基于单片机的智能仓库设计电子信息.docx

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基于单片机的智能仓库设计电子信息

毕业设计（论文）

题目基于单片机的智能仓库设计

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年月

摘要

传统意义上仓库的存放和运输通过简单易操作来完成，在现代仓库的管理上也还存在很多的不足，依靠简单人工的检测、防护不能实时有效地完成仓库中数据的采集和处理，无法随时保证仓库的环境安全，很多仓库受灾事件不能有效的避免。

本文对现有仓库环境的条件分析，结合传感器和单片机技术开发出一种智能仓库系统，以性能稳定的单片机、各类采集传感器为核心，构建了传感器硬件节点，实时采集仓库环境的温湿度、光照强度、粉尘浓度并上传到LCD显示屏，通过核心单片机对终端控制模块、预警模块进行远程监测。

利用传感器能够实现对仓库室内及表层环境24小时的数据收集，实时计算分析、预警及高效的控制。

经过系统测试及运行结果表明：

本文研究设计的智能仓库采集精度可达95%，报警反应在5s内，能够保障仓库安全，让工作环境更适宜。

关键词：

智能仓库传感器实时采集阀值预警

ABSTRACT

Inthetraditionalsense,thestorageandtransportationofwarehousesarecompletedthroughsimpleandeasyoperations.Therearealsomanydeficienciesinthemanagementofmodernwarehouses.Thecollectionandprocessingofdatainwarehousescannotbeeffectivelycompletedinrealtimebysimplemanualdetectionandprotection.Theenvironmentalsafetyofwarehousescannotbeguaranteedatanytime,andmanydisastersinwarehousescannotbeeffectivelyavoided.

Thispaperanalyzestheconditionsoftheexistingwarehouseenvironment,anddevelopsanintelligentwarehousesystembasedonsensorsandsingle-chipmicrocomputertechnology.Thesensorhardwarenodeisconstructedwithstablesingle-chipmicrocomputerandvariouscollectionsensorsasthecore.Thetemperature,humidity,illuminationintensityanddustconcentrationofthewarehouseenvironmentarecollectedinrealtimeanduploadedtotheLCDdisplayscreen.Theterminalcontrolmoduleandearlywarningmodulearemonitoredremotelythroughthecoresingle-chipmicrocomputer.Usingsensorscanrealize24-hourdatacollection,real-timecalculationandanalysis,earlywarningandefficientcontrolofwarehouseindoorandsurfaceenvironment.

Thesystemtestandoperationresultsshowthattheacquisitionaccuracyoftheintelligentwarehouseresearchedanddesignedinthispapercanreach95%,andthealarmresponsescanensurethesafetyofthewarehouseandmaketheworkingenvironmentmoresuitablewithin5s.

Keywords:

IntelligentWarehouse；Sensor；Real-timeacquisition；ThresholdWarning

1绪论

1.1研究背景

随着现代科技的飞速发展，各项领域的广泛普及，电子信息行业也在逐渐兴起，越来越多性能精良的设备顺势而生，市场也丰富起来，在设备和产品的生产、管理和后期的存储环节越发受到重视。

很多重要的产品，在防潮、防霉、防腐、防爆上要求极为严苛，这些关键因素直接关系到存储物品的工作寿命以及工作安全可靠性。

为了仓库内存储物资在质量上得到保证，在安全上有合理的保障，在这类要求下建立一个合格安全的贮存环境是重中之重。

首要问题就是加强仓库内环境、温度和湿度的监测工作，所以，建立一个具有较好的温湿度监测，空气质量检测的系统[1]，是作为现代仓库安全性上的重要参考指标。

电脑作为现代人在日常生活中必不可少的一样工具，用来检索信息，浏览阅读，可以说是人机交互的重要方式，利用传感器对仓库中日常数据的采集和云端监测管理，使人们在任何地方都能获取信息，在时间上更加缩短，从而减轻工作力度，提高人工工作效率，让工作更便捷的进行。

湿度是一个物理量，表示的是大气的干燥程度[2]。

实际指的是湿空气中所含的水蒸气的质量与绝对干燥空气的质量之比。

温度在日常的表示中最直观的是常见的体温计[3]，在工业运作中也是常规的必要参数。

由此可以看出，在日常保存、工业制造、以及冰库制冷等领域，这两类参数都是表现和影响实际环境的重要因素。

因此以此作为考察环境的参考因素来使用，以此来保障各项工作的有序进行，如发生火灾爆炸时预警、对蔬果大棚和粮仓中温度和湿度的实时监测，冷库温度的调节等。

可以看出温度和湿度作为环境因素的基础参考使用，在传统的数据采集中，环境稍微复杂，就会使检测的数据出现误差，在一些特定的环境中，如工厂、火灾现场都不能作长时间的停留，无法对现场进行有效的观察和采集，从而对所需数据的采集工作就比较模糊[4]。

所以，需要能够实现将数据分别精确采集并且统一传输到一个地方进行处理，这样在人力上有所节省，工作效率也会大大提高。

这是参考现阶段仓库的温室采集所发现的设计，但依然存在着问题，在一些仓房大的地方，采集的数据需要传输自然比较多，使用以往的办法造成资源的浪费和操作性上较差，精度也不高。

对仓库中各项数据监测，设计出一套适用于现代的智能仓库的系统就十分有必要。

智能仓库的创新研发设计上，符合了现代仓库的硬性需求，也智能化仓库的管理，经过无线信号的连接将数据上传到云端，让管理人员可以掌握仓库的各项参数，减少人力的多余输出，更提高了工作效率[5]。

伴随着社会的进步，物品的安全存储这一问题越发重要，智能仓库的设计不仅可以运用到物流、粮仓、大棚，也可以运用大型工业项目中，增加安全性与工作效率。

1.2国内外研究现状

近几年在智能仓库的设计中，在存储方面上下足了功夫，贵重产品和精密仪器的增加也需要仓库的安全性得到提升。

温湿度的控制就是最能影响产品质量的关键因素，从最初的模拟温控、集成温控到智能数码式温度控制，如今研发到数字智能、网络化，从最简单的硬件升级到软件开发技术的迅猛[6]，都推动着智能仓库的发展。

除仓库存储物资的温湿度要求外，仓库中的空气环境也是重中之重，采集空气PM值分析，再加以处理，保障库管人员长期的工作和工人长期在工作环境中的身体健康，现在很多物资仓库，由于货物长期贮存产生积灰和搬运工人的不断运动将积灰扑起直接将粉尘吸入人体，长期在这种工作环境下致使一些隐性疾病的滋生[7]，将传感器投入到仓库的气体检测中也是一个有效的数据。

1.2.1国外研究现状

在20世纪70年代，国外仓库技术发展迅速。

近几年在仓库数量增加和货物逐渐增多的情况下，对仓库的存储和运输处理在不断更新，目前仓库技术有机器人技术、RF手持终端、语音提示终端、视频监控、无人搬运等技术[8]，使用机器人技术和RFID技术实现货物的盘点和仓库门禁，语音提示和视频监控完成对仓库的管理，无人搬运，较好的降低了人工成本。

1.2.2国内研究现状

由于发展的迟滞，直到八十年代初期我国仓库才大规模的建造，初期只存在于码头这种货物转运的地方，工业的发展让实体货物增加，但货物的管理和运输还是以人工为主，慢慢的逐步发展到运用工具来完成在货物转移上的进步。

现代科技的大规模爆发，加入了仓库存储智能技术和仓库管控系统，实现对物品的自动识别、感知、定位和监控等应用[9]。

1.3课题研究内容

1.3.1研究思路

前文主要介绍了智能仓库在国内外发展和近年来的研究现状，多在存储和运输过程方面着手，需要全方位对仓库实地环境做实时检测的仓库系统，补足这一不足之处。

针对现有市场，通过实际应用和数据采集可靠度分析，发现有很多数据可以进行采集和完善处理方法，用于提升仓库的安全性能。

通过初期设计，该系统基于单片机研发一款智能仓库，主要利用温湿度传感和粉尘传感器来检测采集的仓库环境，并将检测到的实时数据传输到控制单片机，并根据变化，实现自动和手动的双模式控制。

智能仓库主要由主控制模块、温湿度检测模块、空气检测模块、控制模块和电源电路各部分组成，智能仓库在数据采集部分的设计运用三类传感器的基础上，可实时采集仓库内温湿度和空气PM值，通过传输控制模块处理后，可以在PC端和手机移动端实现具体参数显示和变化情况，控制模块可以实现对仓库温度值的补偿，用高亮LED灯路进行加热使环境温度上升，用排风扇完成对温度的降低。

此外，PM值检测超标后也可利用排风扇换气。

在控制上可以达到手动控制温湿度差值变化和自动感应调节返回设定参数范围，在自动感应模式下结合采集模块对温湿度补偿，能智能的捕捉参数变化，从开启到关闭无需任何人为干涉，大大提高了工作效率。

智能仓库内部采集的各个节点的数据，能通过无线传输到IntoRobot云平台，还可以进行联动控制等设置。

在平台上可以利用开发工具直接进行编程（IntoRobot在线IDE），IntoRobot在线IDE也兼容Arduino的语法并且运用起来更加便捷。

根据硬件模块的搭建，在制作过程中不断的改进以及优化检测精度和各个功能模块反应速度，数据采集节点的放置设计，简化操作流程，使管理人员一目了然，最后设计出的智能仓库可投入到实际环境中使用，并在实际应用过程中进行性能的调试，实现最终系统预期功能。

1.3.2研究内容

在上文中，分析了目前国内外关于智能仓库现阶段的研究现状以及发展趋势，以此作为本文设计的参考及创新的方向。

运用现代成熟的传感器技术和无线通信技术搭配移动互联网来构建一个基于无线网络控制的智能仓库，来解决仓库物资存储的安全问题。

能够利用传感器特性并结合无线控制，实现智能仓库内的数据采集、远程控制、警报提示、智能温控处理的各部分功能。

智能仓库主要由系统模块、传感器模块、自动控制模块、自动温控模块、智能监控报警模块组成。

论文及设计主要的研究内容如下：

1.分析智能仓库的研究背景和市场需求，对仓库的实用智能功能进行前期的数据采集和分析工作。

参考相关文献，吸纳已完成设计的可行性功能，甄选在系统研发中涉及的关键性技术，完成系统的整体架构的初期设计。

2.在系统处理和控制上以IntoRobot作为开发平台[10]，通过DHT11温湿度传感器、GP2Y10PM值传感器、GY-30光照传感器进行了数据的采集，加上降温风扇装置与升温装置进行反应处理，利用串口进行输出传输到STM32芯片，以便于数据存储及变化处理。

加入WIFI模块与单片机相连以各类模块为基础，实现智能仓库的硬件设计的搭建。

另一端数据可以在云端上输出显示并可以控制处理模块的工作。

3.软件部分的设计利用传感器对环境数据进行采集，并用IntoRobot平台编译程序，在平台中进行数据的分析，完成数据的存储和调试，向运行控制模块发出指令。

4.平台进行温湿度、PM值、光照强度数据值的传输转换处理，进行设定阈值对比。

5.设计上系统实现数据采集、警报预警、自动降温、手动控制和远程监控和控制处理。

智能仓库系统的工作流程是：

由主系统模块进行核心系统的控制，各个数据采集模块和预警，处理模块都由主控模块进行指令发送和调用。

仓库内环境温湿度由温湿度传感器进行检测，光照强度则由光照传感器来采集，自动温控模块通过设定阈值比较，判断所处范围，使用风扇排气和加热升温等处理方式，以达到仓库安全条件，用排风扇方式实现对环境内温湿度控制和急性灾情发生的抑制，用多路LED实现对环境内温湿度不足进行补偿，数据的检测采用多点分布的方式，精确采集又能实现传输到手机和云端，便于管理人员直观随时查看和数据的短期存储

2系统整体设计

对仓库工作环境中的所变换的温湿度、光照变化和空气质量检测是本设计的重要功能，为实现本系统所需要的各类数据的精确采集，就需要对仓库环境进行细致的数据收集，了解仓库的事实数据变化。

从而能精确的对仓库的环境进行一个可靠的调节，将环境参数调整到最佳状态。

所以本设计预先设定的特征参数项主要分为以下几个部分。

2.1系统基本电路设计

本设计是基于单片机的一个监测仓库环境的研究设计，在研究本设计的时候用到下面的相关电路：

主控最小系统电路、LCD液晶显示电路、光照检测电路、空气温湿度PM值检测传感器电路、继电器控制电路、电源电路。

本设计中是利用以单片机电路为总控制控制的系统电路，其他电路为辅助的一个监测系统。

本设计可以对仓库里面的各种环境数据进行采集，将传感器采集到的信号转变为数字信号，再利用单片机进行处理，通过单片机处理的信息发送到液晶显示器，显示出仓库实时温湿度、光照和PM值这些具体数字信息。

同时当检测到环境内的数据和预设的值有所不同时，可以自行进行相应的调节，倘若在大棚里面超出所设预定量值时，会发出异常报警，显示出对应的报警项目。

本设计可以准确的实现实时对仓库的温湿度，光照，PM值等监测、显示、控制。

该系统设计需要具备抗干扰能力较强，精确度准，安装简易快捷，性价比高，如有异常时也要便于维护。

本监测系统可应用于大小型仓库中的，实现对仓库里面的环境监测，是一个比较既经济又实用还智能化的设计。

有利环境数据的掌握的同时，还提高了仓库安全存储工作，给社会带来更好的经济和社会效益。

2.2主要核心板的选用及其介绍

核心开发板是一款多芯片集成板，包括STM32F103RBT6、MT7620N、Flash、USB接口、电源电路等。

利用STM32和DDR2的双CPU设计，采用开源的软硬件相结合设计，软件部分的代码能够兼容Arduino以及STM32系列开发板，可以用以开发APP，还可以在开发时更加轻松的加入一些新设计，这也是此次选择这款开发板的好处[18]。

STM32F103RBT6的主频是72MHz、MT7620N的主频是620MHz的双CPU设计，提供了48个数字和模拟口，此外还有UART通用异步收发传输器，SPI串行外设接口，I2C同步串行总线，PWM控制，CAN总线，USB接口，以太网网口等丰富接口，还搭载了强大的OpenWrt系统。

核心板和与云平台公共搭建了一个网络控制系统。

图2.2核心板硬件结构

2.3设计功能流程

整体设计的系统框图如下所示，仓库模型设计中各采集点的温湿度传感器、光照传感器、粉尘传感器分别将实时采集的模拟量转换为数据量上传到主控芯片STM32F103RBT6上，主控芯片将接收到的数据按照数据传输方式进行打包自定义，以数据帧的形式传输进行打包形成自定义数据，通过主控芯片上的串口发送给IntoRobot开发板[11]。

IntoRobot核心板组成部分有WIFI芯片ESP8266及主控芯片，在接收信号后按已封装好的协议方式和IntoRobot云端进行通信[12]，最后可以在手机APP上实时查看采集到的仓库环境数据。

可以实现与预定值对比实现自动除湿、加热，在采集值不同相应处理的时间也会不同，如果检测烟雾一旦超过设定阈值，也会自动开启排气风扇，降低火灾发生几率。

辅助功能上，结合联动控制加装一个报警[13]，在紧急情况发生前，提前于人工检测，保证仓库物资安全。

图2.3整体设计的系统框图

2.4创新及优势

1.本设计将检测控制技术与手机智能控制技术相结合，方便查询，数据存储时间长，降低了整体管理难度。

2.科学测量数据，按照实际环境参数自动控制处理，能够达到较高的精确度，科学的监测使仓库的重要物资得到安全的保障。

3.所使用传感器体积小，功耗低，IntoRobot平台运行稳定可靠。

4.设计中使用到的硬件，集成在核心板上，能够连接互联网使用，核心板配备的终端在线编程与服务器进行连接开发难度有所降低。

3核心技术

3.1数据采集

在设计中选择环境温湿度检测模块、光照传感器、烟雾粉尘传感器等，检测仓库环境内的温度、湿度、烟雾浓度等。

主要将DHT11温湿度传感器模块、GY-30光照传感器模块、GP2Y10粉尘传感器模块接入核心处心板IntoRobot，配合核心板上的STM芯片将采集数据转换成数值后传入终端进行分析，根据环境温湿度以及烟雾粉尘的参数变化判断是否补光升温，判断是否降温排气，让仓库内存储物品能够有一个安全的环境[14]。

图3.1数据采集示图

3.2微处理器控制单元

通过对系统整体需求的分析，按照功能进行划分，本系统可分为环境感知部分、环境控制部分、数据传输网络、数据处理和用户显示平台。

其中环境感知部分是整个系统获取数据的基础，它由温度传感器节点、湿度传感节点、光照度传感器节点、PH值传感器节点所组成，仓库内部的一个基于IntoRobot核心板的嵌入式系统组成，节点与核心板的通信是通过无线自组网的形式进行的，前端感知节点对仓库内外部的环境进行感知，由核心板进行汇总后通过数据传输网络传输到数据处理中心进行后续的处理，环境控制部分用于控制仓库部环境参数。

数据传输网络用于完成前端数据到数据处理中心的传输，以及完成监控中心指令到前端传感器检测的下达。

数据处理中心负责对传感器传输过来的数据进行校验、解析和存储的工作。

用户显示平台由云端服务器、显示系统及相应网络配置而组成，监控中心用来完成对整个仓库环境检测进行信息化管理并进行实时警报，主要包括数据显示、阀值预设、超限报警和反馈控制。

3.3数据转换传输

在现代成熟的数据传输技术中选择WiFi通讯，在连接时能更快接入系统，既能稳定传输又可以实时输入主控芯片进行分析，传输速率比传统通讯方式高的同时保持理想状态下的持续在线状态。

与云端结合，前端传感器采集所需数据，通过WiFi通信，将转换后数据传输到IntoRobot云平台，手机安装APP也可在手机终端进行数据查看。

利用前端的数据采集，核心控制的处理，无线的传输，最终在云端和手机端可以做出相应的数据读取和控制。

图3.3数据传输示图

3.4数据存储

考虑到数据采集量较多，在STM32F103RBT6芯片之外增加512Mb的DDR2的CPU。

可以更快速准确的将无线传输的数据接受。

多类传感器向云服务器传输实时变化的数据，在CPU内做短期存储时，云平台做出提取和处理。

对提取数据进行检索、分析、分类、再存储以及维护。

各类数据的处理对后期仓库处理更加具有针对性。

这种存储方式查找快速，数据也可以长期进行保存，不占用物理存储空间。

有效地实现稳定、高效的数据管理模式[15]。

图3.4数据存储过程示图

3.5数据显示

仓库主要数据显示选用的液晶显示电路，用LCD1602的液晶显示器来显示在仓库里面所采集到的信息。

LCD1602优点是显示质量高，数字式借口体积小、重量轻，功耗也低，所以选择该元件。

同时避免离开仓库后的安全隐患，可以通过无线通信，利用云平台和手机终端也可实现数据显示，实现对仓库实时的检测及查看。

3.6数据处理

页面控件设计主要是温度、湿度、光照强度、PM值等数据。

通过此类方式很好的实现人机交互，终端显示也可以根据用户所需进行相应调整和设计。

通过前端传感器传回数据，主控芯片进行分析，对比安全数据再将控制信号发送给继电器模块，对不达标环境做出处理，实现系统的自动控制。

针对各种实际情况，设计了两种控制方式：

自动控制模式、手动控制模式[16]。

温湿度过低时自动打开高亮LED电路补热，过高时开启降温风扇。

湿度高于可靠系数时发出警报预警并开启排气风扇。

4硬件与软件设计

4.1硬件设计

根据论文前期设计思路来实现功能，分析设计对与现代安全仓库市场的研究，本节在智能仓库的数据实时采集过程，运用到的核心芯片，利用STM32核心单片机在设计中的优势和效果，实现自动控制[17]。

以及智能仓库各部分功能模块的介绍。

设计中智能仓库实现实时数据采集监测系统实现的主要组成部分如下：

1.主控芯板STM32F103RET6单片机完成对室内温湿度、PM值采集数据的处理[18]；

2.温湿度类传感器选用DHT11，实时采集变化的环境温湿度数据；

3.光照类传感器选用GY-30，实时采集环境光照强度；

4.选用GP2Y10空气PM值传感器，实时仓库内空气质量监测。

4.1.1STM32单片机

单片机在电子领域使用已十分广泛，在市场上已存在的单片机种类中[19]，STM32F103系列在单片机是最稳定、性价比最好的一类。

采用高性能ARM32位RISC核心在72MHz的频率运行，设备采用2到3.6V电源供电，不必为电源供电烦恼。

闪存和SRAM高达128字节和20KB都是高速嵌入式存储器，有利于数据传输过程中的快速处理。

采用增强型I/O口和APB总线与各种外置设备相连。

所有的器件都提供两个12位的ADCs模数转换器，三个通用16位定时器和一个PWM定时器，以及标准的通信接口和SPI串行外设接口，三个UART异步收发传输器，USB接口和CAN总线协议。

模块都由2到3.6V电源供电。

它们都可以在40至85℃温度范围和40至105℃扩展温度范围内使用，这一套全面的节电模式保证了低功耗应用的设计。

在STM32F103RBT6芯片在常规使用中利用其等密度特性线的微处理控制器，可应用范围广泛，在工业设计、电机驱动、应用控制、医疗和手持设备都占有很高的使用率。

以下为单片机最小系统：

图4.1STM32单片机图

在本次设计中所运用的STM32F103RBT6，主要利用它的特性是最大72MHz的主时钟频率，能够支持128KB的Flash存储和20KB的SRAM，2x12bit的ADC（16-channels）以及51个GPIO，其中还包含1个2.0的USB接口、2个SPI串行外设接口、3个串口、1个CAN总线，3个通用定时器，1个PMW高级控制定时器。

除了这些，它还能够支持SWD调试模式和JTAG调试模式。

4.1.2