基于长线1—Wire的仓储货架并行测温系统设计

庄小苏 王建华 王渊

【摘要】在物流行业中，仓储系统是其重要的一个环节，环境温度需要时时监测，以保证货物的质量，由于物流仓储使用的货架体积大，存储与管理的货物批量大、品种繁多，使用常规的人工监测方法耗时耗力，利用1-wire总线技术设计一种长线并行测温系统，进行集中式实时温度监测，精确到各种货物的具体储存点，减少人力资源投入，提高存储质量。1-wire总线利用一根数据线同时完成低速数据、信号的传输和电源供给，在实际应用中也可以大幅减少监测设备体积和成本。

【关键词】仓储货架;长线1-wire;并行测温

1.背景

物流过程中，货物的储存是一个重要的环节，一个仓库或配送中心的成败很大程度上取决于其货架系统的效率[1]。仓储货架大多采用立体结构，体积庞大，需要满足大批量、品种各异的货物存储和管理。为了保证各种货物的存储质量，经常需要监测其环境温度、湿度等指标，使用常规的温度计、湿度计查看方法，虽然设备成本低廉、方案简单，但是需要投入人力资源，而且经常不能保障监测的实时性和准确性。一旦货物存储的局部环境温度发生变化，管理人员很难及时发现，则会给存储货物，特别是对温度敏感的货物带来较坏影响，降低储存质量。为了解决此类问题，设计一种适合物流仓储环境的温度监测系统，并行测量仓储环境中各个存储地点的实时温度，提高测量的准确性和监测效率，保证存储物资的质量。

2.1-wire基本原理

1-wire总线（即单总线）是Dallas半导体公司设计提出的多设备间通信的一种总线规范，它规定了设备之间仅利用一根数据线进行数据通信的协议，1-wire总线适用于长距离的低速率数据传输，经常应用在低成本设备之间的通信环境中。数据在 1-wire总线上的传输只需一根数据线加一根地线，该数据线负载能力强，比基于两线的I2C总线和三线的SPI总线的硬件连接更简单、性能稳定、抗干扰性能好，并且在同一数据线上可以共存多路高速通信，所以 1-wire总线技术在现场总线技术方面得到越来越广泛的应用[2]。由1-wire设备可以组成称之为微域网（MicroLAN）的网络，其中的每一个1-wire设备具有唯一的标识符，这些设备分为主机设备和从机设备，主机设备只有一个，可以是PC主机或者主控制器芯片，从机设备可以有多个。所有设备的供电和数据传输都是通过这一根数据线完成，主机设备负责给从设备提供电源，同时负责发起通信、仲裁各从机设备之间同时通信的冲突。所有的通信协议都由嵌入到设备中的软件实现。1-wire协议重点规定了主机设备发现从机设备、控制所有设备之间通信的关键时序。主要时序包括：初始化时序、读数据时序和写数据时序。

3.并行测温硬件设计

物流物资的仓储，大多利用的是货架的方式，与一般仓库储存有着很大的区别。物流行业的特殊性，在选择仓储货架是需要综合考虑如下细节：存储密度、出货精度要求等[1]。其中为了尽可能大的满足存储密度高的要求，货架一般都具有体积大、层数多的特点。因此，采用并行多点测温方式，能够更好的符合仓储特点。测温硬件系统分为两个部分：前端采集模块和后端处理模块。前段采集模块使用1-wire器件DS18B20数字温度传感器，后端处理模块采用STC89C52单片机。根据采集点的数量，确定前端采集模块的个数，模块之间连接采用并行拓扑结构。DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1-wire器件，具有线路简单，体积小的特点[3]。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上可以连接很多这样的数字温度计，十分方便。具体特点包括：

（1）只要求一个端口即可实现通信。

（2）每个器件具有独一无二的ID序列号。

（3）不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）测量温度范围在-55?C到+125?C之间。

（5）数字温度计的分辨率从9位到12位。

（6）内部有温度上、下限告警设置。

DS18B20的封装为TO-92，引脚分布十分简单，只有3个引脚，见表1。因此，并行测温系统的硬件连接十分简单，多个DS18B20器件和AT89S52单片机的数据口同时挂接到同一根数据线上即可。但有实验表明，非切换型星形网络拓扑（在主机端有多个分支）的可靠性很难保证，不同分支的节点在主机设备端造成较大的阻抗失配，再加上从分支末端造成的反射，反射信号所经过的路程几乎和网络总长相等，从而导致误码[4]。因此硬件系统连接拓扑采用切换型星型结构，这种网络在物理连接上是星型拓扑网络，而在逻辑连接上却等同于直线拓扑，切换采用数字开关控制。通常1-wire 网络的半径（即主机设备距离支路最远从机设备的距离）不超过750m。具体见图1所示。

图1 硬件连接拓扑图

系统连接使用5类铜缆双绞线，主机设备提供5V总线电源为1-wire网络供电。连接网络的分支与1-wire 总线连接时，在每一个传感器节点处都会产生阻抗失配，会对网络上的其它设备造成影响，所以为了降低失配程度，在支路上串联一个150欧或100欧的电阻。

4.软件设计

1-wire总线协议方式，用一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S52单片机来说，硬件上并不直接支持单总线协议，因此，需要利用软件模拟实现单总线的协议时序来完成对多个DS18B20传感器的访问。每一个DS18B20传感器芯片都具备一个唯一的ID序列号，在软件设计中可以利用芯片的ID序列号区分测量值对应的测量地点。DS18B20在一根I/O线上读写数据，对读写的数据位有着严格的时序要求，它有严格的通信协议来保证数据传输的正确性和完整性。此协议定义了信号时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主控制器作为主机设备，单总线器件传感器作为从机设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机设备主动启动写时序开始，如果要求从机设备回送数据，在进行写命令后，主机设备需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内释放单总线。DS18B20的复位时序、读时序和写时序示意图具体可见文献[3]。多个温度传感器的采集软件控制流程见图2所示。

图2 软件设计流程图

5.结束语

仓储货架是物流系统中的一个必要环节，存储着大量的、品种各异的物资，货架的各个节点储存的物资并不一定相同，各种物资对温度的敏感程度也各不相同，在实际存储的过程中，能够实时准确的监测到各个存储节点的温度值，这对与保证物资存储质量有很大影响。基于1-wire总线设计多点温度实时测量，成本低廉，构建简单，适用于大部分货架场合。

参考文献

[1]牛秀明.如何选择仓储货架系统[J].物流技术（装备版），2012，12：84.

[2]伍家满，虞礼贞，刘小燕，李凌.基于1-Wire接口的总线技术及其应用[J].南昌大学学报（工科版），2005，01：89-93+98.

[3]DS18B20芯片数据手册[R].http：//datasheets.maxi-mintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf.

[4]应用笔记148：长线1-wire网络可靠设计指南[R].http：//www.datasheetmax.com.

作者简介：

庄小苏（1987—），男，大学本科，中兴软创科技股份有限公司高级工程师，研究方向：物流仓储智能化设计与研发。

王建华【通信作者】（1977—），女，满族，河北承德人，博士，白求恩医务士官学校副教授，研究方向：嵌入式系统设计及优化。

王渊（1981—），男，大学本科，中兴软创科技股份有限公司高级工程师，研究方向：物流智能化设计与研发。