基于单片机的仓库监测系统研究

傅光彩

(福建龙净环保股份有限公司 福建龙岩 364000)

随着人民物质需求的不断增长和电子商务的广泛推广及应用，物品的流动量越来越大，带动了物流行业的蓬勃发展，然而大物流量使仓库存储数量和种类也随之增多，仓库普遍存在集中存储的现象，不能满足各类物品仓储的环境要求，也存在严重的安全隐患[1]。目前很多仓库的环境检测主要靠人工完成，通过安排值班人员去现场巡查或监测一些简易检测装置，因此仓库应该具有一个能够实时、准确地监测仓库环境信息的监测系统，它是能够及时给管理者提供判断依据的有效手段之一。

该文基于单片机技术、无线技术和传感器技术设计了仓库监测系统。该系统可以对仓库环境进行实时、准确的监测，并将采集到的仓库环境信息通过GPRS方式发送到仓库管理者手机中，仓库管理者可以通过手机远程实时了解仓库的环境情况，并可以远程进行系统的设置，因此该系统提高了仓库管理的智能化和效率。

1 系统硬件设计

系统结构图如图1所示，从图1可知系统由底层采集系统和信息传输系统构成。其中的信息传输系统主要完成仓库信息的收集、GPSR 的远程传输和报警功能，因此信息传输系统放在监控室。其中的底层采集系统根据实际监测需要进行设置，将其安放在仓库需要监测的地方，从而负责仓库环境的监测，然后通过nRF24L01 组网将监测到的相关环境参数传输给信息传输系统，并可以接收来自信息传输系统的命令。

图1 系统结构图

1.1 信息传输系统构成

信息传输系统结构图见图2。其中的STCSTC15F 2K60S2单片机为系统的主核心模块，完成系统的控制和信息处理。其中的GRPS模块实现系统信息的远程传输，仓库管理者可以通过手机进行仓库信息的查看。其中的nFR24L01[2-5]无线模块实现信息传输系统与底层采集系统的组网，实现整个仓库的环境采集信息传输，并可实现将仓库管理者设置的命令通过信息传输系统传送给底层采集系统，实现了系统的远程设置。监控室的人员也可以通过键盘和液晶显示进行设置和查看。

图2 信息传输系统结构图

1.2 底层采集系统的构成

由于底层采集系统的结构都相同，所以统一进行介绍，其结构图见图3。该系统主要完成仓库中各个地方的信息采集，因此从图3 可以看到系统包括了热释电红外传感器模块、温湿度传感器模块DHT11[6-7]、烟雾传感器模块和光敏电阻等传感器。因此，系统具有的功能具体有：（1）人入侵监测功能；（2）温湿度监测功能；（3）烟雾监测功能；（4）光照强度监测功能。因此，该系统可以满足大部分的仓库环境检测的需要。系统将采集的环境参数统一通过nRF24L01 传输给信息传输系统，由信息传输系统将仓库环境参数传输给仓库管理者，并通过nRF24L01接收从信息传输系统传输过来的参数设置，也可以根据需要发出声音报警。

图3 底层信息采集系统结构图

2 系统主要硬件模块介绍

2.1 热释电红外传感器

热释电红外传感器主要由IR 探测头和BISS0001控制信号芯片组成。其中热释电效应属于压力-电压形式的物理性质器件，是指因温度的波动而导致它晶体外表面发生荷电集聚的现象。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，通过制作工艺实现了把相同两个元件做成不同电极，串联反接（减小本身干扰，使传感器得到补偿）。在传感器监测有ΔT的增量时，在两个电极上会产生电荷ΔQ，即出现微小的电压ΔV。在传感器探头前增加光学透镜——菲涅尔透镜，可以加大监测距离，大约为7 m。在传感器前置滤光镜片可通过光的波长范围为7～10 μm，实现对人体红外辐射的探测，其他波长的红外线由滤光片予以屏蔽。如果有侵入探测区域内，人体红外辐射波长聚焦，并被热释电元感应得到，因为两片热释电元接得到的热量有异，电荷量也不同而无法中和，就有电压输出。

2.2 DHT11温湿度传感器模块

DHT11 传感器集成湿度和温度测量双重监测功能，方便用户设计，同时性能可靠；经过校准，完全数字量输出；稳定性良好；无辅助部件；灵敏度高；超低能耗。

2.3 GPRS模块

SIM900A 是一款紧凑小巧、可靠稳定的GSM/GPRS 模块，其内部GSM 模块采用GSM A6 模组，物理尺寸为22.8 mm×16.8 mm×2.5 mm，主要由GPRS 模块、SIM 卡座、数据存储器等部分组成。支持GSM/GPRS的4个频段，支持语音通话以及GPRS无线上网，信号在全国均有良好覆盖，其2G网络还是全球遵守的网络标准。模块本身带有两个串口，一个串口用于发送AT 命令，另一个串口则应用于系统固件升级（下载串口）。SIM900A 内部支持TCP/IP 协议栈，可以连接Internet网络用于传输数据。

2.4 nRF24L01模块

nRF24L01 是由NORDIC 生产的，工作是在2.4～2.5 GHz 的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。它具有126 个通信通道，6 个数据通道，因此可以很好地满足多点通信和调频需要。其硬件的CRC 校验可以快速地实现通信数据的校验处理，具备高达8 Mbps的通信速率和4线SPI通信端口，适合与各类的MCU连接，编程简单。

3 系统软件设计

系统由信息传输系统和底层采集系统构成，其软件设计介绍分别如下。

3.1 信息传输系统程序设计

信息传输系统主要实现人机交互、通过GPRS 进行远程信息传输和对无线接收底层采集系统传来的检测信息进行相应的处理如图4所示。从图4中可得信息传输系统程序上电复位后首先进行初始化，包括了单片机内部硬件资源和外部各个硬件模块的初始化工作，然后进入主程序完成以下程序功能：键盘处理程序、nRF24L01处理程序、GSM模块处理程序和液晶显示处理等。系统可以通过键盘实现用户对系统的设置，通过nRF24L01无线模块接收从节点系统接收的信息，实时处理完成主机和下位机节点的通信并通过液晶屏进行显示，使用GSM模块实现将信息传输到管理者手机上。

图4 信息传输系统程序流程图

3.2 底层采集系统程序设计

由于底层采集系统的程序设计功能基本相同，以其中一个系统的程序流程图进行介绍如图5所示。底层采集系统上电初始化后，主程序主要完成单片机与各类传感器的数据读取，然后与信息传输系统进行无线通信，并根据信息传输系统发来的设置信息进行报警。

图5 底层采集系统程序流程图

4 结语

该文基于单片机技术、无线技术和传感器技术设计了仓库监测系统。该系统通过安装在仓库各个地方的底层采集系统进行仓库的环境参数监测，其中包括了温湿度、光照强度和烟雾等信息，并且系统可以实时监测是否有人进入仓库，如果监测到立刻向控制室的信息传输系统发出报警信息，同时信息传输系统会将报警信息及时传送到远程仓库管理员的手机上，为仓库管理员对仓库的远程监测提供方便。因此，该系统提高了仓库管理的效率，具有较好的应用前景。