基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工廠倉庫管理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為實(shí)現(xiàn)工廠倉庫的安全儲存和智能管理，文章設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制中心，依托傳感器技術(shù)、GPS+北斗定位模塊、4G通信模塊實(shí)現(xiàn)了對倉庫溫濕度等環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測、環(huán)境異常的位置的自動定位與預(yù)警短信發(fā)送。經(jīng)測試，文章設(shè)計的系統(tǒng)測量精度高、性能穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：工廠倉庫；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；STM32；4G通信模塊

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1009-3044（2024）31-0102-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

0 引言

在新型工業(yè)化穩(wěn)步推進(jìn)的背景下，工廠的智能化、自動化發(fā)展可以提升生產(chǎn)效率，改善生產(chǎn)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為促進(jìn)工廠智能化、自動化發(fā)展的重要支撐技術(shù)，與工業(yè)生產(chǎn)深度融合，在數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測方面，表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[1]利用Hi3861模塊、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器等設(shè)備設(shè)計了一種工廠可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對工廠中的可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程監(jiān)測；文獻(xiàn)[2]通過溫濕度傳感器、氣體濃度傳感器、大氣壓傳感器實(shí)現(xiàn)對工廠中的相關(guān)環(huán)境信息的實(shí)時采集和查看；文獻(xiàn)[3] 設(shè)計了一種可以采集生產(chǎn)車間PM2.5濃度、溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]基于Web和ARM處理器設(shè)計了一種室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]通過NB-IoT實(shí)時測量紡織車間的溫濕度、煙霧濃度，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)可以進(jìn)行報警；文獻(xiàn)[6]利用傳感器測量環(huán)境信息后經(jīng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊TM32 主控制器；文獻(xiàn)[7]綜合利用AT89C52 單片機(jī)、溫濕度傳感器、甲醛傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器對家居環(huán)境信息進(jìn)行采集，并在液晶顯示屏上顯示。當(dāng)采集的甲醛濃度超過閾值時，會觸發(fā)系統(tǒng)報警；文獻(xiàn)[8]以STC89C52單片機(jī)為控制中心，監(jiān)測溫濕度、天然氣濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種基于AT91SAM9G10 處理器的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]基于ESP8266實(shí)現(xiàn)了溫濕度的監(jiān)測；文獻(xiàn)[11]利用溫濕度傳感器、廣譜氣體濃度傳感器完成相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)采集后，通過Mesh 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

作為工廠的重要組成部分，倉庫內(nèi)儲存著生產(chǎn)需要的材料，保障倉庫儲存材料的安全，實(shí)現(xiàn)倉庫的智能化管理是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要前提。本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫智能管理系統(tǒng)，可以對工廠倉庫的環(huán)境狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測、OLED顯示屏查看、異常位置定位和預(yù)警的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括3個部分，分別為環(huán)境感知端、控制端以及監(jiān)控中心。環(huán)境感知端實(shí)現(xiàn)倉庫內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的采集和倉庫異常情況的定位；控制端完成對環(huán)境感知端采集信息的接收處理與轉(zhuǎn)發(fā)，并控制4G通信模塊，通過LED模塊顯示采集的信息；監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)信息查看及存儲。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)啟動后，首先控制端的ZigBee模塊與環(huán)境感知端的ZigBee模塊組建網(wǎng)絡(luò)，接著環(huán)境感知端開始周期性采集倉庫的環(huán)境信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制端，控制端接收完成后進(jìn)行處理，最后控制端將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心保存并顯示。如果采集到的環(huán)境狀態(tài)超過設(shè)定的閾值，GPS+北斗定位模塊會將異常位置信息發(fā)送到控制端，控制端利用4G通信模塊進(jìn)行預(yù)警短信的下發(fā)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括環(huán)境感知端和控制端，二者之間通過CC2531芯片組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。CC2531集成了性能優(yōu)越的8051微處理器、RF收發(fā)器，工作頻率為2.4GHz，支持IEEE 802.15.4協(xié)議[12]。

2.1 環(huán)境感知端

環(huán)境感知端由溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、酒精傳感器、天然氣傳感器、一氧化碳傳感器、氫氣傳感器、甲醛傳感器和GPS+北斗定位模塊、STM32單片機(jī)和ZigBee模塊組成，完成倉庫環(huán)境狀態(tài)的采集，當(dāng)出現(xiàn)異常時，利用GPS+北斗定位模塊進(jìn)行自動定位。

系統(tǒng)選用DHT22溫濕度傳感器采集倉庫的溫濕度，該傳感器溫度和濕度測量范圍均廣泛，溫度測量精度為±0.5℃，濕度測量精度為±2%RH。對溫度和濕度的測量準(zhǔn)確度較高[13]。

光照強(qiáng)度測量選用GY-302數(shù)字光照強(qiáng)度傳感器，GY-302傳感器基于BH1750FVI芯片，采用3～5V 供電，內(nèi)部集成16位A/D轉(zhuǎn)換器，采集的數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口傳送到STM32單片機(jī)[14]。

MQ-3傳感器采用的氣敏材料為二氧化錫，通過倉庫空氣中的酒精與二氧化錫發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，測量酒精濃度。MQ-3傳感器體積小，性價比高，抗干擾能力強(qiáng)[15]。

系統(tǒng)選用MQ-4傳感器實(shí)時采集倉庫空氣中天然氣濃度信息。MQ-4傳感器是一種性能穩(wěn)定、可長時間使用的半導(dǎo)體氣體傳感器，工作溫度是20±2℃，濕度為65%±5%RH，天然氣濃度測量范圍為300～10 000ppm [16]，可以滿足系統(tǒng)監(jiān)測天然氣濃度的要求。

系統(tǒng)選用的一氧化碳傳感器為MQ-7，該傳感器對一氧化碳的靈敏度高，使用簡單[17]。它的體積為32mm×22mm×27mm，使用的主要芯片為LM393，工作的環(huán)境條件為溫度范圍-10～50℃，相對濕度小于95%RH。

氫氣濃度測量選用MQ-8傳感器，它的電導(dǎo)率隨著空氣中氫氣濃度的增加而增加，可以較靈敏地測量空氣中的氫氣濃度[18]。MQ-8 傳感器的輸出端與STM32的ADC接口相連，其輸出的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絊TM32的微處理器處理。

系統(tǒng)選用小型甲醛傳感器ZE08-CH2O測量甲醛濃度，它采用電化學(xué)原理測量空氣中的甲醛濃度[19]。該傳感器的工作溫度為0～50℃，工作濕度為15%RH～90%RH，量程為0～5ppm，分辨率小于等于0.01ppm。

系統(tǒng)的定位方式為GPS和北斗雙重定位，選用的定位模塊為ATGM336H。該定位模塊的定位精度為2.5m（CEP50），跟蹤靈敏度為-162dBm，可實(shí)現(xiàn)多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的聯(lián)合定位。

環(huán)境控制端的STM32芯片選用STM32F103C8T6，閃存程序存儲器容量為64KB，擁有多種通信接口。它將接收到傳感器采集的環(huán)境狀態(tài)信息和異常位置數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee模塊。

2.2 控制端

控制端由ZigBee模塊、STM32和4G通信模塊組成。ZigBee模塊和4G通信模塊與STM32之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂贫说腪igBee模塊和部署在不同倉庫的環(huán)境感知端的ZigBee模塊組建網(wǎng)絡(luò)，接收各傳感器測量的環(huán)境狀態(tài)信息。STM32完成ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的組建和管理，對環(huán)境感知端獲取的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行處理，控制4G通信模塊發(fā)送預(yù)警短信，控制端的STM32單片機(jī)選用的型號與環(huán)境感知端相同。系統(tǒng)選用SIM7600CE無線通信模塊，它支持多種頻段和無線網(wǎng)絡(luò)制式，具有功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程是首先上電完成軟硬件的初始化，設(shè)定環(huán)境狀態(tài)信息的閾值，然后控制端組建Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)，與環(huán)境感知端建立連接，接著環(huán)境感知端接收到控制端的命令后采集倉庫中的環(huán)境狀態(tài)信息，將采集結(jié)果與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否進(jìn)行定位，最后，環(huán)境感知端采集的信息通過Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制端，控制端對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，決定是否調(diào)用4G無線通信模塊發(fā)送預(yù)警短信，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給監(jiān)控中心。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括環(huán)境感知端軟件設(shè)計和控制端軟件設(shè)計。

3.1 環(huán)境感知端軟件設(shè)計

環(huán)境感知端的程序主要完成對倉庫的溫濕度、光照強(qiáng)度、酒精濃度、天然氣濃度、一氧化碳濃度、氫氣濃度、甲醛濃度的周期性采集。環(huán)境感知端上電后，完成軟硬件的初始化，配置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。ZigBee 模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時，申請加入。當(dāng)采集的環(huán)境信息超過設(shè)定的閾值時，STM32單片機(jī)調(diào)用GPS+北斗定位模塊進(jìn)行定位。不同類型的傳感器將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)。如果接收到的傳感器采集信息為模擬信號，STM32單片機(jī)利用ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的數(shù)字信號。STM32單片機(jī)以串口通信的方式將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee 模塊，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制端。環(huán)境感知端的流程圖如圖2所示。

3.2 控制端軟件設(shè)計

控制端的程序主要完成網(wǎng)絡(luò)組建、環(huán)境感知端采集數(shù)據(jù)的接收處理及實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)判斷和4G無線通信模塊的控制。具體的流程為上電后，控制端進(jìn)行軟硬件的初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)的配置。控制端的STM32單片機(jī)向與其相連的ZigBee模塊發(fā)送指令進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建，當(dāng)檢測到有環(huán)境感知端申請加入網(wǎng)絡(luò)時，為其分配相應(yīng)地址。ZigBee模塊接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)處理后在顯示屏上顯示環(huán)境感知端采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)STM32單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)中包含定位數(shù)據(jù)時，調(diào)用4G無線通信模塊向相關(guān)監(jiān)控人員發(fā)送預(yù)警短信?？刂贫私邮盏臄?shù)據(jù)同步傳輸?shù)奖O(jiān)控中心?？刂贫说牧鞒虉D如圖2所示。

4 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，部署完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)可以實(shí)時測量倉庫內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、酒精濃度、天然氣濃度、一氧化碳濃度、氫氣濃度、甲醛濃度，測量的結(jié)果可以在顯示屏上實(shí)時顯示并根據(jù)倉庫中的環(huán)境狀態(tài)變化情況進(jìn)行動態(tài)更新。當(dāng)采集到的環(huán)境狀態(tài)信息超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)可以及時通過4G無線通信模塊向監(jiān)控人員發(fā)送短信進(jìn)行預(yù)警。如圖3所示，系統(tǒng)采集的環(huán)境狀態(tài)信息通過OLED屏翻頁查看。

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的工廠倉庫管理系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測倉庫中的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括溫濕度、光照強(qiáng)度、酒精濃度、天然氣濃度、一氧化碳濃度、氫氣濃度、甲醛濃度。當(dāng)監(jiān)測到的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)高于設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會及時下發(fā)短信給相關(guān)的監(jiān)控人員進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)可以監(jiān)測多種環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，使用便捷，為促進(jìn)倉庫的智能化管理提供了有力支持。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

基金項目：安徽省教育廳高?？茖W(xué)研究項目（2022AH052198） ；安徽省教育廳高?？茖W(xué)研究項目（2023AH052387） ；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目（KJ2021A1322）；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科學(xué)研究項目（wzyzrzd202214）