基于物聯網的智能運輸車輛控制系統設計與實現

穆天 曹清源

摘 要：針對倉儲管理系統智能化的需求，文中設計了一款基于物聯網的智能運輸車輛控制系統，并介紹了系統的組成和工作原理。設計的運輸車輛、控制系統以及上位機軟件可以實現車輛的自主運行以及運輸車輛與控制系統協同工作的功能。該系統具有自動化程度高、功耗低、性能可靠、運行穩定等特點。

關鍵詞：倉儲；運輸車輛；自動控制；射頻識別；藍牙

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的日趨成熟，在倉儲管理系統中引入無線射頻識別（RFID）技術[1-3]，通過掃描貼在每個貨物上的電子標簽完成對貨物出入庫的跟蹤管理；同時利用互聯網技術、藍牙通信技術以及微處理器技術實現對倉庫存儲狀態的實時采集；對進入倉儲管理區域中的運輸車輛進行運行引導，從而高效提升企業智能運輸車輛控制系統的綜合效益[4-8]。

倉儲運輸車輛管理控制系統是在無人工干預的情況下，為運輸車輛導航，使運輸車輛安全到達指定位置。運輸車輛行駛至入口處，采集貨物信息并與數據庫中的信息比對。本系統使用RFID技術讀取運輸車輛承載貨物的詳細信息，通過藍牙向運輸車輛發送運行指令，實現運輸車輛的自主運行。

1 倉儲管理系統工作流程

系統工作流程如圖1所示。使用印刷電路板（PCB）作為運輸車輛的主體承載平臺，在其上方安裝一層有機玻璃板用于放置貨物。運輸車輛使用兩個與車輪直接相連的微型直流電機作為動力來源，在該車輛后部安裝一個萬向輪用于維持車體平衡。運輸車輛在指定車道內循跡行駛，且能夠實時檢測本車與前車間的距離，當與前車的距離小于安全車距時，運輸車輛減速，避免與前車相撞。在運輸車輛行駛過程中，車載藍牙始終開啟并處于接收狀態，實時接收控制中心發送的指令，車輛依照指令運行。當運輸車輛行駛至道閘處時，道閘側面安裝的RFID讀寫器能夠識別車載貨物的信息，并將信息上傳至控制中心計算機，計算機將獲得的信息與既有數據庫中的信息進行比對，若比對成功則向道閘發送成功信息，欄桿自動抬起，道閘通過藍牙向運輸車輛發送停放位置，運輸車輛駛入后數據庫信息被更新；若比對失敗，欄桿保持落下狀態，道閘向當前的運輸車輛發送禁止駛入的信息，運輸車輛接收到該信息后掉頭駛離。

2 運輸車輛設計方案

2.1 車輛硬件設計方案

運輸車輛由載臺和底盤兩部分組成。載臺是定做的透明有機玻璃板，通過銅柱安裝在車輛底盤上。底盤為車輛控制核心電路板。該電路板集成了微處理器、調試接口、開關、電池插口、紐扣電池底座、穩壓電路、電機驅動、電機安裝口、避障傳感器、紅外光電傳感器及相應的信號處理電路，并留有藍牙模塊的接口，還包括車輛正常工作需要的其他外圍電路。底盤上安裝有6個發光二極管（LED）作為狀態指示燈，還有2個數碼管專用于顯示車輛編號，使運輸車輛具有良好的人機交互功效[9]。

全車的電能均來自一塊容量為2 600 mA的鋰電池，可通過獨立的穩壓芯片向全車各模塊供電。其中，LM2940提供穩定的5 V電源，向全車各傳感器模塊供電；AMS1117-3.3提供3.3 V電源，向控制器和無線通信模塊供電；78M05和78M06用于向電機提供工作電流。全車各穩壓芯片獨立工作，互不干擾，可保證系統供電的穩定性。

MCU采用意法半導體公司生產的STM32系列微處理器，該處理器使用來自ARM公司具有突破性的Cortex-M3內核， 該內核專門用于高性能、低功耗及對成本較為敏感的嵌入式應用場合，因此STM32系列處理器[10，11]是本系統的最佳選擇。

本系統選用額定電壓為6 V，轉速為30 r/min的n20小型電機。電機驅動器使用ST公司的L298P芯片，該芯片工作電壓最高可達46 V，持續工作電流為2 A，已完全滿足運輸車輛驅動電流的需求。封裝為貼片形式，具有便于焊接安裝、外圍電路簡單、性價比高等優點。該芯片可以驅動兩臺直流電機。電機驅動電路如圖2所示。

運輸車輛與道閘控制系統采用藍牙通信協議進行通信，軟件協議采用自主設計模式，硬件電路采用自主設計的傳輸模塊，通過排針與排座將其安裝在運輸車輛及道閘控制系統的電路板上。藍牙模塊采用基于CC2540芯片的解決方案，使用藍牙4.0協議，傳輸速率達1 Mb/s，若采用外置天線，傳輸距離可達到100 m。其傳輸速度與傳輸距離均能滿足本設計的需求。

避障模塊使用市面上流行的E18-D50NK光電傳感器，其有效距離為3～50 cm，輸出信號為數字信號，可廣泛應用于機器人避障、流水線計件等場合。該傳感器通過專用支架固定在車輛底盤的PCB上，安裝方便，工作性能穩定。

用于實現車輛尋跡行駛功能的傳感器使用TCRT5000反射式紅外光電傳感器。該傳感器尺寸小，靈敏度高，抗干擾能力強，能夠滿足本設計運輸車輛的需求。光電傳感器電路如圖3所示。

2.2 運輸車輛工作過程

運輸車輛沿標記的路徑行駛，當車輛偏離路徑時能夠自動糾正；當車載紅外光電傳感器檢測到轉彎標記時可根據指示轉彎；當檢測到停車線時停車，準備接收道閘控制系統發送的信息。當道閘發送允許信息時，運輸車輛等待欄桿抬起后繼續前進；當道閘發送禁止信息時，運輸車輛自動掉頭返回，行駛至停車區停車。運輸車輛工作過程如圖4所示。

3 道閘控制系統設計方案

3.1 道閘控制系統硬件設計方案

道閘控制系統由安裝在透明有機玻璃板上的獨立模塊構成，包括控制器主板、液晶顯示器、藍牙模塊、步進電機、電機驅動模塊和射頻卡讀寫器。整個系統由一塊鋰電池供電，該鋰電池與運輸車輛使用的鋰電池完全相同，此處不再贅述。

主板的核心處理器為意法半導體（ST）公司生產的STM32系列微處理器STM32F103ZET6。這款處理器擁有144個引腳，72 MHz的主頻，512 kB Flash，64 kB RAM，并擁有多達80個通用輸入、輸出端口（GPIO）。該處理器外設資源豐富，處理速度快，抗干擾能力強，能夠完全滿足本項目道閘控制系統的需求。

主板上留有調試接口、液晶顯示器接口、無線通信模塊接口和SD卡接口，將全部GPIO通過排針引出，便于連接。主板上還集成了電源插座、穩壓芯片（5 V和3.3V）、用于RTC的紐扣電池、紅外遙控接收頭和必要的外圍電路。道閘控制系統的液晶顯示器和藍牙模塊直接安裝在主板上，其他模塊通過導線和主板連接。

顯示器選用薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）。

步進電機選用兩相四線的42BYGH步進電機，該步進電機扭矩大，安裝方便，且與選用的步進電機驅動器相匹配。使用該型號步進電機能夠完全滿足本設計的需求。

射頻讀卡器選用購買的成品MFRC-522模塊。該模塊被廣泛應用于各類射頻識別場合中，其供電電壓為3.3 V，通過SPI接口直接與用戶MCU主板相連接通信，具有工作可靠、讀卡距離遠、抗干擾能力強等特點。射頻讀卡器與MCU連接關系如圖5所示。

3.2 道閘控制系統工作過程

道閘控制系統工作過程如圖6所示。MCU通過射頻讀卡器連續檢測當前卡的狀態。當檢測到有卡后，MCU獲取卡片信息，將其發送至上位機軟件中，若獲得的反饋信息為允許通過，則藍牙模塊向運輸車輛發送通過信息，同時步進電機帶動欄桿抬起，待車輛通過后道閘落下，射頻讀卡器繼續檢測卡狀態；若卡片代表的信息為禁止通過，則藍牙模塊向運輸車輛發送禁止信息，運輸車輛掉頭返回，欄桿保持落下狀態。

4 計算機軟件簡介

本項目涉及的計算機軟件設計方案如下：通過LabVIEW繪制前面板，構成程序主界面。主界面第一行顯示當前最新的貨物進出動態。第一行上方的選擇欄設定當前使用的串口號，通過串口與道閘通信。第一行下方列表顯示歷史數據。當道閘檢測到貨物時，將貨物信息通過串口發送至計算機處，由計算機軟件判定是否允許貨物進入，并將當前編號、系統時間、貨物信息、狀態等顯示在前面板上。若貨物允許進入，則向道閘發送允許信息；反之則發送禁止信息。程序運行時前面板如圖7所示[12-14]。

5 結 語

本文基于物聯網技術、藍牙通信技術以及微處理器技術，設計了一個智能運輸車輛控制系統，并通過硬件模塊、軟件模塊的選取進行實驗操作。實驗結果表明，在無人工干預的情況下，該系統能夠為運輸車輛導航，使運輸車輛安全到達指定位置，具有自動化程度高、功耗低、性能可靠、運行穩定等特點，具有較大的實用價值。

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