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隨著社會經濟及物聯網技術的發展, 大型多元化復合型倉儲越來越多, 很多倉庫需要存儲大量的對周圍環境要求較高的貨物, 溫度、濕度、光照度等環境參數的微小變化都可能對貨物造成損害。而傳統的倉儲環境監測系統存在著環境監測難、靈活性差以及維護成本高等問題, 這就亟需一種現代化的智能倉儲監測系統來完成對倉儲環境的全面監測和管理。近年來, 我們國家也相繼開展了智能倉儲管理系統的研究和設計, 并取得了一定的成就。目前, 基于Zig Bee網絡的智能倉儲管理系統是時下研究的熱點。

Zig Bee技術是一種近距離、低功耗、低復雜度、低成本的雙向無線通信網絡技術, 也是一種基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的組網、安全和應用軟件方面的通信技術。Zig Bee通信主要用于短距離且傳輸速率不高以及典型的具有周期性數據、間歇性數據和低反映時間數據傳輸的各種電子設備之間進行數據傳輸。Zig Bee網絡支持大量節點和多種拓撲結構, 主要有協調器、路由器和傳感器節點三種角色構成。

本系統是由數據采集終端、數據處理中心以及上位機監控管理端三部分組成, 系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統總體設計結構圖Fig.1 The overall design structure of system   下載原圖

數據采集終端主要負責倉儲環境數據的采集, 數據處理中心主要是對采集來的數據進行分析和處理, 并通過Zig Bee無線網絡與采集終端進行相互通信, 上位機監控管理端可以對系統進行統一管理和配置。

數據采集終端核心芯片采用恩智浦公司生產的LPC1114芯片, 該芯片成本低, 功耗小, 有豐富的外設接口。溫濕度傳感采用DHT11數字傳感器, 它的測量精度較高, 適用范圍也較廣。光敏傳感器采用ISL29003傳感器, 它可以識別可見光和紅外光。當傳感器采集到數據后, 通過Zig Bee網絡把數據發送給數據處理中心。數據采集終端硬件框圖如圖2所示。

圖2 數據采集終端硬件框圖Fig.2 Hardware diagram of data acquisition terminal   下載原圖

數據處理中心是以三星公司生產的S5pv210開發板來進行設計的, 通過設計數模轉換電路及串并口電路來實現與外設相連接, 保證了與Zig Bee網絡的正常通信。WIFI模塊采用Marvell8686芯片, GPRS模塊采用SIMCOM公司的ATK-SIM900A芯片。數據處理中心硬件框圖如圖3所示。

圖3 數據處理中心硬件框圖Fig.3 Hardware diagram of data processing center   下載原圖

數據采集模塊將采集到的數據通過Zig Bee網絡傳輸到數據處理模塊后, 數據處理中心對發送來的數據進行分析處理并反饋給數據采集中心。當采集到的數據超出設置的閾值時, 終端節點接收到反饋回來的命令后, 會對相應的設備進行智能控制。同時, 數據處理中心還會通過GPRS發送信息到手機上進行報警。倉儲管理人員可以通過PC機來監控整個倉儲的狀態, 實現對倉儲環境的智能監控和管理。

系統通信模塊采用TI公司生產的基于Zig Bee的CC2530芯片, 該芯片支持IEEE802.15.4標準, 同時集成了一個高性能的RF收發器和一個8051微處理器。系統利用Zig Bee無線網絡來實現數據采集終端與數據處理中心之間的相互通信。

系統采用網狀結構的Zig Bee組網方式, 由一個協調器和三個路由節點組成, 而且把路由節點即作為傳感器數據采集節點, 又作為數據傳輸節點, 可以增強系統的網絡覆蓋范圍。系統組網結構圖如圖4所示。

圖4 系統組網結構圖Fig.4 Diagram of system network structure   下載原圖

當協調器建立好Zig Bee網絡后, 無線傳感器節點首先進行自檢加入網絡, 然后將采集到的數據傳送到前端協調器節點。協調器也可以發送命令到各個無線傳感器節點來完成相關任務。無線傳感器終端節點工作流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集流程圖Fig.5 Flow chart of data acquisition   下載原圖

數據處理中心接收到數據后, 先將數據進行分類存儲, 然后建立共享內存和鏈表, 在一定時間內通過串口轉換來由線程接受各種環境參數信息, 以此喚醒數據庫線程并將數據存入數據庫。在此過程中, 若建立共享內存及鏈表超時, 數據處理中心會判斷出超時的設備數據并且將其刪除, 然后重新設定計數器。

數據庫線程會對不同的環境信息進行分類存入相對應的位置, 方便人們對數據的查詢與管理。同時, 數據庫線程也會對數據進行處理, 如果是環境參數則對環境參數進行判斷處理, 當數據超出設置閾值時, 數據處理中心會通過GPRS發送短信報警, 同時反饋命令給采集終端。數據處理流程圖如圖6所示。

系統監測平臺共分為數據庫設計和用戶管理軟件設計兩大部分。數據庫是采用微軟公司的Access2003來設計的。上位機監控軟件采用的是VC++6.0開發環境, 它提供了功能強大的MFC類庫, 能夠方便的進行數據顯示、數據查詢、數據修改、報警及串口參數設置等功能。系統監控界面如圖7所示。

圖6 數據處理流程圖Fig.6 Flow chart of data processing   下載原圖

將數據采集終端放在倉庫的不同位置, 通過監控界面可以看出, 系統可以采集到倉儲當前的溫濕度及光照強度數據, 而且當這些數據超出設定的閾值后, 監控界面會發出警告, 管理人員收到報警短信, 同時相應的終端設備也會做出智能控制。系統測試時監控界面如圖7所示。

圖7 系統監控界面Fig.7 Interface of system monitoring   下載原圖

通過實驗證明, 本系統實現了對倉儲的溫度、濕度以及光照強度等環境數據的采集與監控, 而且能滿足一定的精度要求, 解決了傳統倉儲環境監測難、靈活性差以及維護成本高等問題。系統結合了GPRS、互聯網等資源, 搭建自動控制功能, 極大地保障貨物的安全, 減少倉儲的成本, 提高企業競爭力, 實現倉儲系統的智能化。