基于長線1—Wire的倉儲貨架并行測溫系統設計

莊小蘇 王建華 王淵

【摘要】在物流行業中，倉儲系統是其重要的一個環節，環境溫度需要時時監測，以保證貨物的質量，由于物流倉儲使用的貨架體積大，存儲與管理的貨物批量大、品種繁多，使用常規的人工監測方法耗時耗力，利用1-wire總線技術設計一種長線并行測溫系統，進行集中式實時溫度監測，精確到各種貨物的具體儲存點，減少人力資源投入，提高存儲質量。1-wire總線利用一根數據線同時完成低速數據、信號的傳輸和電源供給，在實際應用中也可以大幅減少監測設備體積和成本。

【關鍵詞】倉儲貨架;長線1-wire;并行測溫

1.背景

物流過程中，貨物的儲存是一個重要的環節，一個倉庫或配送中心的成敗很大程度上取決于其貨架系統的效率[1]。倉儲貨架大多采用立體結構，體積龐大，需要滿足大批量、品種各異的貨物存儲和管理。為了保證各種貨物的存儲質量，經常需要監測其環境溫度、濕度等指標，使用常規的溫度計、濕度計查看方法，雖然設備成本低廉、方案簡單，但是需要投入人力資源，而且經常不能保障監測的實時性和準確性。一旦貨物存儲的局部環境溫度發生變化，管理人員很難及時發現，則會給存儲貨物，特別是對溫度敏感的貨物帶來較壞影響，降低儲存質量。為了解決此類問題，設計一種適合物流倉儲環境的溫度監測系統，并行測量倉儲環境中各個存儲地點的實時溫度，提高測量的準確性和監測效率，保證存儲物資的質量。

2.1-wire基本原理

1-wire總線（即單總線）是Dallas半導體公司設計提出的多設備間通信的一種總線規范，它規定了設備之間僅利用一根數據線進行數據通信的協議，1-wire總線適用于長距離的低速率數據傳輸，經常應用在低成本設備之間的通信環境中。數據在 1-wire總線上的傳輸只需一根數據線加一根地線，該數據線負載能力強，比基于兩線的I2C總線和三線的SPI總線的硬件連接更簡單、性能穩定、抗干擾性能好，并且在同一數據線上可以共存多路高速通信，所以 1-wire總線技術在現場總線技術方面得到越來越廣泛的應用[2]。由1-wire設備可以組成稱之為微域網（MicroLAN）的網絡，其中的每一個1-wire設備具有唯一的標識符，這些設備分為主機設備和從機設備，主機設備只有一個，可以是PC主機或者主控制器芯片，從機設備可以有多個。所有設備的供電和數據傳輸都是通過這一根數據線完成，主機設備負責給從設備提供電源，同時負責發起通信、仲裁各從機設備之間同時通信的沖突。所有的通信協議都由嵌入到設備中的軟件實現。1-wire協議重點規定了主機設備發現從機設備、控制所有設備之間通信的關鍵時序。主要時序包括：初始化時序、讀數據時序和寫數據時序。

3.并行測溫硬件設計

物流物資的倉儲，大多利用的是貨架的方式，與一般倉庫儲存有著很大的區別。物流行業的特殊性，在選擇倉儲貨架是需要綜合考慮如下細節：存儲密度、出貨精度要求等[1]。其中為了盡可能大的滿足存儲密度高的要求，貨架一般都具有體積大、層數多的特點。因此，采用并行多點測溫方式，能夠更好的符合倉儲特點。測溫硬件系統分為兩個部分：前端采集模塊和后端處理模塊。前段采集模塊使用1-wire器件DS18B20數字溫度傳感器，后端處理模塊采用STC89C52單片機。根據采集點的數量，確定前端采集模塊的個數，模塊之間連接采用并行拓撲結構。DS18B20數字溫度傳感器是DALLAS公司生產的1-wire器件，具有線路簡單，體積小的特點[3]。因此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，在一根通信線上可以連接很多這樣的數字溫度計，十分方便。具體特點包括：

（1）只要求一個端口即可實現通信。

（2）每個器件具有獨一無二的ID序列號。

（3）不需要外部任何元器件即可實現測溫。

（4）測量溫度范圍在-55?C到+125?C之間。

（5）數字溫度計的分辨率從9位到12位。

（6）內部有溫度上、下限告警設置。

DS18B20的封裝為TO-92，引腳分布十分簡單，只有3個引腳，見表1。因此，并行測溫系統的硬件連接十分簡單，多個DS18B20器件和AT89S52單片機的數據口同時掛接到同一根數據線上即可。但有實驗表明，非切換型星形網絡拓撲（在主機端有多個分支）的可靠性很難保證，不同分支的節點在主機設備端造成較大的阻抗失配，再加上從分支末端造成的反射，反射信號所經過的路程幾乎和網絡總長相等，從而導致誤碼[4]。因此硬件系統連接拓撲采用切換型星型結構，這種網絡在物理連接上是星型拓撲網絡，而在邏輯連接上卻等同于直線拓撲，切換采用數字開關控制。通常1-wire 網絡的半徑（即主機設備距離支路最遠從機設備的距離）不超過750m。具體見圖1所示。

圖1 硬件連接拓撲圖

系統連接使用5類銅纜雙絞線，主機設備提供5V總線電源為1-wire網絡供電。連接網絡的分支與1-wire 總線連接時，在每一個傳感器節點處都會產生阻抗失配，會對網絡上的其它設備造成影響，所以為了降低失配程度，在支路上串聯一個150歐或100歐的電阻。

4.軟件設計

1-wire總線協議方式，用一根數據線實現數據的雙向傳輸，而對AT89S52單片機來說，硬件上并不直接支持單總線協議，因此，需要利用軟件模擬實現單總線的協議時序來完成對多個DS18B20傳感器的訪問。每一個DS18B20傳感器芯片都具備一個唯一的ID序列號，在軟件設計中可以利用芯片的ID序列號區分測量值對應的測量地點。DS18B20在一根I/O線上讀寫數據，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求，它有嚴格的通信協議來保證數據傳輸的正確性和完整性。此協議定義了信號時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主控制器作為主機設備，單總線器件傳感器作為從機設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機設備主動啟動寫時序開始，如果要求從機設備回送數據，在進行寫命令后，主機設備需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內釋放單總線，以讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣I/O總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內釋放單總線。DS18B20的復位時序、讀時序和寫時序示意圖具體可見文獻[3]。多個溫度傳感器的采集軟件控制流程見圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

5.結束語

倉儲貨架是物流系統中的一個必要環節，存儲著大量的、品種各異的物資，貨架的各個節點儲存的物資并不一定相同，各種物資對溫度的敏感程度也各不相同，在實際存儲的過程中，能夠實時準確的監測到各個存儲節點的溫度值，這對與保證物資存儲質量有很大影響。基于1-wire總線設計多點溫度實時測量，成本低廉，構建簡單，適用于大部分貨架場合。

參考文獻

[1]牛秀明.如何選擇倉儲貨架系統[J].物流技術（裝備版），2012，12：84.

[2]伍家滿，虞禮貞，劉小燕，李凌.基于1-Wire接口的總線技術及其應用[J].南昌大學學報（工科版），2005，01：89-93+98.

[3]DS18B20芯片數據手冊[R].http：//datasheets.maxi-mintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf.

[4]應用筆記148：長線1-wire網絡可靠設計指南[R].http：//www.datasheetmax.com.

作者簡介：

莊小蘇（1987—），男，大學本科，中興軟創科技股份有限公司高級工程師，研究方向：物流倉儲智能化設計與研發。

王建華【通信作者】（1977—），女，滿族，河北承德人，博士，白求恩醫務士官學校副教授，研究方向：嵌入式系統設計及優化。

王淵（1981—），男，大學本科，中興軟創科技股份有限公司高級工程師，研究方向：物流智能化設計與研發。