基于物聯網的倉庫環境監測系統

秦騰飛 葛廣英 張如如 董騰 盛中華

摘 ?要： 為了提高倉庫環境監測的信息化和智能化的水平，解決監測倉庫環境手段少、監測環境方式落后、倉庫管理效率不高等問題，設計并實現了基于物聯網的倉庫環境監測系統。該系統結合了多種智能化的技術如ZigBee通信技術、嵌入式技術等，實時采集所需要的環境值，自動判斷和處理一些異常情況;將遠端監控中心、手機控制端、本地監控室、通信轉發室、以及遠端的倉庫智能互聯起來，實現倉庫環境的監測。系統實際的運行效果顯示，該系統的體系架構可行，系統功能穩定，能夠極大地提高倉庫環境的管理效率。

關鍵詞： 物聯網; ZigBee; 倉庫管理; 環境監測; 嵌入式技術; 實時采集

中圖分類號： TN711?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）10?0108?05

Abstract： To improve the informatization and intelligentization level of warehouse environment monitoring and resolve the problems such as few warehouse environment monitoring means， backward environment monitoring style， low warehouse management efficiency， a warehouse environment monitoring system based on Internet of Things （IoT） was designed and implemented. Multiple intelligent technologies such as ZigBee communication technology and embedded technology are combined in the system to collect the required environment values in real time and automatically judge and deal with some unusual circumstances. The warehouse environment monitoring was realized by intelligent connection of remote control center， mobile phone control terminal， local control room， communication forwarding room， and remote warehouse. The actual operating effect of the system shows that the system has a feasible architecture and stable function， and can greatly improve the efficiency of warehouse environment management.

Keywords： IoT; ZigBee; warehouse management; environmental monitoring; embedded technology; real?time acquisition

0 ?引 ?言

隨著科學技術的發展和智能化水平的不斷提高，智能化系統應用的范圍也越來越廣，給人們的生活帶來了便利。在倉庫環境監測這個領域存在智能化水平不高、管理和監測環境效率低、不同的倉庫監測數據種類差異大等問題。這就需要建立并驗證一種體系架構，能夠將一些智能化技術有效融合到環境監測這個領域中去，并且能為解決走線復雜、成本高、傳感器種類多樣、綜合管理效率低等問題提供基本的方法。

分析研究這些實際問題之后，建立了基于物聯網的倉庫環境監測系統，該系統能夠將遠端監控中心、手機控制端、本地監控室、通信轉發室、以及遠端的倉庫智能互聯起來，能夠實現倉庫環境的監測，運行穩定，滿足了倉庫對環境監測的需求[1?3]。

1 ?系統總體設計

1.1 ?系統功能設計

本文系統主要實現對整個倉庫環境的監測，能夠實時采集所需的倉庫環境數據，具有ID卡身份識別，遠程配置閾值參數，自動故障處理與報警，倉庫數據的統一管理等功能。

1.2 ?系統基本組成

該系統由數據采集終端、通信轉發設備、本地監控設備、手機控制端和遠端監控軟件等組成。各個設備模塊之間能夠實現有效的數據通信。系統示意圖如圖1所示。

1） 數據采集終端用于遠程倉庫環境數據的監測，能夠自動實現數據的實時采集和電機、繼電器等的控制。

2） 通信轉發設備能夠實現外接設備之間的通信，具有ID卡識別、加密、數據轉發等功能。

3） 本地監控設備用于讓倉庫現場管理人員監控整個倉庫的環境數據。該設備具有數據采集、異常報警、數據通信、數據顯示和控制相關設備等功能。

4） 手機控制端主要是讓管理人員用手機端實時觀測各個遠端倉庫的數據，并且能夠設置倉庫環境參數的上下限閾值，控制數據采集終端外接的步進電機和繼電器。

5） 遠端監控軟件能夠對整個倉庫的環境運行狀況實時的顯示，并可以對溫濕度、光照等環境值設置閾值。該軟件能夠對倉庫進行統一管理，提高了倉庫環境的管理效率[4?6]。

2 ?系統硬件設計

2.1 ?數據采集終端硬件電路設計

數據采集終端硬件采用TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片內部帶有RF模塊，是一款可以用于ZigBee通信的片上系統。該芯片內部集成了ADC等模塊，可以靈活地外接多種器件，從而能夠采集光照、溫濕度，控制電機和繼電器等。硬件示意圖如圖2所示。

2.2 ?通信轉發設備硬件電路設計

通信轉發設備使用意法半導體的STM32F103[7]芯片來開發。該設備可以提供數據通信的接口，實現協議的轉換、加密、ID卡身份識別等操作。實際測試中，與射頻ID卡識別模塊、串口轉WiFi模塊、本地監控設備和ZigBee網絡接口相連接。此設備的硬件電路示意圖如圖3所示。

2.3 ?本地監控設備硬件電路設計

本地監控設備采用意法半導體的STM32F401芯片開發。設備外接有顯示屏、溫濕度傳感器、光照傳感器、多個手動按鍵、步進電機、繼電器、蜂鳴器、報警屏、其他設備通信接口等。其中多個手動按鍵可以實現手動控制繼電器、步進電機等功能。設備硬件電路示意圖見圖4。

3 ?系統軟件設計

系統軟件設計包括了數據采集終端、通信轉發設備、本地監控設備、手機控制端和遠端監控中心的軟件設計。

3.1 ?數據采集終端軟件設計

數據采集終端是在IAR開發環境中進行，使用TI公司的Z?Stack協議棧[8?9]。數據采集終端中采集終端節點的軟件流程圖如圖5所示。

軟件設計中首先對CC2530硬件、PANID等進行初始化操作，在OSAL_SampleApp.c文件中的tasksArr[]數組添加SampleApp_ProcessEvent，在SampleApp.h頭文件中定義UINT16 SampleApp_ProcessEvent（uint8 task_id， uint16 events），在SampleApp.c中編寫具體實現的代碼。然后進入Z?Stack輪詢式的操作系統，當用戶的事件發生并且沒有更高級的事件產生時，采集終端對接收到的數據進行分析處理工作。

采集終端能夠對采集的光照和溫濕度的數值與終端內設定的光照和溫濕度的上下限閾值進行比較，當采集的數據高于或低于相應的閾值時，采集終端會執行相應的動作，如啟動電機或開關繼電器等。

3.2 ?通信轉發設備軟件設計

通信轉發設備在Keil MDK v5.14的開發環境中開發，使用開發環境中提供的庫函數[10?11]。主要實現了ID卡身份識別、與串口轉WiFi模塊、本地監控設備、ZigBee網絡接口的數據通信以及數據加密等操作。流程圖如圖6所示。

設備上電后，首先進行初始化操作，包括時鐘頻率、GPIO，SPI外設、USART等的配置。在主循環中，讀取ID的卡號，如果讀取到的ID卡號為0xEEEA9385，則讀取到正確的ID卡，能夠實現ZigBee網絡接口、本地監控設備和手機端的數據通信。

3.3 ?本地監控設備軟件設計

本地監控設備在Keil MDK v5.14的開發環境中開發，使用開發環境中提供的庫函數。主要實現了數據的采集、步進電機和繼電器的控制、數據的顯示、故障的報警以及與通信轉發設備、遠端監控中心的數據通信等操作。如圖7所示，首先進行初始化的操作，包括時鐘總線、GPIO、片內外設的配置以及全局變量（如自定義的結構體my_local_data）的初始化，開機測試等操作。在主循環中，首先讀取ADC的數值，然后進行數據的計算，將得到光照值存儲在my_local_data.light中;利用單總線，讀取溫度值，并存儲在my_local_data.temperature中，將讀取到的濕度值存儲在my_local_data.humidity中;讀取其他相關引腳的狀態值，并賦值給my_local_data結構體相對應的成員變量。接收來自ZigBee網絡接口的數據，并進行數據處理操作，將數據賦值給結構體my_warehouse_data相應成員變量，最后將所有數據轉發，并通過顯示屏輸出。

3.4 ?手機控制端軟件設計

手機界面端軟件在Eclipse環境中用Java[12]語言開發，實現了通信連接、數據顯示與設置、遠端控制等功能。控制端界面如圖8所示。

3.5 ?遠端監控中心軟件設計

遠端監控中心軟件在Visual Studio[13]環境中用C++[14]開發，不但實現了通信連接、數據通信、數據顯示、上下限閾值設置等功能，還實現了數據的統一顯示與管理。遠端監控軟件界面如圖9所示。

軟件設計實現了數據的統一監控、統一管理功能，極大地提高了工作的效率。

4 ?系統測試

所有設備上電，打開手機端的WiFi，在手機端控制界面的網絡設置中配置地址192.168.0.6，端口號為8080。遠端監控軟件中選擇串口COM5，波特率為115 200 bit/s，其他選擇默認，點擊鏈接按鈕，勾選自動上傳，點擊手工召喚數據按鈕。

1） 首先系統未放置指定的ID卡，采集終端工作正常，而遠端監控軟件、手機監控軟件和本地監控設備中顯示遠端倉庫的數據為零。放置指定的ID卡后，這些設備中的遠端倉庫數據能夠實時顯示。

2） 放置指定的ID卡后，給采集終端1的光照傳感器強烈的光照從而超過終端內設定的閾值80，采集終端的電機會自動動作。本地監控設備的蜂鳴器會報警，顯示屏上顯示告警信息，遠端監控中心也會顯示告警信息。光照恢復正常值后，所有設備都恢復正常。

3） 放置指定的ID卡后，給本地監控設備的光照傳感器強烈的光照從而超過終端內設定的閾值90，本地監控設備的蜂鳴器會響，步進電機自動正轉，遠端監控中心和顯示屏有告警信息。光照恢復正常后，所有信息恢復正常。

手動按下繼電器的按鈕，顯示屏和遠端監控中心都顯示開啟或閉合狀態。

4） 放置指定的ID卡后，觀察遠端監控軟件界面，界面顯示的數據和本地監控設備、采集終端的數據是一致且實時變化。通過界面修改本地監控設備的光照的上下限告警閾值，將上限值改為0。修改后，本地監控設備的蜂鳴器會響，設備的顯示屏和遠端監控中心上顯示告警信息。把光照的上限閾值改為100后，所有信息恢復正常。部分運行的報警界面如圖10所示。

經過各個組成模塊的功能驗證，該系統能夠實現對整個倉庫環境的實時、高效、穩定的監測。

5 ?結 ?論

這套系統功能較全面，采集終端能夠正確采集遠端倉庫的數據，使用ZigBee無線通信將數據正確地上傳通信轉發設備;通信轉發設備識別ID卡后，進行有效的數據處理;本地監控設備能夠實現數據采集、故障自動判斷、告警、手動控制、信息顯示和主站通信等功能;手機控制端能夠實時監控遠端倉庫;遠端監控軟件能夠正常通信、正確顯示整個倉庫的數據，還能設置各種參數的報警閾值等，這些極大地提高了倉庫管理的效率。系統成功地完成了多種智能化技術的融合，滿足了倉庫環境的需求，論證了此系統體系架構的可行性，為解決實際環境監測中遇到的一些問題提供了方法。該系統若要應用于實際倉庫中還需要一個反復的測試、完善的過程，如系統的電磁兼容等問題還需要進一步研究。

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