基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王宇楠+黃繼偉

摘 要：文中設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的倉庫監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee和ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)為核心，可實現(xiàn)對庫房內(nèi)環(huán)境參量和圖像信息的采集、分析、貯存及顯示。本系統(tǒng)部署有多重報警模塊，可提高貨物存儲的安全性。經(jīng)測試，該系統(tǒng)具有安裝簡單、功耗低、成本低、運行穩(wěn)定的特點，在物流倉庫監(jiān)控中具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；ARM；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，倉儲規(guī)模越來越大，物資種類也越來越多。傳統(tǒng)的以人為主導(dǎo)的倉庫監(jiān)控系統(tǒng)變得十分笨重，不僅耗財耗力，還容易出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)。正因為如此，種類繁多的倉庫監(jiān)控設(shè)備也應(yīng)運而生。近年來，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日漸受到開發(fā)者的青睞，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)也因此為倉庫監(jiān)控系統(tǒng)注入了新鮮的“血液”[1]。

本文結(jié)合ZigBee和ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)[2，3]，設(shè)計出一套低功耗、功能齊全、性能穩(wěn)定的無線倉庫監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對庫房內(nèi)溫濕度、煙霧、水浸等環(huán)境參量和圖像的采集，并根據(jù)分析結(jié)果做出相應(yīng)處理。該系統(tǒng)在節(jié)省倉庫監(jiān)控費用和人力資源、提供安全的倉儲環(huán)境方面有著十分重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該系統(tǒng)主要由參量采集前端、中控中心和監(jiān)測中心三部分組成。倉庫參量采集前端主要負責采集庫房內(nèi)的環(huán)境參量。環(huán)境參量的采集主要包括溫度、濕度、煙感、水浸、氣體、市電等。通過各類傳感器或變送器將環(huán)境參量轉(zhuǎn)換成特定的信號后由采集前端進行采集和初步處理。考慮到倉庫中復(fù)雜的布局和環(huán)境，因此選用無線傳感節(jié)點對數(shù)據(jù)進行采集。針對不同的倉庫格局，無線的方式對于倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的部署有更大的靈活性。目前常用的短距離無線通信技術(shù)有紅外通信技術(shù)、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信、UWB無載波通信技術(shù)、藍牙通信技術(shù)、ZigBee技術(shù)[4]。充分考慮了無線傳輸?shù)某杀尽⒐摹⑼ㄐ啪嚯x、穩(wěn)定性、安全及組網(wǎng)方式，本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)對倉庫的參量進行采集和傳輸。

中控中心是整個倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊，該系統(tǒng)選用三星公司的S5PV210處理器作為中控中心的控制器核心。該處理器搭載了嵌入式Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。其中，嵌入式Web服務(wù)器負責響應(yīng)客戶端的請求，可實現(xiàn)與PC客戶端的實時通信[5]。嵌入式數(shù)據(jù)庫主要用來實時存儲采集到的參量，以便進行分析和處理。當檢測到參量異常時可以通過短信報警、現(xiàn)場聲光報警和網(wǎng)絡(luò)報警等多種報警模式，使異常和故障得到及時處理。此外，該中控中心還可以搭載門禁系統(tǒng)和視頻圖像采集系統(tǒng)，加強對倉庫進出人員和現(xiàn)場實時情況的監(jiān)控。監(jiān)控中心主要負責處理并顯示從中控中心發(fā)回的數(shù)據(jù)，是主要的人機交互界面。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊和ARM中控中心的硬件設(shè)計。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型，實現(xiàn)對庫房內(nèi)環(huán)境參量的采集和傳輸。

（1）協(xié)調(diào)器主要用來協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是整個網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者和維護者；

（2）路由器將終端節(jié)點、其他路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點連接起來，讓更多的設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中；

（3）終端節(jié)點上搭載各類傳感器來完成最終的信息采集和設(shè)備控制。本系統(tǒng)應(yīng)用的傳感器有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒐饷魝鞲衅鞯取RM中控中心與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，搭載視頻采集、聲光報警、短信報警、門禁等系統(tǒng)，實現(xiàn)對環(huán)境參量數(shù)據(jù)的處理和現(xiàn)場圖像的采集傳輸。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊硬件設(shè)計

該模塊以TI公司的CC2530芯片為核心，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。CC2530是TI公司推出的新一代適合ZigBee通信片上系統(tǒng)解決方案，用于實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有著極高的集成化水平，集成了符合IEEE802.15.4標準的無線射頻收發(fā)器件、增強版的8051內(nèi)核、可編程存儲器以及8 KB的SRAM等。CC2530有優(yōu)良的射頻特性和低功耗特性，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能強大，而且工作在免執(zhí)照頻段；具有出色的接收靈敏度，輸出功率最高可以達到4.5 dBm；在無外加功放且電路完全匹配的情況下，通信距離可達百米以上；電源電壓范圍為1.8～3.6 V，最低工作電壓僅需1.8 V，且有4種電源模式，轉(zhuǎn)換時間極短，非常適合需要超低功耗運行的系統(tǒng)。

為了便于設(shè)備的維護及應(yīng)用擴展，將ZigBee模塊分為CC2530核心板和底板兩個模塊。不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對象的核心板是一樣的，底板可以根據(jù)需求做適當修改。底板主要由電源模塊、外擴存儲模塊、JTAG接口、RS 232接口、按鍵及傳感器接口等部分組成。在設(shè)計核心板時，引腳30需要連接提供基準電流的56 kΩ外部精密偏置電阻器，引腳40需要外接1μF的退耦電容。圖2所示是CC2530核心板的設(shè)計原理圖。

2.2 ARM中控中心硬件設(shè)計

中控中心采用三星公司基于ARM Cortex-A8內(nèi)核架構(gòu)的S5PV210處理器。該處理器有32位的精簡指令集，具有32/64位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)；CPU內(nèi)部有兩級分布為16/32 KB和512 KB的數(shù)據(jù)/指令緩存，具有出色的運算能力；為了可靠安全的系統(tǒng)引導(dǎo)啟動，內(nèi)部集成了64 KB ROM和128 KB RAM；多媒體Codec支持實現(xiàn)H.264視頻格式的編解碼；有豐富的外設(shè)接口資源。中控中心采用了如下的嵌入式模塊：存儲器模塊、串口模塊、以太網(wǎng)模塊、電源管理和復(fù)位電路模塊、調(diào)試電路模塊、USB接口模塊等。攝像頭、報警系統(tǒng)、ZigBee協(xié)調(diào)器等模塊通過USB接口和串口模塊來擴展。圖3所示是中控中心硬件平臺的硬件框架圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)中軟件主要有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計、視頻采集、Boa嵌入式Web服務(wù)器的搭建、嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3及操作系統(tǒng)的移植和底層硬件驅(qū)動的移植和編寫等。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

3.1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器所承擔的角色是組建和維護網(wǎng)絡(luò)， 并且把從終端節(jié)點接受到的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給中控中心，中控中心也可以通過協(xié)調(diào)器向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信息。協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)有以下兩項：

（1）檢測串口接收緩沖區(qū)，將接收到的命令發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點；

（2）檢測無線數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，將終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中控中心。ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程如圖4所示。

3.1.2 ZigBee終端節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點上搭載各種傳感器，加入網(wǎng)絡(luò)后周期性的采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，對協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的命令進行響應(yīng)。為了降低整個網(wǎng)絡(luò)的功耗，并保證全網(wǎng)節(jié)點同步的效果，終端節(jié)點的休眠采用同步和異步休眠混合的方式。終端節(jié)點在發(fā)送環(huán)境參量信息后，若收到協(xié)調(diào)器發(fā)過來的休眠指令，則進入同步休眠模式；否則進入異步休眠模式。異步模式下在監(jiān)聽時間片內(nèi)收到喚醒指令，等待協(xié)調(diào)器的休眠指令進入同步休眠模式。ZigBee終端節(jié)點的工作流程如圖5所示。

3.2 視頻采集軟件設(shè)計

視頻采集選用USB接口的攝像頭，完成Linux內(nèi)核部分的移植。Video4Linux2是Linux系統(tǒng)里關(guān)于視頻設(shè)備的驅(qū)動和函數(shù)庫，這個函數(shù)庫給應(yīng)用軟件的編程用戶提供接口函數(shù)以實現(xiàn)圖像的采集。在Linux中，包括攝像頭在內(nèi)的所有設(shè)備都被看作是一個文件，通過Open（）和Close（）函數(shù)進行打開和關(guān)閉操作，這樣可以方便地對設(shè)備進行讀寫操作。打開視頻采集設(shè)備文件后，獲得設(shè)備屬性的參數(shù)并設(shè)置視頻采集的格式。將從內(nèi)核申請到的幀緩存內(nèi)存映射到用戶空間后，開始進行采集。由于采集到的數(shù)據(jù)幀比較大，所以采用H.264壓縮編碼技術(shù)[6]對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。最后利用無線網(wǎng)卡對視頻數(shù)據(jù)進行傳輸。視頻采集流程如圖6所示。

3.3 遠程監(jiān)控功能軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能。Boa是專門為嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計的Web服務(wù)器，它十分精巧且源碼開放，支持CGI功能[7]。Boa服務(wù)器以超文本傳輸協(xié)議（http）為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)對嵌入式設(shè)備進行信息交互。我們首先在中控中心上移植Boa服務(wù)器，然后對Boa進行配置，使它支持網(wǎng)關(guān)接口程序的執(zhí)行。監(jiān)控中心要先向Boa服務(wù)器發(fā)起連接，然后通過Socket套接字向服務(wù)器端提出請求，經(jīng)過超文本傳輸協(xié)議傳給Boa服務(wù)器。服務(wù)器端收到瀏覽器端的請求信息后，將信息傳輸給指定的CGI程序訪問本地數(shù)據(jù)庫，并把數(shù)據(jù)回傳給監(jiān)控中心，通過瀏覽器顯示出來。遠程監(jiān)控實現(xiàn)流程如圖7所示。

4 結(jié) 語

經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計、軟硬件聯(lián)合調(diào)試和系統(tǒng)功能測試，本系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了庫房環(huán)境參量和視頻圖像的采集和傳輸、異常現(xiàn)象的及時報警等功能；登錄如圖8所示的監(jiān)控界面后，可以對現(xiàn)場圖像和環(huán)境參量進行實時查看，還可以實時接收報警信息和瀏覽歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的能耗較低，且數(shù)據(jù)采集的準確率高。以溫度參量為例，采集的溫度與實際溫度的誤差在5%以內(nèi)；當ZigBee終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器間的傳輸距離低于60 m時，終端節(jié)點的平均待機功耗低于2 μA。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，布局方便，安裝成本低，監(jiān)控類目齊全且功耗較低，可以推廣到智能家居或智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，在監(jiān)控領(lǐng)域有較大的前景和市場。

參考文獻

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