檢測(cè)物品掉落并及時(shí)有效處理顯得尤為重要。

1.2 倉(cāng)儲(chǔ)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度會(huì)對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)物品存放有很大影響，針對(duì)不同存放的物品，環(huán)境指標(biāo)不同，而且需要環(huán)境參數(shù)保持在一定的合理范圍內(nèi)，才可以使物品長(zhǎng)期存放，為了檢測(cè)物品掉落并及時(shí)處理，引入動(dòng)態(tài)加速度監(jiān)測(cè)模塊，當(dāng)物品強(qiáng)烈振動(dòng)或者失重下落時(shí)可以檢測(cè)出并報(bào)警。本文針對(duì)智能倉(cāng)庫(kù)環(huán)境情況，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)多個(gè)環(huán)境點(diǎn)的溫濕度、光強(qiáng)、動(dòng)態(tài)重力加速度等環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)總方案

倉(cāng)儲(chǔ)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

2.1.1 主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)主要由STM32核心控制板、NRF24L01無(wú)線收發(fā)器、PC機(jī)幾個(gè)部分組成，其中NRF24L01負(fù)責(zé)接收來(lái)自從機(jī)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、STM32核心控制板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取與設(shè)定值的下發(fā)，并且通過(guò)串口將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)端的上位機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)曲線，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

2.1.2 從機(jī)系統(tǒng)

從機(jī)系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，本系統(tǒng)僅僅列出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是可以進(jìn)行響應(yīng)擴(kuò)展的，以便形成一個(gè)分布式的監(jiān)控系統(tǒng)，而每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的組成基本相同，只是采集節(jié)點(diǎn)外掛的傳感器采集點(diǎn)可以不同，本模擬系統(tǒng)就其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的組成進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

STM32核心控制板對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行讀取與處理，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)器NRF24L01將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)解析，并將其通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)，最終在PC機(jī)的LabVIEW界面上顯示。

2.2 傳感器選用方案和接口電路

2.2.1 溫濕度傳感器接口電路

本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器DHT11，這種傳感器是單總線結(jié)構(gòu)，有3個(gè)接口，接口電路如圖2所示，其中引腳2連接到STM32的PA8口上，而且需要接上一個(gè)上拉電阻，引腳1和3是VCC和接地。

2.2.2 光照強(qiáng)度傳感器接口電路

本次設(shè)計(jì)采用的光照強(qiáng)度傳感器是BH1750FVI，采用的仍然是模塊式的設(shè)計(jì)方式，需要考慮的是模塊與主控制器的接口問(wèn)題，接口電路如圖3所示，傳感器模塊的SCL引腳與STM32的PB0引腳相連，SDA引腳與PB1引腳相連。

2.2.3 加速度傳感器接口電路

本次設(shè)計(jì)采用的重力加速度傳感器是ADXL345，采用的仍然是模塊式的設(shè)計(jì)方式，需要考慮的是模塊與主控制器的接口問(wèn)題，接口電路如圖4所示，傳感器模塊的SCL引腳與STM32的PB10引腳相連，SDA引腳與PB11引腳相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)子程序主要包括溫濕度采集程序設(shè)計(jì)、光照強(qiáng)度采集程序設(shè)計(jì)、NRF24L012.4G無(wú)線收發(fā)程序設(shè)計(jì)、串口程序設(shè)計(jì)以及LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)等，倉(cāng)儲(chǔ)智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案框圖如圖5所示。下面就針對(duì)每一個(gè)子程序的設(shè)計(jì)思路和功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 溫濕度度采集程序設(shè)計(jì)

DHT11發(fā)送的數(shù)據(jù)，每1 bit都是以50 μs低電平時(shí)隙開(kāi)始，數(shù)據(jù)位是0還是1由高電平的時(shí)間長(zhǎng)短決定，26～28 μs表示'0'，70us表示'1'。根據(jù)DTH11的傳輸時(shí)序編寫(xiě)溫濕度采集程序，程序主要包括：8位數(shù)據(jù)寫(xiě)入，DHT11傳感器啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)。

3.2 光照強(qiáng)度采集程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的光照強(qiáng)度傳感器采用BH1750FVI模塊，光強(qiáng)采集程序也作為一個(gè)獨(dú)立的采集子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)I2C接口讀取監(jiān)測(cè)點(diǎn)光照傳感器數(shù)據(jù)。采用IIC通信協(xié)議，兩條線可以掛多個(gè)設(shè)備，IIC設(shè)備里有個(gè)固化的地址，只有在兩條線上傳輸?shù)闹档扔贗IC設(shè)備的地址時(shí)，IIC設(shè)備才會(huì)作出響應(yīng)。

3.3 PC端上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

我們采用基于LabVIEW的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)圖形、數(shù)字以及曲線的方式將現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、光照強(qiáng)度以及動(dòng)態(tài)加速度等數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)界面上，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警的作用。

（1）串口數(shù)據(jù)讀取的程序設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行串口配置，并通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)，如圖6所示。

（2）解析數(shù)據(jù)包的程序設(shè)計(jì)，針對(duì)接收的數(shù)據(jù)格式對(duì)數(shù)據(jù)包解析，并在前面板中顯示溫度、濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)及其各自曲線。此外，能夠顯示靜態(tài)重力加速度、動(dòng)態(tài)加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)動(dòng)態(tài)重力加速度超出一定數(shù)值范圍，認(rèn)為物體失重或者超重，報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，上位機(jī)可以認(rèn)為消除報(bào)警，如圖7所示。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的程序設(shè)計(jì)，將解析的數(shù)據(jù)包按一定的數(shù)據(jù)格式保存到文件中，以便以后查閱處理，如圖8所示。

將通過(guò)串口接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到txt文本文件中，文本文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便捷，數(shù)據(jù)處理方便簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量足夠大?？梢栽O(shè)置文件名稱和存儲(chǔ)位置，便于以后數(shù)據(jù)查找，為了便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為PC機(jī)本地時(shí)間加上傳感器數(shù)據(jù)。

上位機(jī)如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

文章提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括從機(jī)硬件設(shè)計(jì)和主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從機(jī)節(jié)點(diǎn)可以采集環(huán)境溫濕度、光強(qiáng)以及動(dòng)態(tài)加速度數(shù)據(jù)。通過(guò)檢測(cè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加速度，可以判斷物品大幅度振動(dòng)，并能有效檢測(cè)物品掉落。設(shè)計(jì)了PC端上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)圖形、數(shù)字以及曲線的方式將現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、光照強(qiáng)度以及動(dòng)態(tài)加速度等數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)界面上，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警的作用。