仓库作为企业存放物资的地方, 关系着公司职工的生命安全和公司的经济利益。每年, 仓库火灾造成的经济损失和人员伤亡都是无数的。据统计, 仓库火灾数量占全年火灾总数的21.76%, 造成重大人员伤亡和巨大经济损失。仓库智能小车通过对仓库中温湿度, 气体浓度等数据进行采集, 帮助仓库管理人员提前做好防备, 降低仓库火灾发生的可能性。由于仓库的面积较大, 人工检测的成本较高, 且采集的数据不够精确, 利用仓库智能小车对仓库内温湿度, 气体浓度进行采集, 既减少人力成本又提高数据的精确程度。本文利用Arduino及其扩展板研究设计一个可以完成检测仓库温湿度, 气体浓度的仓库智能小车。

图1 仓库智能小车硬件电路结构图  下载原图

仓库智能车配备Arduino及其扩展板, 超声波传感器、烟雾传感器和温湿度传感器, 轮胎采用橡胶轮胎, 并通过电机进行驱动, 保证小车行驶的稳定性和速度的可控性。仓库智能小车硬件电路结构如图1所示。

为保障仓库智能小车在无上位机控制时能够自主行驶, 本设计采用红外传感器实现自主避障。红外避障传感器有一对红外发射管和接收管, 发射管发出一定频率的红外线, 当检测方向遇到障碍物 (反射表面) 时, 红外线被接收管反射回来并被接收管接收。GP2 D120 X的测量范围为4～30cm, 常被用于智能硬件领域的视觉系统中, 因此, GP2 D120 X红外传感器可以帮助自主行驶小车更准确地避开障碍物。

为了确保仓库智能车测量的温度和湿度数据的准确性, 使用DHT11温度和湿度传感器。DHT11温湿度传感器具有校准数字信号的功能, 响应速度快, 抗干扰能力强, 性价比高, 它可以保证测量数据具有高可靠性和长期稳定性, 体积小、功耗低, 便于携带。

采用MQ9烟雾传感器测量仓库内的气体浓度, MQ9烟雾传感器对一氧化碳, 甲烷和液化石油气非常敏感, 它采用了SnO2敏感材料, 通过循环高低温进行检测, 低温时检测CO, 高温时检测甲烷, 丙烷等可燃气体, 并且能够自动清除低温下吸附的其他气体。

为保证仓库智能小车与上位机之间稳定的通信, 通过比较蓝牙、红外和WIFI控制的优缺点, 最终选用WIFI Bee-ESP8266芯片实现无线通信。WIFI BeeESP8266芯片可用于扩展Arduino, 实现无线数据传输及远程控制, 芯片的片上处理和存储能力十分强大, 内置32位处理器和Lwip协议栈并支持AP+STA模式共存。采用XBEE造型设计的串口转WIFI的设计模式, 体积较小。

仓库智能小车使用RomeoV2开发板做为主控板, 实现环境检测系统、自动避障系统和通信系统等各个模块功能。系统总体设计流程图如图2所示。

图2 仓库智能小车系统总体设计流程图  下载原图

仓库智能小车环境检测系统主要包括温湿度检测和气体浓度检测。

系统上电后, 先判断DHT11温湿度传感器是否工作正常, 若不正常则返回错误信息, 反之, 则执行指令返回所采集的温湿度数据。气体浓度检测, 采用MQ9烟雾传感器模块, 可以将0到5V之间的输入电压转换为0到1023之间的整数值, 根据其返回的数据可以分析出空气中一氧化碳等气体的浓度。温湿度检测具体的代码分析如下:

自动避障系统主要采用GP2D120 X红外传感器实现, 可探测前方4～30cm距离的物体。GP2D120 X红外传感器的舵机不停的以0～180°反复摆动, 在检测到前方大概6cm处有障碍物后, 传递信息给Romeo V2主控芯片, 控制小车自动转向避障。具体的代码分析如下:

通信系统, 是为了实现仓库智能小车与上位机之间的通信, 采用ESP8266芯片, 使其在AP模式下工作, 利用上位机来连接ESP8266开启的AP热点, 完成实现仓库智能小车与上位机之间的通信。

利用ESP8266开启一个AP (接入点) , 并创建一个服务器, 当有设备连接时, 服务器发送握手成功信息给接入的设备, 并将上位机发送的指令传递给Romeo V2控制器, 由Romeo V2控制器来控制仓库智能执行相应的动作。关键代码分析如下:

为了能够对智能仓库小车行驶路线进行控制, 在手机移动端, 开发了基于Andriod平台的“WIFI小车”APP。“WIFI小车”APP具有控制小车的移动和接收小车的环境数据的功能。主要代码如下:

(1) 发送控制指令模块:

(2) 接收小车上传的消息模块:

完成仓库智能小车的硬件连接与系统设计后, 对仓库智能小车进行功能测试, 测试结果如下:

(1) 上位机与仓库智能小车的能否连接成功, 测试结果如图3:

图3“WIFI”小车运行测试图  下载原图

(2) 仓库智能小车能否采集到温湿度数据并检测可燃气体是否超标, 测试结果如图4所示:

图4 气体浓度超标时所采集的数据  下载原图

(3) 仓库智能小车在自动行驶模式遇到障碍物时能否避障行驶, 避障测试结果如图5所示:

图5 仓库智能小车自动避障图  下载原图

经检测, 仓库智能小车在自动行驶模式下能够成功避开所有障碍物并正常行驶。在非自动行驶模式下, 上位机可以控小车正常行驶并且准确采集环境中的温湿度数据和气体浓度数据, 同时判断此时可燃气体浓度是否超标。因此, 仓库智能小车通信系统, 自动避障系统, 通信系统, 环境检测系统均能正常工作, 完成设计目标。

将由红外避障传感器、烟雾传感器、温湿度传感器和Arduino及其扩展板构成的智能小车应用到仓库中, 是智能机器人应用到工业生产的一种体现。仓库智能小车取代人工测量仓库中环境数据, 成本低且精确度高, 控制过程简单便于操作, 同时可以加以改造应用于其他工业智能作业领域中。当然, 仓库智能小车还有些不足之处, 比如当检测到可燃气体超标时能否准确找到着火点, 并将位置信息传送给上位机, 通知仓库管理人员。

下一步将为仓库智能小车设计一个GPS定位系统, 实现对小车的实时定位, 使仓库管理人员在仓库着火时, 快速到达着火点进行扑火, 减少经济损失, 提高安全保障。同时研究多性能的小车针对存储不同货物的仓库, 综合各种因素为仓库提高更加自动化, 实用化的仓库智能小车。