一種應用在叉車上的無線通信系統的設計

紀弘陽 張鳳濤

摘 要：本文為解決當前中小企業生產車間內如何提高叉車駕駛員搬運貨物效率的問題，提出一種基于ATMEGA8L單片機和CC1100無線通信模塊，組成一個小型的星形網絡拓撲結構的無線通信系統的設計方案。在保證系統可靠通信的情況下，可以為叉車駕駛員節約取貨時間，減少叉車行駛距離，降低搬運過程中的運營成本，大幅度提升搬運效率的同時，又可保證通信系統擴展的優越性。

關鍵詞：單片機；無線通信模塊；星形網絡；通信系統擴展

一、設計背景

當前，許多中小企業的生產車間內，叉車成為貨物運載的主要交通工具，而倉庫與生產線往往位于車間的兩端，叉車駕駛員首先需查看哪一條生產線上有貨物下線，然后使用叉車將貨物搬運到幾百米遠處的倉庫內，接著再一次返回到生產線上查看哪條生產線上有貨物下線……周而復始，不斷地重復這樣的工作。在此過程中，假設有5條生產線，駕駛員需要不斷的對5條生產線進行輪詢，時間、油耗、行駛路程都會大大增加，工作效率低是目前叉車駕駛員最大的困擾。

為此，本設計采用433MHZ的CC1100無線通信模塊、ATMEGA8L單片機、光電開關、LED顯示等器件，采用自定義的通信協議，共由7個節點構成一個小型無線通信網絡。包括檢測節點1、2、3、4、5，一個中繼節點，和一個自由節點。

二、硬件描述

（1）檢測節點由ATMEGA8L單片機的某一個IO端口外接一個型號為E3F-DS10C4的光電開關，調節其檢測距離在50厘米左右，單片機通過讀取該IO的電平狀態可得到生產線上是否有貨物下線。一般低電平表示有貨，高電平表示無貨。ATMEGA8L的串行口外接CC1100無線通信模塊，接收來自中繼節點的輪詢指令，并及時給與信息回饋，如圖1所示。

（2）中繼節點主要完成信息收集，所有工作均由串口完成。所以設計中繼節點電路時，只需ATMEGA8L的串行口外接CC1100無線通信模塊，外加供電電源即可，如圖2所示，所有功能通過軟件編程實現。在整個網絡拓撲結構中，中繼節點處于主機的地位，而其它節點均處于從機地位。

（3）自由節點是唯一有顯示信息的裝置，通過ATMEGA8L的IO驅動一定數量的發光二極管，用以點亮或熄滅前面板上已經雕刻好的數字字形符、故障指示燈，同時ATMEGA8L的串行口外接CC1100無線通信模塊，接收來自中繼節點的顯示信息，如圖3所示。

三、供電方法

根據車間內的實際情況，在系統供電方面，為了保證系統可以長期工作，檢測節點1、2、3、4、5及中繼節點由AC220V轉DC5V1A的適配器供電，并在節點接線盒下方預留電源接入插孔。因自由節點需隨叉車在車間內自由移動，它的供電電源可以取自叉車的DC12V供電電瓶，并通過DC/DC降壓變換而得到DC5V電壓，為控制芯片和顯示裝置提供電源。

四、通信協議

從生產線上有貨物下線開始，直道自由節點上的顯示信息有反饋結束，這一段時間稱為該系統的一個反饋周期。一般反饋周期只要低于0.5秒，都能滿足客戶要求。為了系統軟件容易實現，系統采用自定義協議，由中繼節點對5個檢測節點進行輪詢，并要求每個檢測節點在50ms內給予信息回饋。對于有回饋信息的，中繼節點會記錄下該生產線上貨物信息。無回饋信息的，中繼節點會標記為該檢測節點處于未連接狀態。當輪詢周期結束后，中繼節點將5個檢測節點的回饋信息進行整合，然后以數據幀的形式發送給自由節點。自由節點接收到這一幀數據后，對其進行解析，然后將檢測信息顯示在叉車上的顯示面板上。

我們設定通信超時時間為10毫秒，根據系統工作中最壞的情況考慮，假設所有檢查節點均處于未連接狀態，此時反饋周期是最長的，約為10毫秒*5=50毫秒的時間。這樣，在1秒時間內，自由節點中的顯示內容至少可以刷新20次以上，完全能夠滿足客戶對于反饋周期的要求。

五、安裝需求

CC1100無線通信模塊的直線通信距離大約250米左右，而且使用時需確保車間內無其它433MHZ無線干擾源；需遠離電動機等強磁干擾源；架設天線時，需遠離大面積金屬，并垂直向上擺放，其架設高度需超過2米；安裝時盡量使任意2個節點之間通信無遮擋。此拓撲結構適合架設在長度在250米～500米之間的生產車間內使用。當車間長度低于250米，可以省去中繼節點，由自由節點代替中繼節點完成相同的工作。當車間長度大于500米，可增設中繼節點個數，以達到信息中繼、長距離可靠傳輸的目的。

在本通信系統網絡拓撲中：

（1）檢測節點1、2、3、4、5分別安裝在5條生產線上，每個節點上都有一個光電開關用于檢測是否有貨物下線；

（2）中繼節點安裝在車間的正中心，用于收集5條生產線上的貨物信息，并進行數據加工整理，發送給自由節點。若通信距離不可靠，可以適當偏向生產線一側，自由節點在取貨過程中一定會進入可靠通信范圍內；

（3）自由節點安裝在叉車上，隨著叉車在車間內自由移動，并實時接收來自中繼節點的數據信息，解析后顯示在屏幕上。

六、顯示信息設計

該系統所有信息均在自由節點上顯示，方便叉車駕駛員及時發現工作信息和故障信息；

顯示器上電自檢，狀態為1-5的數字字形依次點亮，然后進入工作狀態；

若任一條生產線上有貨物下線并需要運載，則對應的數字將被點亮。貨物被取走后，對應數字將熄滅。

數字下方的超時故障指示燈正常工作時，均處于熄滅狀態。若某個指示燈點亮表示該生產線對應的檢測節點與中繼節點之間發生失聯，此時請檢查通信故障：（1）檢測節點未供電；（2）該節點與中繼節點之間的距離超出可靠通信范圍；（3）天線未擰緊等。

若自由節點的顯示面板上出現所有數字和超時故障指示燈頻繁閃爍，表示自由節點與中繼節點之間發生失聯，此時請檢查通信故障：（1）中繼節點未供電；（2）自由節點與中繼節點超出了可靠通信范圍；（3）天線未擰緊等。

七、測試方法

按照拓撲中從右向左的順序測試，可以及時掌握所有顯示信息并可最快做出故障判斷。

第1步：自由節點接入直流12V電源后打開電源開關，系統先進行自檢，然后出現頻繁閃爍；

第2步：中繼節點接入DC5V1A的電源適配器后打開電源開關，顯示器上5個數字熄滅，頻閃故障消失，下方的5個超時信號燈點亮，此種情況表明中繼節點與自由節點正常通信；

第3步：5個檢測節點接入DC5V1A適配器后，依次打開電源開關。每給一個節點上電，就會發現其對應的超時燈熄滅，用手遮擋光電開關，對應的數字被點亮，手移開，數字熄滅，表示該檢測節點與中繼節點通信正常。

八、結語

該系統在設計過程中，充分考慮了硬件電路的可靠性、軟件協議的可行性、設計成本的性價比等因素。該無線通信系統可以大幅度提高叉車駕駛員的工作效率，主要體現在：

（1）節約了時間。可以快速提醒駕駛員哪條生產線上有貨物下線，省去了駕駛員開車對生產線貨物下線情況進行輪詢的耗時環節。

（2）減少了叉車行駛距離。在避免走冤枉路的同時，也減少了叉車燃油的損耗，降低搬運過程中的運營成本。

（3）系統擴展性能優越。若企業未來擴大生產規模，增設了生產線的數量，該無線系統只需增加檢測節點數量，無需其它硬件的改動和資金的投入。

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基金項目：2016年吉林省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201610205054）

作者簡介：紀弘陽（1996-），男，本科，學生，機械設計制造及其自動化專業。

*通迅作者：張鳳濤（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向：自動化控制。