基于單片機的倉庫存儲無線報警系統

周光發， 徐大華

(1. 江蘇警官學院 公安科技系， 江蘇 南京 210012； 2. 南京農業大學 工學院， 江蘇 南京 210031)

0 引 言

環境數據的實時采集、傳輸與處理是實施精準監控的關鍵，無線射頻技術的不斷提高，國內外對環境監控系統的研究日益深入[1-2]，近幾年自動化監控技術在現代工業生產領域的應用不斷大幅度增加[1-3]。

無線傳感器網絡是一種集傳感器與致動器于一體由無線媒介連接節點進行分布式傳輸的網絡系統，收集數據的傳感器通過無線網絡與計算機系統進行通信[4-6]。在這個以信息為主流的社會，人們需要隨時隨地地利用信息技術并享受它們所帶來的便利。傳統的有線數據傳輸系統顯然不能滿足人們對信息技術便捷性的要求，相反，無線數據傳輸系統沒有線纜的束縛，因此可以在倉庫內按需求隨機布點，任意調整位置。與有線監控系統相比，具有安裝方便、應用靈活、精度更高等優點[6-7]。

目前, 在工業現場數據采集和監控系統中, 要使用大量的基于不同物理機制的傳感器, 且監控和采集的對象多而分散。遠程多點無線數據傳輸系統是以PC機作為中心控制站, 控制數據的采集和現場環境的監控, 完成命令收發和數據信息處理; 而現場則以單片機和無線數傳模塊為核心構成現場數據采集系統,PC 機和現場通過無線數傳模塊進行數據通信。 在中心控制站, 采用在 Windows環境下, 通過VC + + 6.0中的 MSComm 控件實現軟件編程, 單片機則采用運行效率較高的51 匯編語言, 整個系統充分利用了單片機和PC 機的各自優勢, 靈活采用無線數傳模塊, 從而實現PC 機和單片機之間的無線數據傳輸[10]。

本文要實現的目標：① 使用基于NRF905無線射頻技術的無線傳感器網絡采集并傳輸倉庫的環境參量； ② 工作人員需要實時查看倉庫管理系統了解倉庫的存儲情況并作出分析；③ 無線傳感器網絡與倉庫管理系統結合實現對倉庫環境的監控。

圖1 倉庫報警系統-發射部分

1 倉庫報警系統總體設計

倉庫報警系統主要由前端警情采集控制與終端報警控制兩大部分組成。

前端警情采集控制包括數據采集模塊、STM32單片機控制無線發射模塊，其硬件總體結構如圖1所示。數據采集模塊主要完成倉庫監控范圍異常信號的采集，將紅外和超聲波傳感器測得的模擬電信號轉換成數字信號，其中紅外傳感器網絡采集的信號先通過LM393比較器比較后產生一個下降沿觸發信號，然后STM32單片機感知該信號后進行判斷是哪個節點出現異常并且將該信息通過NRF905無線射頻發射模塊送往終端報警系統；超聲波傳感器網絡采用的是IO口TRIG觸發測距，所以設計555頻率發生器產生1 kHz的觸發信號使超聲波傳感器網絡一直處于檢測中，STM32單片機使用PWM捕捉采集超聲波傳感器的ECHO回顯信號，從而知道倉庫中檢測物品的位置是否被動過，然后將該信息通過NRF905無線射頻發射模塊送往終端報警系統。

終端報警控制部分包括51單片機控制無線接收模塊、上位機控制管理系統與聲光報警模塊，其硬件總體結構如圖2所示。終端報警模塊由51單片機、蜂鳴器和液晶顯示器、上位機監控界面等組成，51單片機對NRF905無線射頻接收模塊采集的信號進行檢測判斷，將數據通過RS233串口通信模塊傳輸到倉庫管理監控系統進行顯示，然后倉庫管理監控系統通過分析接收到的數據是否在正常的范圍內，異常即通知單片機作聲光報警。

圖2 倉庫報警系統-接收部分

2 倉庫無線網絡應用

2.1 紅外超聲波傳感器網絡硬件設計

紅外光電傳感器模塊硬件設計如圖3所示，紅外傳感器模塊需要5 V直流電源供電，故相應輸出的高電平電壓也是5 V，為了讓STM32單片機正常采集3.3 V的高電平電壓信號，在此使用了LM393比較器進行電壓轉換，在輸出端ASM1117-3.3V先將5V電壓轉換為3.3 V電壓，然后通過上拉電阻就實現了將輸出5 V高電平信號強制轉換為3.3 V電壓輸出的脈沖信號供STM32單片機采集。

圖3 紅外光電傳感器模塊電路

超聲波模塊安裝在倉庫集裝箱中，通過檢測倉庫集裝箱中的物品離傳感器的距離來判斷物品是否移動過，并且將該數據通過NRF905無線射頻模塊發送給倉庫控制管理系統。硬件模塊可提供 2～400 cm 的非接觸式距離感測功能，測精度可達高到 3 mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路 。

該超聲波模塊只需要外部提供一個 10 μS 以上脈沖觸發信號，該模塊內部將發出 8個40 kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離 。 公式 ： μS/58= 厘米或者 μS/148= 英寸；或是：距離 = 高電平時間 * 聲速 (340 M/S) /2； 建議測量周期為 60 ms 以上 ， 以防止發射信號對回響信號的影響。

2.2 軟件設計

系統上電復位后，單片機首先初始化系統，然后軟件查詢上位機是否發送開始命令信號。

若上位機發送開始命令信號，則下位機將該命令通過NRF905傳輸到前端警情采集控制系統使其工作，前端系統通過NRF905定時傳輸數據到上位機進行實時監測。

主程序流程框圖如圖4所示。

圖4 主程序流程框圖

3 倉庫管理監控系統界面設計

倉庫管理監控系統界面通過MSComm控件實現與串口之間的數據傳輸，利用該控件的事件驅動方法可以通知程序緩沖區內是否有數據到達，并利用程序中MSComm相應的函數捕獲并處理這些通信事件。

首先，在主對話框界面上添加MSComm控件，根據下位機的端口號、波特率、數據位、校驗位、停止位的值確定上位機界面對應下拉菜單的值，并將這些數據的值通過DDX數據交換機制傳遞給對應下拉菜單的CString型變量，然后，新建一個串口對象，利用MSComm控件相應的設置函數，將上面變量的值設置成串口對象的端口號、波特率、數據位、校驗位、停止位，這樣串口對象的初始化便完成了。串口初始化完成之后，利用MSComm控件的Open函數打開串口，然后在中斷處理函數OnCommunication中利用該控件的GetInput函數獲取傳過來的數據，這樣便實現了數據由下位機傳送給上位機的數據采集工作。

數據采集回來后，新建一個int型標志位flag，并賦初值為0，判斷每次采集到的數據，若是開始位，則將標志位置1，若是停止位，則將標志位清0，然后通過判斷標志位是否為1來執行后續操作，若為1，則先將采集的數據存入數據庫，以備后來查看用，然后將先后傳過來的數據通過判斷是否滿足條件實時顯示在界面上，第一個節點的數據中包含有紅外傳感器的檢測數據和超聲波傳感器的位移數據，此時界面實現將第一個節點的紅外傳感器指示燈點亮并且將超聲波傳感器的距離數據顯示在相應的文本框里，處理后顯示在進度條中，以此類推，數據的實時顯示也達到了，隨后程序中會將采集的數據與設置的比較值進行對比，若超過了比較值的范圍，則按照相似的步驟將命令信號傳輸到單片機中控制聲光報警。

4 結 語

本設計搭建了無線傳感器網絡和倉庫管理監控系統，并實現了系統的應用性。無線傳感器網絡采用STM32單片機，使用NRF905無線射頻技術實現傳感器數據的無線傳輸。倉庫管理界面使得系統更加準確和易于監控。但該系統推廣到復雜環境條件下的倉庫監控可加強以下兩方面的研究：① 無線傳感器節點之間和節點與管理系統之間的傳輸距離應該在增大，并提高傳輸數據的速度；② 優化無線傳輸速率和倉庫管理控制速率的整體結構，以優化整個監測系統。

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