基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚志強(qiáng)，朱恒軍，都文和

（1.凱華國軟（北京）科技發(fā)展有限公司，天津 300000;2.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

目前，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，對此各國都投入大量的人力物力，掀起了繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。美國、中國、歐洲各國、日本、韓國等都對IOT技術(shù)進(jìn)行了大量研究，實(shí)施了很多研究計(jì)劃［1－4］。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工廠和物流庫房數(shù)量大幅度增加，且儲存貨物的種類及規(guī)模也日益增大。這給倉庫環(huán)境監(jiān)測與物品安全管理提出了更高要求。在這樣的背景下，國內(nèi)外的專家和學(xué)者開展了基于IOT技術(shù)的倉庫管理系統(tǒng)研究［5－8］。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)只是應(yīng)用于倉庫管理方面，盡管倉庫的環(huán)境檢測能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)控，但系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能化的要求，特別是在報(bào)警手段和問題處理上主要依賴于人工。因此，直接、準(zhǔn)確、高效的倉庫智能監(jiān)控預(yù)警并及時(shí)處理所產(chǎn)生的問題就成為一個(gè)急需解決的工程應(yīng)用問題。

1 系統(tǒng)組成及功能

智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、事件處理系統(tǒng)三個(gè)部分，共同構(gòu)成了IOT的感知層、傳輸層和處理層。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)包含IOT的感知層和傳輸層。感知層基于傳感器技術(shù)而設(shè)計(jì)，由分布于倉庫中多種傳感器構(gòu)成，用以采集倉庫中的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。傳輸層基于Zigbee技術(shù)而設(shè)計(jì)，由Zigbee終端節(jié)點(diǎn)、Zigbee路由節(jié)點(diǎn)以及Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳感器采集到的倉庫溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸層傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)控系統(tǒng)。智能監(jiān)控系統(tǒng)和事件處理系統(tǒng)共同構(gòu)成了IOT的處理層。智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)管理中心計(jì)算機(jī)，利用C++builder軟件開發(fā)出管理信息平臺，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并實(shí)時(shí)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能的分析和處理;根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)決定是否通知事件處理系統(tǒng)對當(dāng)前發(fā)生的問題經(jīng)行處理。事件處理系統(tǒng)在CIT技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，它是智能監(jiān)控系統(tǒng)命令的執(zhí)行者，根據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的命令通過電信網(wǎng)關(guān)自動(dòng)通知倉庫相關(guān)管理人員告知倉庫發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)其確認(rèn)后開啟倉庫滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火，并自動(dòng)撥打119報(bào)火警。系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括傳感器、ZigBee節(jié)點(diǎn)和電信網(wǎng)關(guān)。

2.1 傳感器

基于智能系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功用，本系統(tǒng)傳感器包括環(huán)境監(jiān)測傳感器和火災(zāi)報(bào)警傳感器。

對于庫房的環(huán)境而言，首先需要關(guān)注的溫度和濕度這兩個(gè)參數(shù)，因此環(huán)境監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)為溫濕度傳感器。按照精度高、低功耗的設(shè)計(jì)原則，溫濕度傳感器采用SHT10型號溫濕度傳感器。SHT10是一個(gè)高度集成的芯片，它將溫度感測、濕度感測、信號變換和A/D轉(zhuǎn)換等功能集成到一個(gè)芯片上。其主要特點(diǎn)是高精度（測濕精度±3.5%，測溫精度±0.5℃）、高可靠性、超低功耗。溫度測量范圍:－40～123.8℃。接口電路如圖2所示。

該傳感器僅僅使用一根線路與Zigbee終端節(jié)點(diǎn)上微處理器的DIO13端口相連，即可獲得精確的溫、濕度環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)用性極強(qiáng)。

為了保證報(bào)警的精確度，本系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警傳感器設(shè)計(jì)為兩種傳感器:火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器。火焰?zhèn)鞲衅鞑捎肦2868火焰?zhèn)鞲衅?，煙霧傳感器采用HIS－07離子煙霧傳感器。R2868火焰?zhèn)鞲衅髟诨鹦钱a(chǎn)生瞬間能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，它可以探測185到260個(gè)不同的狹窄光譜敏感源。它具有很小的體積和很寬敏感角度，并能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)從火焰被發(fā)出的弱紫外線。HIS－07離子式煙霧傳感器性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類傳感器，對微小煙霧粒子的感應(yīng)更靈敏，對各種煙響應(yīng)均衡，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間短，且該傳感器體積小，便于安裝。

2.2 Zigbee節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測和傳遞傳感器采集數(shù)據(jù)的任務(wù)。該系統(tǒng)采用了典型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)為芯片JN5139。該芯片為工業(yè)級，具有高可靠性、高靈敏度、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器和路由器采用外供電方式。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)用途、要求傳輸?shù)木嚯x（通信范圍）與減低功耗的要求，均采用低功率模塊JN5139－M00使用紐扣電池供電。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成的，為了適應(yīng)倉庫環(huán)境的多種變化和位置繁多與實(shí)用高效的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)使用了計(jì)算機(jī)電信集成（CTI）技術(shù)，采用程控交換專用芯片。電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要由模擬中繼接口芯片MY8632TS、DTMF信號收發(fā)器MT8888組成，其電路圖如圖3所示。其原理是MT8888是具有呼叫進(jìn)程濾波的單片DTMF收發(fā)器，采用CMOS技術(shù)，功耗小而可靠性高。接收信號部分以標(biāo)準(zhǔn)DTMF接收器為標(biāo)準(zhǔn)，而DTMF發(fā)送器使用開關(guān)電容D/A變換器產(chǎn)生低失真和高精度的16種DTMF雙音頻信號，用內(nèi)部計(jì)數(shù)器控制突發(fā)模式，因此音信號能以精確的定時(shí)突發(fā)傳送。MY8632TS為電話接口芯片，MT8632TS可將25 Hz、75 Vrms的鈴流轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別的TTL電平的信號，也具有摘、掛機(jī)功能，并可執(zhí)行2/4線轉(zhuǎn)換功能，便于連接聲卡的入、出口。上述兩個(gè)主芯片的功能使得電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠接收管理中心的上位機(jī)發(fā)出的信息，根據(jù)解讀信息的結(jié)果，發(fā)出指令，控制硬件進(jìn)行電信網(wǎng)相應(yīng)的呼叫操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

管理中心計(jì)算機(jī)軟件通過串口和接協(xié)調(diào)器收端節(jié)點(diǎn)連接。接收并顯示所采集的倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。為了系統(tǒng)的靈活方便，使用Access單機(jī)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。管理中心計(jì)算機(jī)與溫濕度控制器和滅火控制器相連，可以對倉庫的相應(yīng)位置進(jìn)行控制溫濕度變化和消防滅火。管理中心計(jì)算機(jī)軟件通過電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)同電信網(wǎng)相連接，可以通過電信網(wǎng)發(fā)起提醒和報(bào)警呼叫。中心管理機(jī)軟件主要是負(fù)責(zé)將倉庫每天的環(huán)境數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行智能處理，并以圖形和數(shù)字的方式顯示以便查看。溫濕度信息隨上報(bào)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化，此外還設(shè)置有煙霧、火焰兩個(gè)報(bào)警燈顯示。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)達(dá)到提醒閾值或火焰、煙霧傳感器有一個(gè)監(jiān)測到火情時(shí)，智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序自動(dòng)向溫濕度控制器發(fā)出控制信號，對倉庫某部分環(huán)境進(jìn)行溫濕度控制調(diào)節(jié)。并同時(shí)通過電信網(wǎng)語音卡的軟件，自動(dòng)撥打相關(guān)倉庫管理人員的手機(jī)，用電信網(wǎng)將相關(guān)節(jié)點(diǎn)物品的告警信息以語音的方式通知相關(guān)倉庫管理人員。但只有當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)火焰、煙霧傳感器同時(shí)監(jiān)測到火情時(shí)，智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序自動(dòng)向滅火控制器發(fā)出控制信號，對倉庫某部分環(huán)境進(jìn)行防災(zāi)滅火操作。并同時(shí)通過電信網(wǎng)語音卡的軟件，自動(dòng)撥打相關(guān)倉庫管理人員的手機(jī)，用電信網(wǎng)將相關(guān)節(jié)點(diǎn)物品的火災(zāi)信息以語音的方式通知倉庫管理人員。告知倉庫管理人員，倉庫發(fā)生火災(zāi)已經(jīng)智能滅火，可根據(jù)實(shí)際情況看是否需要報(bào)火警，請消防隊(duì)處理。以使災(zāi)害得到及時(shí)處理，減少倉庫財(cái)產(chǎn)損失，而又避免誤報(bào)火情。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)于2012年11月5日至12月15日進(jìn)行，40天實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)硬件設(shè)備工作可靠，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。具體的結(jié)果:）（1）系統(tǒng)對庫房環(huán)境參數(shù)檢測時(shí)效性良好，溫度的絕對誤差小于0.5℃，濕度的絕對誤差小于3%;（2）系統(tǒng)具有較強(qiáng)的庫房火災(zāi)監(jiān)控性能，火焰?zhèn)鞲衅髟跓燁^距離為4 m時(shí)報(bào)警;而煙霧傳感器在香煙距離2 m時(shí)開始報(bào)警;系統(tǒng)的報(bào)警延時(shí)為6秒;（3）系統(tǒng)表現(xiàn)出自動(dòng)環(huán)境調(diào)控性能，在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)溫濕度超過閾值時(shí)系統(tǒng)給空調(diào)和加濕器發(fā)出信號，空調(diào)和加濕器均能啟動(dòng)和停止。由于實(shí)驗(yàn)的房間較大，空調(diào)的功率較小并且加濕器只有一臺，因此系統(tǒng)調(diào)控能力有限?？紤]到我們主要是測試系統(tǒng)的調(diào)試功能，因此這已經(jīng)足夠了;（4）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的容量影響收發(fā)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。另外，由于庫房內(nèi)沒有滅火系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的自動(dòng)滅火性能沒有測試。

5 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一套智能倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電信網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以直接、準(zhǔn)確、高效、可靠的對倉庫內(nèi)的溫、濕度進(jìn)行智能監(jiān)控，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能及時(shí)滅火和報(bào)警。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制靈活、準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的通用性。

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