基于物聯(lián)網(wǎng)的智能運(yùn)輸車輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，在倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中引入無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù) [1-3]，通過(guò)掃描貼在每個(gè)貨物上的電子標(biāo)簽完成對(duì)貨物出入庫(kù)的跟蹤管理 ；同時(shí)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)以及微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集 ；對(duì)進(jìn)入倉(cāng)儲(chǔ)管理區(qū)域中的運(yùn)輸車輛進(jìn)行運(yùn)行引導(dǎo)，從而高效提升企業(yè)智能運(yùn)輸車輛控制系統(tǒng)的綜合效益[4-8]。

倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸車輛管理控制系統(tǒng)是在無(wú)人工干預(yù)的情況下， 為運(yùn)輸車輛導(dǎo)航，使運(yùn)輸車輛安全到達(dá)指定位置。運(yùn)輸車輛行駛至入口處，采集貨物信息并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息比對(duì)。本系統(tǒng)使用RFID 技術(shù)讀取運(yùn)輸車輛承載貨物的詳細(xì)信息，通過(guò)藍(lán)牙向運(yùn)輸車輛發(fā)送運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車輛的自主運(yùn)行。

1 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖 1 所示。使用印刷電路板（PCB）作為 運(yùn)輸車輛的主體承載平臺(tái)，在其上方安裝一層有機(jī)玻璃板用于 放置貨物。運(yùn)輸車輛使用兩個(gè)與車輪直接相連的微型直流電 機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，在該車輛后部安裝一個(gè)萬(wàn)向輪用于維持車體 平衡。運(yùn)輸車輛在指定車道內(nèi)循跡行駛，且能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)本 車與前車間的距離，當(dāng)與前車的距離小于安全車距時(shí)，運(yùn)輸車 輛減速，避免與前車相撞。在運(yùn)輸車輛行駛過(guò)程中，車載藍(lán) 牙始終開(kāi)啟并處于接收狀態(tài)，實(shí)時(shí)接收控制中心發(fā)送的指令， 車輛依照指令運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)輸車輛行駛至道閘處時(shí)，道閘側(cè)面 安裝的 RFID 讀寫器能夠識(shí)別車載貨物的信息，并將信息上傳 至控制中心計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將獲得的信息與既有數(shù)據(jù)庫(kù)中的信 息進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)成功則向道閘發(fā)送成功信息，欄桿自動(dòng)抬 起，道閘通過(guò)藍(lán)牙向運(yùn)輸車輛發(fā)送停放位置，運(yùn)輸車輛駛?cè)?后數(shù)據(jù)庫(kù)信息被更新；若比對(duì)失敗，欄桿保持落下?tīng)顟B(tài)，道閘 向當(dāng)前的運(yùn)輸車輛發(fā)送禁止駛?cè)氲男畔?，運(yùn)輸車輛接收到該信 息后掉頭駛離。

2 運(yùn)輸車輛設(shè)計(jì)方案

2.1 車輛硬件設(shè)計(jì)方案

運(yùn)輸車輛由載臺(tái)和底盤兩部分組成。載臺(tái)是定做的透明有機(jī)玻璃板，通過(guò)銅柱安裝在車輛底盤上。底盤為車輛控制核心電路板。該電路板集成了微處理器、調(diào)試接口、開(kāi)關(guān)、電池插口、紐扣電池底座、穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)安裝口、避障傳感器、紅外光電傳感器及相應(yīng)的信號(hào)處理電路，并留有藍(lán)牙模塊的接口，還包括車輛正常工作需要的其他外圍電路。底盤上安裝有 6 個(gè)發(fā)光二極管（LED）作為狀態(tài)指示燈，還有2 個(gè)數(shù)碼管專用于顯示車輛編號(hào)，使運(yùn)輸車輛具有良好的人機(jī)交互功效[9]。

全車的電能均來(lái)自一塊容量為 2 600 mA 的鋰電池，可通過(guò)獨(dú)立的穩(wěn)壓芯片向全車各模塊供電。其中，LM2940 提供穩(wěn)定的 5 V 電源，向全車各傳感器模塊供電 ；AMS1117-3.3 提供3.3 V 電源，向控制器和無(wú)線通信模塊供電 ；78M05 和 78M06 用于向電機(jī)提供工作電流。全車各穩(wěn)壓芯片獨(dú)立工作，互不干擾，可保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

MCU 采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32 系列微處理器， 該處理器使用來(lái)自ARM 公司具有突破性的 Cortex-M3 內(nèi)核， 該內(nèi)核專門用于高性能、低功耗及對(duì)成本較為敏感的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合，因此 STM32 系列處理器 [10,11] 是本系統(tǒng)的最佳選擇。

本系統(tǒng)選用額定電壓為 6 V，轉(zhuǎn)速為 30 r/min 的 n20 小型電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用ST 公司的L298P 芯片，該芯片工作電壓最高可達(dá) 46 V，持續(xù)工作電流為 2 A，已完全滿足運(yùn)輸車輛驅(qū)動(dòng)電流的需求。封裝為貼片形式，具有便于焊接安裝、外圍電路簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 2 所示。

運(yùn)輸車輛與道閘控制系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信協(xié)議進(jìn)行通信， 軟件協(xié)議采用自主設(shè)計(jì)模式，硬件電路采用自主設(shè)計(jì)的傳輸模塊，通過(guò)排針與排座將其安裝在運(yùn)輸車輛及道閘控制系統(tǒng)的電路板上。藍(lán)牙模塊采用基于 CC2540 芯片的解決方案，使用藍(lán)牙 4.0 協(xié)議，傳輸速率達(dá) 1 Mb/s，若采用外置天線，傳輸距離可達(dá)到 100 m。其傳輸速度與傳輸距離均能滿足本設(shè)計(jì)的需求。

避障模塊使用市面上流行的E18-D50NK 光電傳感器，其有效距離為 3 ～50 cm，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等場(chǎng)合。該傳感器通過(guò)專用支架固定在車輛底盤的PCB上，安裝方便，工作性能穩(wěn)定。

用于實(shí)現(xiàn)車輛尋跡行駛功能的傳感器使用TCRT5000 反射式紅外光電傳感器。該傳感器尺寸小，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿足本設(shè)計(jì)運(yùn)輸車輛的需求。光電傳感器電路如圖 3 所示。

2.2 運(yùn)輸車輛工作過(guò)程

運(yùn)輸車輛沿標(biāo)記的路徑行駛，當(dāng)車輛偏離路徑時(shí)能夠自動(dòng)糾正；當(dāng)車載紅外光電傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎標(biāo)記時(shí)可根據(jù)指示轉(zhuǎn)彎；當(dāng)檢測(cè)到停車線時(shí)停車，準(zhǔn)備接收道閘控制系統(tǒng)發(fā)送的信息。當(dāng)?shù)篱l發(fā)送允許信息時(shí)，運(yùn)輸車輛等待欄桿抬起后繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)?shù)篱l發(fā)送禁止信息時(shí)，運(yùn)輸車輛自動(dòng)掉頭返回， 行駛至停車區(qū)停車。運(yùn)輸車輛工作過(guò)程如圖 4 所示。

3 道閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 道閘控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

道閘控制系統(tǒng)由安裝在透明有機(jī)玻璃板上的獨(dú)立 模塊構(gòu)成，包括控制器主板、液晶顯示器、藍(lán)牙模塊、 步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和射頻卡讀寫器。整個(gè)系統(tǒng) 由一塊鋰電池供電，該鋰電池與運(yùn)輸車輛使用的鋰電 池完全相同，此處不再贅述。

主板的核心處理器為意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn) 的 STM32 系列微處理器 STM32F103ZET6。這款處理 器擁有 144 個(gè)引腳，72 MHz 的主頻，512 kB Flash， 64 kB RAM，并擁有多達(dá) 80 個(gè)通用輸入、輸出端口 （GPIO）。該處理器外設(shè)資源豐富，處理速度快，抗干 擾能力強(qiáng)，能夠完全滿足本項(xiàng)目道閘控制系統(tǒng)的需求。

主板上留有調(diào)試接口、液晶顯示器接口、無(wú)線通信模塊 接口和 SD 卡接口，將全部 GPIO 通過(guò)排針引出，便于連接。 主板上還集成了電源插座、穩(wěn)壓芯片（5 V 和 3.3 V）、用于 RTC 的紐扣電池、紅外遙控接收頭和必要的外圍電路。道閘 控制系統(tǒng)的液晶顯示器和藍(lán)牙模塊直接安裝在主板上，其他 模塊通過(guò)導(dǎo)線和主板連接。

顯示器選用薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor- Liquid Crystal Display，TFT-LCD）。

步進(jìn)電機(jī)選用兩相四線的 42BYGH 步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn) 電機(jī)扭矩大，安裝方便，且與選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相匹配。 使用該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)能夠完全滿足本設(shè)計(jì)的需求。

射頻讀卡器選用購(gòu)買的成品 MFRC-522 模塊。該模塊被 廣泛應(yīng)用于各類射頻識(shí)別場(chǎng)合中，其供電電壓為 3.3 V，通過(guò) SPI 接口直接與用戶 MCU 主板相連接通信，具有工作可靠、 讀卡距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。射頻讀卡器與 MCU 連接 關(guān)系如圖 5 所示。

3.2 道閘控制系統(tǒng)工作過(guò)程

道閘控制系統(tǒng)工作過(guò)程如圖 6 所示。MCU 通過(guò)射頻讀卡 器連續(xù)檢測(cè)當(dāng)前卡的狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到有卡后，MCU 獲取卡片 信息，將其發(fā)送至上位機(jī)軟件中，若獲得的反饋信息為允許通 過(guò)，則藍(lán)牙模塊向運(yùn)輸車輛發(fā)送通過(guò)信息，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶 動(dòng)欄桿抬起，待車輛通過(guò)后道閘落下，射頻讀卡器繼續(xù)檢測(cè) 卡狀態(tài) ；若卡片代表的信息為禁止通過(guò)，則藍(lán)牙模塊向運(yùn)輸車 輛發(fā)送禁止信息，運(yùn)輸車輛掉頭返回，欄桿保持落下?tīng)顟B(tài)。

4 計(jì)算機(jī)軟件簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目涉及的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案如下：通過(guò) LabVIEW 繪制前面板，構(gòu)成程序主界面。主界面第一行顯示當(dāng)前最新的 貨物進(jìn)出動(dòng)態(tài)。第一行上方的選擇欄設(shè)定當(dāng)前使用的串口號(hào)， 通過(guò)串口與道閘通信。第一行下方列表顯示歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)篱l 檢測(cè)到貨物時(shí)，將貨物信息通過(guò)串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)處，由計(jì)算 機(jī)軟件判定是否允許貨物進(jìn)入，并將當(dāng)前編號(hào)、系統(tǒng)時(shí)間、貨 物信息、狀態(tài)等顯示在前面板上。若貨物允許進(jìn)入，則向道 閘發(fā)送允許信息 ；反之則發(fā)送禁止信息。程序運(yùn)行時(shí)前面板 如圖 7 所示 [12-14]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)以及微處理器技術(shù)， 設(shè)計(jì)了一個(gè)智能運(yùn)輸車輛控制系統(tǒng)，并通過(guò)硬件模塊、軟件模 塊的選取進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無(wú)人工干預(yù)的情 況下，該系統(tǒng)能夠?yàn)檫\(yùn)輸車輛導(dǎo)航，使運(yùn)輸車輛安全到達(dá)指定 位置，具有自動(dòng)化程度高、功耗低、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)， 具有較大的實(shí)用價(jià)值。