基于物聯網的倉儲環境監控系統*

任曉莉

(寶雞文理學院計算機學院 寶雞 721016)

基于物聯網的倉儲環境監控系統*

任曉莉

(寶雞文理學院計算機學院 寶雞 721016)

為了實現高效化、智能化、動態化的倉儲管理,提出了基于物聯網設計倉儲環境監測系統。在倉庫部署具有多節點的無線傳感網,各節點的溫濕度傳感器、光敏傳感器、煙霧傳感器分別采集倉庫不同區域的溫濕度、光強、煙霧濃度數據,協調器將采集的數據無線傳輸給微處理器,微處理器進行處理,將采集數據與設定的閾值進行比較,如果超過預設的范圍,下達控制命令給控制端,開啟或關閉風扇、LED燈、滅火等設備調節倉庫環境參數,確保貨品在適宜的環境存儲,保證貨品的質量,保障貨主的經濟利益,降低倉儲的安全隱患。

Zigbee; 煙霧傳感器; 溫濕度傳感器; 光敏傳感器; 倉儲環境監控

1 引言

傳統的倉儲管理模式采用手工方式,普遍存在人力成本偏高、業務流程多、貨品跟蹤困難、資金和貨品周轉率較低、安全隱患大等缺點。傳統的倉儲管理系統只能實現貨品信息的靜態管理,無法實現貨品倉儲過程的實時跟蹤和監控。一些貨品在倉儲過程中需要對環境參數進行監測和控制,以保證貨品的質量,保障貨主的經濟利益,避免和降低安全隱患[1]。基于物聯網的倉儲管理可以實現智能化、信息化、高效化地管理貨品,可以實現自動記錄貨品出入庫信息、智能倉庫盤點、監測和調控倉儲環境參數。基于物聯網的倉儲環境監控系統保證了倉儲過程中各種環境參數數據采集的實時性,環境參數控制的自動化、智能化,確保貨品在適宜的環境中儲存。

2 基于物聯網的倉儲環境監控系統設計

2.1 系統功能需求

本設計針對傳統倉儲管理系統所存在的問題提出一個解決方案,主要的功能是實時采集倉庫的溫濕度、光照強度、煙霧濃度等數據,通過Cortex A8微處理器的處理,達到智能調節溫濕度、光照強度、防火的目的,具體的需求如下所示。

1) 溫濕度、光照強度、煙霧濃度等數據的采集分別由溫濕度傳感器、光敏傳感器、煙霧傳感器完成,終端將采集的溫濕度、光強、煙霧濃度數據無線傳輸給協調器,協調器通過USB串口線將數據傳輸給PC端,當環境參數不在設定的閾值范圍時,PC端進行處理,將控制指令傳輸給協調器,協調器無線傳輸給終端,終端根據控制命令做出調節,分別控制風扇、加濕器、LED燈、滅火器的開啟或關閉。

2) PC端界面要能夠顯示采集到的數據,并且能夠直觀地看到風扇、加濕器以及LED燈、滅火器的工作狀態,實現智能控制和手動控制兩種控制方式。

2.2 系統功能結構

本系統采用溫濕度傳感器、光敏傳感器、煙霧傳感器三種傳感器,實時采集倉庫的溫濕度、光強、煙霧濃度指標,系統通過對比采集到的數據與預先設定的閾值,判斷出倉庫的實時狀態,從而做出正確、及時、有效的處理措施,處理器給控制模塊下達命令指示,從而達到智能遠程監控倉庫的目的[2～3]。系統功能結構如圖1所示。

圖1 系統功能結構圖

2.3 系統硬件結構

2.3.1 Zigbee技術

Zigbee技術是一種新興的短距離,低功耗,低速率,低成本,低復雜度、高可靠、具有自愈能力的無線自組織網絡技術。它擁有了802.15.4 IEEE強有力無線物理層規定的所有優點：節電、簡單,低成本,Zigbee增加了邏輯網絡、網絡安全和應用層[4]。Zigbee主要應用于智能電網、智能交通、智能家居、金融、移動POS終端、供應鏈自動化、工業自動化、智能建筑、消防、公共安全、環境保護、氣象、數字化醫療、遙感勘測、農業、林業、水務、煤礦、石化等領域。

2.3.2 系統結構

系統利用Zigbee技術,將倉庫的不同區域的監測點通過網狀拓撲結構進行組網[5]。系統使用的硬件有CC2530開發套件(型號NJZB-CC2530BB-2015V50)、無線節點、協調器、電機、LED燈、溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器、煙霧傳感器、Cortex A8微處理器、USB轉串口線。系統總體硬件結構如圖2所示。

圖2 系統總體硬件結構圖

3 系統硬件選擇

3.1 CC2530核心電路

CC2530 是適用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案,它能夠以低成本建立強大的網絡節點。CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能,業界標準的增強型8051 CPU,系統內可編程閃存,8KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256,分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式,使得它尤其適應于超低功耗要求的系統,運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗[6]。

3.2 溫濕度傳感器選擇

系統采用DHT11數字溫濕度傳感器,它是一款目前市面上應用最為廣泛的已校準溫濕度傳感器之一,集合了溫度傳感器與濕度傳感器兩個傳感器的功能,能夠切換使用,方便快捷,它具有體積小,反應速度靈敏,性價比高,安全性能好,功耗低、測量范圍廣、精度高等特點[7],因此選擇DHT11監測倉庫溫濕度。

3.3 煙霧傳感選擇

MQ-2煙霧傳感器由微型SnO2敏感層,AL2O3陶瓷管,加熱器,測量電極構成[8]。加熱器為傳感氣敏元件提供了必要的工作條件,其中敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體之內。封裝好的傳感氣敏元件有6只針狀管腳,其中2個管腳是提供加熱電流,4個管腳是用于信號取出。

MQ-2煙霧傳感器[8]所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2),屬于表面離子式N型半導體。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時,傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。當與煙霧發生接觸時,晶粒間界處的勢壘會受到煙霧的調制而變化,引起表面導電率的變化,這樣就可以獲得存在這種煙霧的信息。當煙霧的濃度越大時,輸出電阻就會越低,導電率則會增大,輸出的模擬信號就越大。MQ-2煙霧傳感器在較寬的濃度范圍內對多種可燃氣體有良好的靈敏度,對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想,是一款適合多種應用的低成本傳感器。

MQ-2原理圖如圖3所示,該電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

圖3 MQ-2煙霧傳感器工作電路圖

3.4 光敏電阻傳感器選擇

光敏傳感器的種類有很多,本系統選擇使用光敏電阻Φ5系列中的GL5516,對比各個系列的光敏電阻,GL5516符合本系統的設計要求,所以決定采用GL5516光敏電阻作為光敏傳感器。光敏電阻GL5516的規格屬性如表1所示。

表1 光敏電阻GL5516屬性表

4 系統設計與實現

4.1 基于CC2530的數據通信實現

通信功能主要是Zigbee無線網關通過USB串口發送數據到應用程序,應用程序實現串口初始化、開串口、讀取串口數據等功能[9～10]。基于CC2530的數據通信流程如圖4所示。

4.2 溫濕度傳感器采集溫濕度數據實現

DHT11這款溫濕度復合傳感器在處理感知到的溫度和濕度數據的過程中,先將檢測到的溫度、濕度數據進行拼接,再將拼接的結果轉換成十進制數,最后再截取轉換后得到的十進制數的小數點前后數據。

圖4 CC2530數據通信流程

unsigned char temp_h=0x32,temp_l=0x00;

unsigned int temp=0;

temp=temp_h<<8+temp_l;

其中temp/1000為整數部分,temp%1000為小數部分。

4.3 煙霧傳感器采集煙霧數據實現

煙霧檢測部分包括3部分：煙霧濃度采集、模數轉換和上位機控制。煙霧傳感器采集煙霧濃度,放大器將采集的煙霧濃度轉化為模擬的電信號,模數轉換器將煙霧模擬信號轉換成數字信號后送入上位機,上位機對該數字信號進行濾波處理,并與預設值進行比較,如果大于則啟動報警電路發出報警聲音,并由控制器啟動滅火器實施滅火,反之則為正常狀態。為方便監控,將濃度值送到顯示屏中顯示,使管理人員及監測用戶能夠直觀地觀察到環境中的可燃煙霧濃度值。基于MQ-2煙霧傳感器采集煙霧濃度的過程如圖5所示。

圖5 MQ-2運行流程圖

4.4 光敏電阻傳感器采集光強數據實現

系統通過光敏電阻將光照強度轉換成電壓信號,當光照強度變化的時候光敏電阻的阻值也跟著變化,從而使通用集成運放LM324的輸入電壓變化,當變化到一定值的時候LM324的輸出會產生突變,利用LM324的輸出去控制繼電器,從而達到控制LED燈的目的。模擬信號經A/D轉換器轉換成數字信號,送入控制器進行分析,得出光線等級。

4.5 終端對倉庫環境調節控制實現

4.5.1 溫濕度、光強的調節控制

本系統中PC端監測界面是在VC2012中進行編輯設計,界面如圖6所示。

圖6 PC端運行界面圖

本系統的界面主要內容有：系統設置區域、服務控制區域以及數據顯示區域；系統設置區域的功能就是打開或者關閉串口,服務控制區域主要的功能是通過無線連接手機APP應用,數據顯示區域主要由三部分組成,一是傳感器實時采集到的數據,二是系統工作狀態,三是系統預先設置好的閾值。本系統還有一個重要的功能就是能夠自己設定系統的運行中手動控制還是智能控制倉庫的調節設備。

當溫度傳感器檢測到的實時溫度高于系統溫度閾值時,電風扇開始轉動；當濕度傳感器檢測到的濕度情況低于系統所設置的閾值時,系統開始啟動加濕器；當系統檢測到的光照強度低于系統設定的閾值時,系統開始打開燈光。以上所述的情況均有手動控制與自動控制兩種形式。

4.5.2 自動滅火控制

在智能倉儲系統中,自動滅火系統機制可以實現倉庫的智能化、無人化管理。貨品倉儲過程中,在遭遇火災時,要能盡快對火災做出預警和采取自動滅火措施,使得損失降到最低。當發生火災時倉庫中的煙霧濃度和溫度同時增大,超過預設的預警范圍時,通過蜂鳴器報警和水泵模塊進行滅火。

5 結語

提出了基于物聯網的倉儲環境監測系統,在倉庫部署具有多節點的無線傳感網,各節點的溫濕度傳感器、光敏傳感器、煙霧傳感器分別采集倉庫不同區域的溫濕度、光強、煙霧濃度數據,協調器將采集的數據無線傳輸給微處理器,微處理器進行處理,將采集數據與設定的閾值進行比較,如果超過預設的范圍,下達控制命令給控制端,開啟或關閉風扇、LED燈、滅火等設備調節倉庫環境參數,確保貨品在適宜的環境存儲,保證貨品的質量,保障貨主的經濟利益,降低倉儲的安全隱患,實現高效化、智能化、動態化的倉儲管理。

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Storehouse Management System Based on Internet of Things

REN Xiaoli

(College of Computer, Baoji University of Arts and Science, Baoji 721016)

In order to implement efficient, intelligent, dynamic storehouse management, a storehouse environment monitoring system is designed based on Internet of things is proposed. A wireless sensor network with multi-nodes is deployed in the storehouse. The temperature and humidity sensor, light sensor,smog sensor on the nodes gather data such as temperature and humidity, light intensity and smog concentration in the areas of storehouse respectively. The coordinator transmit gathered data to microprocessor by wireless means, data is processed by microprocessor, the gathered data compares with the setting threshold value, if it exceeds the preset range, control instruction is transmit to control end, electric fan, LED light, annihilator is turned on or off to regulate the environment parameter of storehouse, therefore, the goods may be stored in the feasible environment to ensure quality, economic interest of owner is guaranteed, hidden danger of storehouse is decreased.

Zigbee, smog sensor, temperature and humidity sensor, light sensor, storehouse environment monitoring and control Class Number TP391

2016年10月10日,

2016年11月28日

寶雞文理學院校級重點項目(編號:ZK15017)資助。

任曉莉,女,碩士,副教授,研究方向:信號與信息處理。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.040