周光發(fā)， 徐大華

(1. 江蘇警官學(xué)院 公安科技系， 江蘇 南京 210012； 2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

0 引 言

環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與處理是實施精準(zhǔn)監(jiān)控的關(guān)鍵，無線射頻技術(shù)的不斷提高，國內(nèi)外對環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究日益深入[1-2]，近幾年自動化監(jiān)控技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷大幅度增加[1-3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種集傳感器與致動器于一體由無線媒介連接節(jié)點進行分布式傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，收集數(shù)據(jù)的傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)與計算機系統(tǒng)進行通信[4-6]。在這個以信息為主流的社會，人們需要隨時隨地地利用信息技術(shù)并享受它們所帶來的便利。傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)顯然不能滿足人們對信息技術(shù)便捷性的要求，相反，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)沒有線纜的束縛，因此可以在倉庫內(nèi)按需求隨機布點，任意調(diào)整位置。與有線監(jiān)控系統(tǒng)相比，具有安裝方便、應(yīng)用靈活、精度更高等優(yōu)點[6-7]。

目前, 在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)中, 要使用大量的基于不同物理機制的傳感器, 且監(jiān)控和采集的對象多而分散。遠程多點無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是以PC機作為中心控制站, 控制數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控, 完成命令收發(fā)和數(shù)據(jù)信息處理; 而現(xiàn)場則以單片機和無線數(shù)傳模塊為核心構(gòu)成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),PC 機和現(xiàn)場通過無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)通信。 在中心控制站, 采用在 Windows環(huán)境下, 通過VC + + 6.0中的 MSComm 控件實現(xiàn)軟件編程, 單片機則采用運行效率較高的51 匯編語言, 整個系統(tǒng)充分利用了單片機和PC 機的各自優(yōu)勢, 靈活采用無線數(shù)傳模塊, 從而實現(xiàn)PC 機和單片機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸[10]。

本文要實現(xiàn)的目標(biāo)：① 使用基于NRF905無線射頻技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集并傳輸倉庫的環(huán)境參量； ② 工作人員需要實時查看倉庫管理系統(tǒng)了解倉庫的存儲情況并作出分析；③ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與倉庫管理系統(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)對倉庫環(huán)境的監(jiān)控。

圖1 倉庫報警系統(tǒng)-發(fā)射部分

1 倉庫報警系統(tǒng)總體設(shè)計

倉庫報警系統(tǒng)主要由前端警情采集控制與終端報警控制兩大部分組成。

前端警情采集控制包括數(shù)據(jù)采集模塊、STM32單片機控制無線發(fā)射模塊，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成倉庫監(jiān)控范圍異常信號的采集，將紅外和超聲波傳感器測得的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其中紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信號先通過LM393比較器比較后產(chǎn)生一個下降沿觸發(fā)信號，然后STM32單片機感知該信號后進行判斷是哪個節(jié)點出現(xiàn)異常并且將該信息通過NRF905無線射頻發(fā)射模塊送往終端報警系統(tǒng)；超聲波傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是IO口TRIG觸發(fā)測距，所以設(shè)計555頻率發(fā)生器產(chǎn)生1 kHz的觸發(fā)信號使超聲波傳感器網(wǎng)絡(luò)一直處于檢測中，STM32單片機使用PWM捕捉采集超聲波傳感器的ECHO回顯信號，從而知道倉庫中檢測物品的位置是否被動過，然后將該信息通過NRF905無線射頻發(fā)射模塊送往終端報警系統(tǒng)。

終端報警控制部分包括51單片機控制無線接收模塊、上位機控制管理系統(tǒng)與聲光報警模塊，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端報警模塊由51單片機、蜂鳴器和液晶顯示器、上位機監(jiān)控界面等組成，51單片機對NRF905無線射頻接收模塊采集的信號進行檢測判斷，將數(shù)據(jù)通過RS233串口通信模塊傳輸?shù)絺}庫管理監(jiān)控系統(tǒng)進行顯示，然后倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)通過分析接收到的數(shù)據(jù)是否在正常的范圍內(nèi)，異常即通知單片機作聲光報警。

圖2 倉庫報警系統(tǒng)-接收部分

2 倉庫無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

2.1 紅外超聲波傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

紅外光電傳感器模塊硬件設(shè)計如圖3所示，紅外傳感器模塊需要5 V直流電源供電，故相應(yīng)輸出的高電平電壓也是5 V，為了讓STM32單片機正常采集3.3 V的高電平電壓信號，在此使用了LM393比較器進行電壓轉(zhuǎn)換，在輸出端ASM1117-3.3V先將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，然后通過上拉電阻就實現(xiàn)了將輸出5 V高電平信號強制轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓輸出的脈沖信號供STM32單片機采集。

圖3 紅外光電傳感器模塊電路

超聲波模塊安裝在倉庫集裝箱中，通過檢測倉庫集裝箱中的物品離傳感器的距離來判斷物品是否移動過，并且將該數(shù)據(jù)通過NRF905無線射頻模塊發(fā)送給倉庫控制管理系統(tǒng)。硬件模塊可提供 2～400 cm 的非接觸式距離感測功能，測精度可達高到 3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路 。

該超聲波模塊只需要外部提供一個 10 μS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8個40 kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離 。 公式 ： μS/58= 厘米或者 μS/148= 英寸；或是：距離 = 高電平時間 * 聲速 (340 M/S) /2； 建議測量周期為 60 ms 以上 ， 以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機首先初始化系統(tǒng)，然后軟件查詢上位機是否發(fā)送開始命令信號。

若上位機發(fā)送開始命令信號，則下位機將該命令通過NRF905傳輸?shù)角岸司椴杉刂葡到y(tǒng)使其工作，前端系統(tǒng)通過NRF905定時傳輸數(shù)據(jù)到上位機進行實時監(jiān)測。

主程序流程框圖如圖4所示。

圖4 主程序流程框圖

3 倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)界面通過MSComm控件實現(xiàn)與串口之間的數(shù)據(jù)傳輸，利用該控件的事件驅(qū)動方法可以通知程序緩沖區(qū)內(nèi)是否有數(shù)據(jù)到達，并利用程序中MSComm相應(yīng)的函數(shù)捕獲并處理這些通信事件。

首先，在主對話框界面上添加MSComm控件，根據(jù)下位機的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位的值確定上位機界面對應(yīng)下拉菜單的值，并將這些數(shù)據(jù)的值通過DDX數(shù)據(jù)交換機制傳遞給對應(yīng)下拉菜單的CString型變量，然后，新建一個串口對象，利用MSComm控件相應(yīng)的設(shè)置函數(shù)，將上面變量的值設(shè)置成串口對象的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位，這樣串口對象的初始化便完成了。串口初始化完成之后，利用MSComm控件的Open函數(shù)打開串口，然后在中斷處理函數(shù)OnCommunication中利用該控件的GetInput函數(shù)獲取傳過來的數(shù)據(jù)，這樣便實現(xiàn)了數(shù)據(jù)由下位機傳送給上位機的數(shù)據(jù)采集工作。

數(shù)據(jù)采集回來后，新建一個int型標(biāo)志位flag，并賦初值為0，判斷每次采集到的數(shù)據(jù)，若是開始位，則將標(biāo)志位置1，若是停止位，則將標(biāo)志位清0，然后通過判斷標(biāo)志位是否為1來執(zhí)行后續(xù)操作，若為1，則先將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備后來查看用，然后將先后傳過來的數(shù)據(jù)通過判斷是否滿足條件實時顯示在界面上，第一個節(jié)點的數(shù)據(jù)中包含有紅外傳感器的檢測數(shù)據(jù)和超聲波傳感器的位移數(shù)據(jù)，此時界面實現(xiàn)將第一個節(jié)點的紅外傳感器指示燈點亮并且將超聲波傳感器的距離數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)的文本框里，處理后顯示在進度條中，以此類推，數(shù)據(jù)的實時顯示也達到了，隨后程序中會將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)置的比較值進行對比，若超過了比較值的范圍，則按照相似的步驟將命令信號傳輸?shù)絾纹瑱C中控制聲光報警。

4 結(jié) 語

本設(shè)計搭建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的應(yīng)用性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用STM32單片機，使用NRF905無線射頻技術(shù)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸。倉庫管理界面使得系統(tǒng)更加準(zhǔn)確和易于監(jiān)控。但該系統(tǒng)推廣到復(fù)雜環(huán)境條件下的倉庫監(jiān)控可加強以下兩方面的研究：① 無線傳感器節(jié)點之間和節(jié)點與管理系統(tǒng)之間的傳輸距離應(yīng)該在增大，并提高傳輸數(shù)據(jù)的速度；② 優(yōu)化無線傳輸速率和倉庫管理控制速率的整體結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化整個監(jiān)測系統(tǒng)。

[1] 關(guān) 可,盛惠興,王海濱,等. 基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].信息安全與通信保密， 2009(3) :85-87.

GUAN Ke,SHENG Hui-xing,WANG Hai-bin.etal.Design of Wireless Data Transmission System based on nRF905[J].Information Security and Communications Privacy, 2009(3):85-87.

[2] Soere Pauly,Erin Budin . Impact of radio frequency identification technology on manufacturing and logistics: challenges and issues [J]. International Journal of Manufacturing Technology and Management,2008(10): 24-27.

[3] 亢寶印，吳麗靜，陳慧芬，等．基于無線射頻識別技術(shù)的表計信息自動采集系統(tǒng)[J]．山東電力技術(shù), 2011(7) : 68-71.

Kang baoying,Wu lijing,Chen hui fen,etal.Automatic Collection System of Meter Measured Message Based on RFID[J].Shandong Electric Power, 2011(7) : 68-71.

[4] Chen, Charlie C,Wu, Jiinpo,Crandall, Richard E. Obstacles to the adoption of radio frequency identification technology in the emergency rooms of hospitals [J]. International Journal of Electronic Healthcare,2010(3): 77-79.

[5] 崔 怡，何繼淳，劉小丹．基于構(gòu)件的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機工程，2006，32(5)：232-234.

CUI Yi,HE Jichun,LIU Xiaodan.Design and Implementation of Remote Video Surveillance System Based on Component Software[J]. Computer Engineering，2006，32(5)：232-234.

[6] 千承輝,王 超,曹曦元,等.多傳感器數(shù)據(jù)處理的人流量監(jiān)測系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):35-38 .

QIAN Cheng-hui,WANG Chao,Cao Xi-yuan,etal.A Visitors' Flow-rate Monitoring System Based on Multi-sensor Data Acquisition[J].Research and Exploration in Laboratory, 2013,32(2):35-38.

[7] 王建勛，周青云.基于DS18B20和LabVIEW的溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(3):47-50.

WANG Jian-xun,ZHOU Qing-yun.Design of a Temperature Monitoring System Based on DS18B20 and LabVIEW[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(3):47-50.

[8] Misra S,Tiwari V．Laeas：learning automata—based congestion avoidance scheme for heahhcare wireless sensor networks[J].Selected Areas in Communications，IEEE，2009，27(4)：466479．

[9] FEI Hu，MENG Jiang．Robust medical ad hoc sensor networks (MASN)with wavelet-based ECG data mining[J]．Ad Hoc Networks，2008．6(7)：986,1012.

[10] Amardeo C，Sarma．J G．Identities in the future internet of things [J]．Wireless Pers Commun，2009，49：353-363．

[11] 于 衛(wèi),江麗莉,李志軍.新型多路溫度測量控制和報警系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(2):36-40.

YU Wei,JIANG Li-li,LI Zhi-jun. Design of New Multi-channel Temperature Measurement Control and Alarm System[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(2):36-40.

[12] Messier G. Hartwell J.A Sensor Network Cross—Layer Power Control Algorithm that Incorporates Multiple—Access Interference[J].IEEE Fransactions on Wireless Communications，2008，7(8)：2877-2883．

[13] JHUANG H K,LEE C H,HSU C I. Design of compact micros-trip dualb and bandpass filters withλ/4 stepped impedance resonators[J].Microwave Optical Technology,2007:164-168.

[14] 李建華,仲元昌,梁善友,等.無線遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的跟蹤定位實驗[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(3):76-79.

LI Jian-hua,ZHONG Yuan-chang,LIANG Shan-you,etal. Locating and Tracking in Wireless Remote ECG Monitoring System[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2013,32(3):76-79.

[15] 趙春媛，李 萌，韓會山. 基于ARM9的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設(shè)計，2012,32(2):0529-0534.

ZHAO Chun-yuan,LI Meng,HAN Hui-shan.Design and implementation of wireless video monitor system based on ARM9[J]. Computer Engineering and Design,2012,32(2):0529-0534.