环境数据的实时采集、传输与处理是实施精准监控的关键, 无线射频技术的不断提高, 国内外对环境监控系统的研究日益深入[1,2], 近几年自动化监控技术在现代工业生产领域的应用不断大幅度增加[1,2,3]。

无线传感器网络是一种集传感器与致动器于一体由无线媒介连接节点进行分布式传输的网络系统, 收集数据的传感器通过无线网络与计算机系统进行通信[4,5,6]。在这个以信息为主流的社会, 人们需要随时随地地利用信息技术并享受它们所带来的便利。传统的有线数据传输系统显然不能满足人们对信息技术便捷性的要求, 相反, 无线数据传输系统没有线缆的束缚, 因此可以在仓库内按需求随机布点, 任意调整位置。与有线监控系统相比, 具有安装方便、应用灵活、精度更高等优点[6,7]。

目前, 在工业现场数据采集和监控系统中, 要使用大量的基于不同物理机制的传感器, 且监控和采集的对象多而分散。远程多点无线数据传输系统是以PC机作为中心控制站, 控制数据的采集和现场环境的监控, 完成命令收发和数据信息处理;而现场则以单片机和无线数传模块为核心构成现场数据采集系统, PC机和现场通过无线数传模块进行数据通信。在中心控制站, 采用在Windows环境下, 通过VC++6.0中的MSComm控件实现软件编程, 单片机则采用运行效率较高的51汇编语言, 整个系统充分利用了单片机和PC机的各自优势, 灵活采用无线数传模块, 从而实现PC机和单片机之间的无线数据传输[10]。

本文要实现的目标: (1) 使用基于NRF905无线射频技术的无线传感器网络采集并传输仓库的环境参量; (2) 工作人员需要实时查看仓库管理系统了解仓库的存储情况并作出分析; (3) 无线传感器网络与仓库管理系统结合实现对仓库环境的监控。

仓库报警系统主要由前端警情采集控制与终端报警控制两大部分组成。

前端警情采集控制包括数据采集模块、STM32单片机控制无线发射模块, 其硬件总体结构如图1所示。数据采集模块主要完成仓库监控范围异常信号的采集, 将红外和超声波传感器测得的模拟电信号转换成数字信号, 其中红外传感器网络采集的信号先通过LM393比较器比较后产生一个下降沿触发信号, 然后STM32单片机感知该信号后进行判断是哪个节点出现异常并且将该信息通过NRF905无线射频发射模块送往终端报警系统;超声波传感器网络采用的是IO口TRIG触发测距, 所以设计555频率发生器产生1 k Hz的触发信号使超声波传感器网络一直处于检测中, STM32单片机使用PWM捕捉采集超声波传感器的ECHO回显信号, 从而知道仓库中检测物品的位置是否被动过, 然后将该信息通过NRF905无线射频发射模块送往终端报警系统。

图1 仓库报警系统-发射部分  下载原图

终端报警控制部分包括51单片机控制无线接收模块、上位机控制管理系统与声光报警模块, 其硬件总体结构如图2所示。终端报警模块由51单片机、蜂鸣器和液晶显示器、上位机监控界面等组成, 51单片机对NRF905无线射频接收模块采集的信号进行检测判断, 将数据通过RS233串口通信模块传输到仓库管理监控系统进行显示, 然后仓库管理监控系统通过分析接收到的数据是否在正常的范围内, 异常即通知单片机作声光报警。

图2 仓库报警系统-接收部分  下载原图

红外光电传感器模块硬件设计如图3所示, 红外传感器模块需要5 V直流电源供电, 故相应输出的高电平电压也是5 V, 为了让STM32单片机正常采集3.3 V的高电平电压信号, 在此使用了LM393比较器进行电压转换, 在输出端ASM1117-3.3V先将5V电压转换为3.3 V电压, 然后通过上拉电阻就实现了将输出5 V高电平信号强制转换为3.3 V电压输出的脉冲信号供STM32单片机采集。

图3 红外光电传感器模块电路  下载原图

超声波模块安装在仓库集装箱中, 通过检测仓库集装箱中的物品离传感器的距离来判断物品是否移动过, 并且将该数据通过NRF905无线射频模块发送给仓库控制管理系统。硬件模块可提供2~400 cm的非接触式距离感测功能, 测精度可达高到3 mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

该超声波模块只需要外部提供一个10μS以上脉冲触发信号, 该模块内部将发出8个40 kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式:μS/58=厘米或者μS/148=英寸;或是:距离=高电平时间*声速 (340 M/S) /2;建议测量周期为60 ms以上, 以防止发射信号对回响信号的影响。

系统上电复位后, 单片机首先初始化系统, 然后软件查询上位机是否发送开始命令信号。

若上位机发送开始命令信号, 则下位机将该命令通过NRF905传输到前端警情采集控制系统使其工作, 前端系统通过NRF905定时传输数据到上位机进行实时监测。

主程序流程框图如图4所示。

图4 主程序流程框图  下载原图

仓库管理监控系统界面通过MSComm控件实现与串口之间的数据传输, 利用该控件的事件驱动方法可以通知程序缓冲区内是否有数据到达, 并利用程序中MSComm相应的函数捕获并处理这些通信事件。

首先, 在主对话框界面上添加MSComm控件, 根据下位机的端口号、波特率、数据位、校验位、停止位的值确定上位机界面对应下拉菜单的值, 并将这些数据的值通过DDX数据交换机制传递给对应下拉菜单的CString型变量, 然后, 新建一个串口对象, 利用MSComm控件相应的设置函数, 将上面变量的值设置成串口对象的端口号、波特率、数据位、校验位、停止位, 这样串口对象的初始化便完成了。串口初始化完成之后, 利用MSComm控件的Open函数打开串口, 然后在中断处理函数On Communication中利用该控件的Get Input函数获取传过来的数据, 这样便实现了数据由下位机传送给上位机的数据采集工作。

数据采集回来后, 新建一个int型标志位flag, 并赋初值为0, 判断每次采集到的数据, 若是开始位, 则将标志位置1, 若是停止位, 则将标志位清0, 然后通过判断标志位是否为1来执行后续操作, 若为1, 则先将采集的数据存入数据库, 以备后来查看用, 然后将先后传过来的数据通过判断是否满足条件实时显示在界面上, 第一个节点的数据中包含有红外传感器的检测数据和超声波传感器的位移数据, 此时界面实现将第一个节点的红外传感器指示灯点亮并且将超声波传感器的距离数据显示在相应的文本框里, 处理后显示在进度条中, 以此类推, 数据的实时显示也达到了, 随后程序中会将采集的数据与设置的比较值进行对比, 若超过了比较值的范围, 则按照相似的步骤将命令信号传输到单片机中控制声光报警。

本设计搭建了无线传感器网络和仓库管理监控系统, 并实现了系统的应用性。无线传感器网络采用STM32单片机, 使用NRF905无线射频技术实现传感器数据的无线传输。仓库管理界面使得系统更加准确和易于监控。但该系统推广到复杂环境条件下的仓库监控可加强以下两方面的研究: (1) 无线传感器节点之间和节点与管理系统之间的传输距离应该在增大, 并提高传输数据的速度; (2) 优化无线传输速率和仓库管理控制速率的整体结构, 以优化整个监测系统。