智慧工廠智能監控系統設計

摘 要：本文設計了一款以模塊化方式搭建的智慧工廠智能監控系統。系統控制裝置芯片采用STM32F103RCT6，通過串口將各類傳感器、智能照明模塊和智能打卡模塊（NFC模塊）、環境監測模塊（MQ-135、MQ-2）、WiFi模塊（ESP8266）連接，可移植性高。此系統適用于多種環境，可以滿足各類工廠對于智能化控制的需求，實現智能一體化節能。為了緊密切合現代廠房的發展需求，通過WiFi模塊的云服務器中轉功能，使手機端與WiFi模塊可進行遠距離通信，由此實現對廠房內人數、光照、環境等的實時監控，以滿足對廠房各廠間的多功能一體化管理，減少人力物力資源的浪費。

關鍵詞：智能廠房；智能照明；ESP8266；環境監測；NFC；STM32F103RCT6

中圖分類號：TP31；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.009

0 引 言

國家經濟的快速發展要求創建節約型與資源友好型社會，綠色可持續發展理念備受關注。由于生產過程會消耗大量能源，而工廠一直處于比較密封的狀態，導致空氣濕度小、有害氣體未能及時排出而聚集超標，極大影響了工人的身體健康。此外，在現代社會中，信息化管理也是提升企業競爭力和效益的重要手段。通過實時收集、分析、傳輸和反饋各類數據信息，可以實現對工廠內人員、設備、物資等資源的優化配置和調度。

1 物聯網下智慧工廠概述

物聯網利用各種信息感知器實時收集不同類型的數據，如光、熱、溫濕度和位置等，通過網絡連接實現物物互聯和物人互聯。這項技術可以實現多設備和多環境的一體化監測和智能化控制，是以傳統電信網絡和互聯網為基礎的信息傳輸媒介，使所有可尋址的普通物理對象形成互聯互通的

網絡。

相比之下，智慧工廠則是現代工廠在信息化發展基礎上形成的新產物。它利用物聯網技術，通過連接嵌入式設備方便管理者了解工廠生產過程，提高生產過程的可控性，并減少在整個過程中人力和物力資源的浪費。智慧工廠可以及時、準確地采集各傳感器數據，實現對工廠的實時監測和一體化控制，同時采用綠色智能手段和智能系統等，構建了一個高效節能、綠色環保和環境舒適的人性化工廠。

2 智慧工廠智能監控系統設計理念

本設計采用STM32作為主控芯片，搭載傳感器對廠房進行智能化、一體化監測與控制。利用紅外對射計數傳感器實時監控廠房內的人數變化，結合光照強度傳感器數據，通過PWM技術實現廠房內照明的智能化。采用DHT11溫濕度傳感器獲取廠房內溫濕度情況等。為滿足不同類型廠房的需求，預留了多個傳感器接口，便于實現定制化，提高資源利用率。使用WiFi模塊通過局域網連接阿里云平臺，上傳實時數據，方便管理員了解廠房情況，實現廠房遠程控制。此設計理念滿足了多種場景需求，性價比高，打造出高效節能、綠色環保、環境舒適的人性化工廠。

3 智慧廠房系統硬件設計

本系統是一個智能化的廠房監測與控制系統，包括以下部分：

（1）電源接口電路：提供穩定的電源。

（2）LCD顯示電路：顯示系統的運行狀態和數據。

（3）紅外人數檢測電路：實時監測廠房內的人數

變化。

（4）環境質量檢測電路：檢測廠房內的溫度、濕度、氣體等環境參數。

（5）光強檢測電路：檢測廠房內的光照強度。

（6）NFC檢測電路：檢測廠房內的NFC設備。

（7）LED照明電路：根據光強和人數數據，智能調節廠房內的照明效果。

（8）聲光報警電路：發生異常情況時，發出聲光信號，提醒人員注意。

（9）語音播報電路：定時或按需播報廠房內的環境質量和安全提示。

本系統以STM32F103RCT6作為主控芯片，它是一款高性能32位微控制器，具有72 MHz高速ARM內核、高速嵌入式存儲器、多種增強型I/O和外設，本系統的最小系統包括外部時鐘電路、復位電路和電源電路，負責對各部分數據進行分析和處理[1]。STM32F103RCT6最小系統電路如圖1所示。

3.1 室內人數監測與智能照明

本系統使用FTR9606作為人體紅外檢測模塊，它由一個紅外發光二極管和一個NPN光電三極管組成，能夠檢測人員的出入情況，并將數據傳輸給主控單片機。本系統還使用光強檢測電路來判斷室內的光照強度，并利用PWM智能控制LED照明電路。

3.2 溫濕度以及空氣質量數據的采集

本系統使用DHT11數字溫濕度傳感器來檢測廠房內的溫度和濕度，DHT11是一款集溫度、濕度采集傳輸于一體的新型傳感器，其數字信號輸出經過標定，保證了產品的長期穩定。該傳感器由電阻測濕儀和NTC溫度計組成，與8 bit的高性能微處理器連接[2]。

MQ-135空氣質量傳感器對氨氣、硫化物、苯系列蒸汽等有害物質具有高靈敏度，可以檢測煙霧和其他有害物質。利用MQ-135傳感器可以檢測當前廠房內的空氣質量。

MQ-2煙霧傳感器對烷類煙霧的檢測更為敏感，且具有良好的抗干擾性能，可以準確排除非可燃性或無害性煙霧的干擾。

本系統中，MQ-2與MQ-135配合使用，將采集的環境數據傳輸給主控單片機進行處理，實現智能化廠房監測與

控制。

3.3 智能打卡設計

NFC是由飛利浦公司和索尼公司共同開發的近距離無線通信技術，是可用于移動設備、消費類電子產品、PC和智能控件工具之間進行無線通信的非接觸式識別和互聯

技術。

本系統利用NFC檢測電路來識別和聯系廠房內的NFC設備，它選用讀卡器模式，將數據保存在NFC芯片中，通過讀卡器進行數據讀寫，實現與NFC設備的交互。在當今信息技術迅速發展的時代，該技術愈發成熟，其應用涵蓋城市交通、移動支付、身份識別等多個生活場景[3]。

當用戶刷卡（使用手機NFC）時，蜂鳴器響應，如果成功獲取權限，顯示模塊會顯示用戶的信息、打卡時間和“打卡成功”，同時語音播報模塊會發出提示音“打卡

成功”。

3.4 LCD電容屏

LCD電容屏可以被等效為800×480個點。觸碰到屏幕時，觸摸點的電容值發生變化，內置MPU能準確讀取該坐標，訪問寄存器獲得信息。本系統中，LCD顯示實時光照、環境、人數信息。

3.5 連接云平臺

本系統選用ESP8266作為WiFi模塊，該模塊提供三種工作模式：第一種是串口無線AP模式；第二種是串口無線STA模式；第三種是串口無線AP+STA模式，在進行網絡傳輸時，必須保證云平臺和ESP8266處于在線狀態[4]。

本系統采用阿里云的物聯網平臺中轉，讓手機用戶端和WiFi模塊實現遠距離通信。本系統把單片機得到的廠房內的光照、環境質量、人數、打卡信息采用WiFi模塊發給手機用戶端，便于相關人員通過手機端實時查看各廠房的

情況。

3.6 聲光報警

聲光報警電路由蜂鳴器和LED構成，當檢測到的參數值高于閾值時，電路輸出低電平驅動蜂鳴器：當檢測的參數值未超出閾值，此時輸出高電平，蜂鳴器無反應。智能廠房系統原理框圖如圖2所示。

4 系統軟件設計

本系統采用C語言編寫，并按照模塊化思想進行設計。系統的軟件設計包括對環境亮度的檢測程序、感應人數并處理的程序、對當前環境溫濕度以及空氣質量的檢測、NFC智能讀取、WiFi遠程數據傳輸程序、LCD顯示屏、聲光報警程序等[5]。環境亮度檢測的主要流程是根據光敏電阻讀取阻值以及與室內人數進行比較，通過單片機對數據進行處理，利用PWM技術對當前光照進行智能控制。對當前環境檢測的主要流程是將DHT11以及空氣質量傳感器和MQ-2煙霧傳感器數據傳送給單片機進行處理，通過LCD顯示[6]。WiFi模塊是一種基于ESP8266實現無線網絡通信的設備，它能夠通過云服務器與用戶端實現遠程數據傳輸。單片機控制器負責監測廠房內的光照強度、環境質量、人員數量和考勤情況，并通過WiFi模塊向用戶端傳送相關數據，以便用戶掌握廠房的實時狀況[7]。智能照明程序主流程如圖3所示，環境溫濕度檢測程序主流程如圖4

所示。

5 智能廠房系統測試

智能廠房系統進行硬件調試時，需按照電路原理圖焊接好電路板，并將程序下載到STM32F103RCT6單片機中。調試步驟分為以下幾部分：

（1）智能照明部分：模擬人體進入和離開室內，檢查人數計數功能、光強傳感功能和LCD觸摸屏顯示功能是否正常。計數器在無人時顯示0，有人進入則加1，有人離開則減1。室內照明通過PWM進行亮度調節。

（2）環境監測部分：檢查DHT11、MQ-135空氣質量傳感器和MQ-2煙霧傳感器是否正常工作，檢查LCD觸摸屏是否能夠正常顯示當前環境溫濕度情況、空氣質量情況和設定的閾值。當環境參數超過閾值時，觸發聲光報警電路。

（3）NFC模塊和語音模塊部分：檢查NFC模塊是否能夠正常識別NFC卡片，并觸發語音模塊進行智能播報。

（4）ESP8266模塊部分：檢查ESP8266模塊是否能夠正常連接云服務器，并將LCD觸摸屏上的數據上傳至云平臺。LCD觸摸屏顯示WiFi的連接狀態[8]。

ESP8266串口調試連接云平臺的步驟如圖5所示，云平臺實時信息界面如圖6所示。

經過系統測試，該設計實現了以下功能：

（1）NFC模塊實現了智能打卡功能，語音模塊實現了播報功能。

（2）紅外對射傳感器實現了室內人數的計數功能，當人數達到一定值時，開啟室內照明。

（3）光強模塊實現了光照強度采集功能，可根據環境亮度調節室內照明亮度。

（4）DHT11模塊、MQ-135空氣質量傳感器和MQ-2煙霧傳感器實現了環境參數的采集，可在參數超閾值時，啟動聲光報警。

（5）LCD觸摸屏實現了實時信息顯示功能。

（6）ESP8266模塊實現了數據的遠程傳輸功能，可將數據上傳至云平臺[9-10]。

6 結 語

系統以STM32F103RCT6作為主控核心，根據環境光、人數、環境溫濕度等外界因素作為輸入參數，再通過單片機控制系統對各部分進行控制，借助WiFi模塊實現數據的遠程傳輸，達到廠房系統智能一體化控制的目的。相比于傳統廠房，該系統有效降低了廠房人力物力資源的浪費，進一步實現了資源的合理化分配和利用，讓管理者更加便利，讓廠房更加安全。

參考文獻

[1]潘紀寧，蔡德勝，陸俊銘，等.基于手勢識別的教室燈控系統設計[J].科海故事博覽，2023，31（3）：4-6.

[2]王迎菊，張亞峰.基于STM32的家用空氣質量檢測系統設計[J].電子產品世界，2022，29（11）：12-15.

[3]曹昕妮，程子懿.基于超聲波+NFC技術的考勤統計應用系統研究[J].電子制作，2023，30（3）：100-104.

[4]韋燚，曾海燕，潘有椿，等.基于STM32溫濕度環境監測系統的設計[J].科技視界，2022，12（2）：73-76.

[5]賈召喜.基于工業物聯網的生產線遠程監控系統研究[D].天津：河北工業大學，2015.

[6]張浩偉.基于智能控制和云平臺技術的遠程植物工廠系統研究[D].天津：天津工業大學，2017.

[7]紀志成，吳定會，張明，等.工廠環境質量智能監控系統：CN103941693A [P]. 2014-07-23.

[8]宋愛娟，曹亞麗，何成金.基于單片機的貨車智能監控系統[J].可編程控制器與工廠自動化（PLCFA），2009，10（11）：111-112.

[9]楊艷.智慧茶廠的物聯網網關系統設計與實現[D].長沙：湖南師范大學，2019.

[10]王文標，衣正堯，李嘉旭，等.一種智慧船廠的船舶智能化生產車間：CN112859787A [P]. 2021-05-28.

收稿日期：2023-03-31 修回日期：2023-05-09

基金項目：2022年度湖南省大學生創新創業訓練計劃項目（S202211528098）；2022年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202211528036）；湖南工學院大學生創新創業項目（2022SE048）