戴 路，張 潔，劉文財(cái)，李雪艷

(陽光學(xué)院 人工智能學(xué)院，福建 福州 350015)

0 引言

隨著電子商務(wù)的崛起，作為電子商務(wù)行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施的倉庫也凸顯出其越來越重要的地位，隨著市場對(duì)于倉儲(chǔ)環(huán)境的要求越來越高，倉儲(chǔ)監(jiān)控技術(shù)也在適應(yīng)市場的同時(shí)得到了長足的進(jìn)步[1]. 中國物流與采購聯(lián)合會(huì)提供的數(shù)據(jù)顯示，2019年8月到2020年2月間，我國倉儲(chǔ)行業(yè)指數(shù)總體處在景氣區(qū)間，由于疫情影響，2020年2月出現(xiàn)了一個(gè)低谷，近期中國倉儲(chǔ)行業(yè)指數(shù)(如圖1所示)處于持續(xù)向好的趨勢.

圖1 中國倉儲(chǔ)行業(yè)指數(shù)

而倉儲(chǔ)的環(huán)境監(jiān)控就是保障物資的重要手段，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段根據(jù)市場需求新建設(shè)的現(xiàn)代化倉庫已經(jīng)設(shè)計(jì)了有效的集倉庫監(jiān)控、管理為一體的系統(tǒng)，但是老舊倉庫的占比還是很大，而改造老舊倉庫的環(huán)境監(jiān)控設(shè)備具有較大的應(yīng)用前景.

針對(duì)較落后的倉庫，秦騰飛團(tuán)隊(duì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合到倉庫監(jiān)控系統(tǒng)中，采用CC2530組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將感知層采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，監(jiān)控中心能自動(dòng)判斷和處理一些異常的情況，用戶能通過手機(jī)、網(wǎng)頁等方式實(shí)時(shí)監(jiān)控倉庫數(shù)據(jù)[2]. 中國海洋大學(xué)的程凱團(tuán)隊(duì)在通信端采用基于SAM R21控制芯片的RF233射頻模塊組建LwMesh架構(gòu)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)，并采用了精度更高的SHT11溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)感知節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)倉庫中環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]. 這兩種方案都是采用無線的方式將傳感器分散布置在室內(nèi)的各個(gè)方位進(jìn)行測試，能夠較為精準(zhǔn)地測試出環(huán)境數(shù)據(jù). 雖然這兩種方案都盡可能地降低了傳感器的功耗，但是當(dāng)傳感器沒電的時(shí)候也需要人員對(duì)電池進(jìn)行維護(hù).

美國的Scilimati團(tuán)隊(duì)提出使用無人機(jī)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給服務(wù)端. 但是該方法較適合用于大氣環(huán)境的采集，在相對(duì)封閉的倉庫內(nèi)，環(huán)境無人機(jī)的自身熱量和螺旋槳產(chǎn)生的氣流會(huì)對(duì)單個(gè)采集點(diǎn)造成較大影響，且倉庫環(huán)境較為復(fù)雜，無人機(jī)有破壞倉庫物資的風(fēng)險(xiǎn)，因此該方案不適合用于倉庫等場所[4].

針對(duì)以上研究團(tuán)隊(duì)存在的問題，本方案提出采用移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)到不同的檢測點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集，當(dāng)采集完成后，機(jī)器人能自動(dòng)回到充電點(diǎn)自行充電，該方法對(duì)于老舊倉庫的環(huán)境監(jiān)控問題提出了一種新的解決方案.

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集機(jī)器人和數(shù)據(jù)服務(wù)端兩部分. 整體框架如圖2所示.

圖2 移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的需求，環(huán)境數(shù)據(jù)采集機(jī)器人具有數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)循跡和自動(dòng)回充四大功能. 終端采用紅外循跡方式行沿著預(yù)先布置的軌道，駛至測試點(diǎn)，通過STH11溫濕度傳感器獲取當(dāng)前測試點(diǎn)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并通過BC26窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中國電信IoT核心網(wǎng)，同時(shí)終端還能行駛至指定區(qū)域自動(dòng)回充.

數(shù)據(jù)服務(wù)端可進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測溫度，同時(shí)能繪制出測試點(diǎn)的溫濕度曲線，最終通過線性回歸法還原當(dāng)前場景的溫度場.

基于NB-IoT的無接觸式移動(dòng)環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)各部分功能導(dǎo)圖如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)功能導(dǎo)圖

2 移動(dòng)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端由核心控制模塊、傳感器模塊、紅外循跡模塊、無線通信模塊和電機(jī)控制模塊構(gòu)成。 移動(dòng)機(jī)器人硬件框圖如圖4所示.

圖4 移動(dòng)機(jī)器人硬件框圖

核心控制模塊采用STM32F407主控芯片作為移動(dòng)機(jī)器人的核心控制器，該芯片是一款工業(yè)級(jí)的高性能主控芯片，其最高主頻高達(dá)168 MHz，同時(shí)內(nèi)部也有足夠的硬件資源，并能為后續(xù)升級(jí)提供硬件保障.

環(huán)境感知模塊，當(dāng)前只添加了最為基礎(chǔ)的溫濕度傳感器，但機(jī)身預(yù)留了相關(guān)接口，后期可根據(jù)需求增加PM2.5傳感器、煙霧傳感器等其他類型的環(huán)境傳感器. SHT11是一款高精度的溫濕度傳感器，其能輸出14位的濕度，測量精度為±3%RH，測試范圍為0～100%RH，可以顯示12位的溫度數(shù)據(jù)，測量精度可達(dá)±0.4 ℃，測試范圍為-40～123.8 ℃，該傳感器能夠滿足基礎(chǔ)倉儲(chǔ)在溫、濕度監(jiān)測上的需求.

終端采用L298N作為電機(jī)控制模塊，并通過PWM控制兩路直流減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)終端的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等操作. 同時(shí)L298N與核心控制模塊采用PC817光電耦合芯片，防止直流減速電機(jī)的電流倒灌擊壞核心控制器.

終端采用紅外循跡模塊，通過紅外線會(huì)被黑色吸收和被其他顏色反射的特性，加入比較器實(shí)現(xiàn)識(shí)別黑色和其他顏色，終端前、后各加入兩個(gè)紅外循跡模塊，最終實(shí)現(xiàn)終端能夠沿著預(yù)先布置的軌道，駛至測試點(diǎn)和返回充電區(qū)域自行充電的功能，環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢前端，即測試機(jī)器人如圖5所示.

3 自動(dòng)充電設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是接觸式充電方式，移動(dòng)機(jī)器人測試完環(huán)境數(shù)據(jù)后，將沿循跡軌道行駛到充電區(qū)域進(jìn)行自主充電，充電區(qū)域如圖6(a)所示. 充電區(qū)域前有兩條縱向的黑線用于輔助移動(dòng)機(jī)器人判斷是否進(jìn)入了充電區(qū)域.

圖5 環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢前端

當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人判斷已進(jìn)入充電區(qū)域后，機(jī)器人將降低速度，緩慢向回充點(diǎn)移動(dòng)，直到移動(dòng)機(jī)器人的充電觸點(diǎn)移動(dòng)到自動(dòng)回充點(diǎn)的充電觸點(diǎn)，如圖6(b)所示.

圖6 充電區(qū)域圖

自動(dòng)回充點(diǎn)上有兩個(gè)充電觸點(diǎn)，充電觸點(diǎn)具有磁性，而移動(dòng)機(jī)器人的充電觸點(diǎn)為可上下自由活動(dòng)的鐵片，如圖7(a)所示. 當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人的充電觸點(diǎn)移動(dòng)到自動(dòng)回充點(diǎn)的充電觸點(diǎn)下方附近時(shí)，自動(dòng)回充點(diǎn)的充電觸點(diǎn)會(huì)通過磁力，吸附移動(dòng)機(jī)器人的充電觸點(diǎn)，如圖7(b)所示. 此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人開始充電，同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人的充電觸點(diǎn)將通過光耦隔離的方式接入主控芯片的外部中斷引腳，當(dāng)系統(tǒng)開始充電時(shí)，該引腳被拉高，進(jìn)入中斷，讓小車停止向后移動(dòng)進(jìn)入充電狀態(tài)，同時(shí)等待下一次的環(huán)境數(shù)據(jù)采集.

圖7 充電觸點(diǎn)示意圖

4 環(huán)境數(shù)據(jù)采集機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

終端沿著所鋪設(shè)的軌道，通過紅外循跡方式行駛至待測點(diǎn)，在待測點(diǎn)停止，通過SHT11測量20次當(dāng)前的溫濕度，并分別去掉兩個(gè)最高值、最低值，再對(duì)剩下的值求出平均值. 同時(shí)將當(dāng)前的測試位置信息和溫濕度的平均值通過BC26模塊發(fā)送給中國電信IoT平臺(tái). 再判斷是否進(jìn)入最后一個(gè)測試點(diǎn). 如未進(jìn)入最后一個(gè)測試點(diǎn)，則行駛至下一個(gè)測試點(diǎn)繼續(xù)測試； 否則將行駛至充電區(qū)域進(jìn)行充電等待進(jìn)入下一次測試程序. 整個(gè)測試流程不需要人工參與，環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖如圖8所示.

圖8 環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖

測試數(shù)據(jù)由16個(gè)字節(jié)構(gòu)成，前兩個(gè)字節(jié)為報(bào)頭，報(bào)頭設(shè)置為0X0A,0X0A，第3、4個(gè)字節(jié)為當(dāng)前測試位置的編號(hào)，第5、6個(gè)字節(jié)為當(dāng)前測試位置的溫度信息，第7、8個(gè)字節(jié)為當(dāng)前測試位置的濕度信息. 溫度信息和濕度信息都只數(shù)據(jù)保留到小數(shù)點(diǎn)后一位，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)放大10倍以整數(shù)形式存入報(bào)文中. 9-16字節(jié)為保留字節(jié)，后期可以添加其他的環(huán)境參數(shù). 報(bào)文格式見表1.

表1 數(shù)據(jù)報(bào)文格式

如：在測試點(diǎn)1，測試出溫度值為35.2 ℃，濕度值為60.0%RH，則報(bào)文信息為：

0X0A,0X0A //0A0A為報(bào)文的報(bào)頭.

0X00,0X01 //測試點(diǎn)1轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制.

0X01,0X60 //溫度35.2轉(zhuǎn)為352，再轉(zhuǎn)為16進(jìn)制.

0X02,0X58 //濕度60.0換為600，再轉(zhuǎn)為16進(jìn)制.

0XFF,0XFF //保留值1無數(shù)據(jù)則填入0XFF.

0XFF,0XFF //保留值2無數(shù)據(jù)則填入0XFF.

0XFF,0XFF //保留值3無數(shù)據(jù)則填入0XFF.

0XFF,0XFF //保留值4無數(shù)據(jù)則填入0XFF.

系統(tǒng)采用BC26模組實(shí)現(xiàn)與服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行通信，MCU通過串行口與BC26模塊進(jìn)行交互，并通過AT指令集控制BC26與平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互. 系統(tǒng)通過OneNET作為數(shù)據(jù)服務(wù)端，并通過MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與服務(wù)器的通信. MQTT是基于訂閱模式的輕量級(jí)消息協(xié)議，其底層采用的是TCP/IP協(xié)議,為MQTT提供了可靠的基礎(chǔ).

OneNET平臺(tái)已經(jīng)將MQTT協(xié)議進(jìn)行封裝，產(chǎn)品在OneNET平臺(tái)上注冊(cè)后，平臺(tái)將會(huì)給產(chǎn)品分配獨(dú)立的注冊(cè)碼和ID，只需要提供這兩個(gè)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與平臺(tái)的對(duì)接.

BC26模塊在與數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)連接時(shí)，MCU需要通過串口向BC26模塊發(fā)送AT指令，首先通過“AT+NRB”指令實(shí)現(xiàn)BC26模塊的軟重啟，之后采用“AT+CMEE=1”讓模塊進(jìn)入簡報(bào)模式，接下來通過“AT+CFUN=1”打開模塊的射頻功能，同時(shí)需要通過“AT+CIMI”和“AT+CGATT=1”指令獲取物聯(lián)網(wǎng)卡的狀態(tài)和注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)，之后通過“AT+QIOPEN=1,0,”TCP”,”183.230.40.39”,6002,1234,1 ”建立模塊與OneNET平臺(tái)的連接，183.230.40.39為OneNET平臺(tái)的MQTT服務(wù)器，其端口號(hào)為6002，之后通過提交平臺(tái)分配的設(shè)備ID和設(shè)備注冊(cè)碼，就能實(shí)現(xiàn)模塊與平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互. 數(shù)據(jù)通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)與云端服務(wù)器建立通信初始化流程，如圖9所示.

5 數(shù)據(jù)服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)

云端采用OneNET中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議)進(jìn)行通信. 前端與平臺(tái)端必須先建立TCP連接，當(dāng)TCP連接建立完成后，通過MQTT的固定報(bào)文格式進(jìn)行用戶登錄，登錄成功后前端就能通過協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的訂閱與消息的發(fā)布.

在OneNET平臺(tái)上先注冊(cè)為開發(fā)者用戶，并在開發(fā)者中心創(chuàng)建項(xiàng)目，項(xiàng)目創(chuàng)建完成后添加設(shè)備. 在產(chǎn)品界面下記錄產(chǎn)品ID、設(shè)備的注冊(cè)碼和鑒權(quán)信息. 在系統(tǒng)終端登入時(shí)，配置好以上信息，云端就能夠通過獲取終端傳感器采集的數(shù)據(jù). 云端查詢數(shù)據(jù)情況如圖10所示。

圖9 通信初始化流程圖

圖10 平臺(tái)查詢數(shù)據(jù)

同時(shí)還能通過OneNet平臺(tái)提供的相關(guān)控件，編輯出適合網(wǎng)頁或手機(jī)端查看的界面，環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)手機(jī)端編輯界面如圖11所示. 根據(jù)終端傳感器采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)添加了室內(nèi)平均溫度、室內(nèi)最高溫度、室內(nèi)平均濕度和室內(nèi)最高濕度等數(shù)據(jù)方便用戶查看.

圖11 環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)手機(jī)端編輯界面

6 系統(tǒng)測試

將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集機(jī)器人在具體倉庫中進(jìn)行測試，機(jī)器人能夠沿預(yù)先布設(shè)軌道行駛，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定地點(diǎn)時(shí)能夠采集當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過BC26模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)端. 且數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性能夠滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)平臺(tái)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能通過系統(tǒng)平臺(tái)和移動(dòng)端展示出當(dāng)前倉庫的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)平臺(tái)端如圖12所示. 測試過程中，系統(tǒng)整體功能運(yùn)行穩(wěn)定.

圖12 環(huán)境數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)平臺(tái)端實(shí)時(shí)監(jiān)控

7 結(jié)語

為適應(yīng)老舊倉庫的溫濕度監(jiān)測問題，本系統(tǒng)提出了一種新的檢測方案，本方案由具有自動(dòng)回充功能的移動(dòng)機(jī)器人攜帶環(huán)境傳感器行駛至關(guān)鍵的測試點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，同時(shí)將每個(gè)測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)端，整個(gè)過程完全不需要人工參與.

本方案與當(dāng)前主流的在固定點(diǎn)放置環(huán)境傳感器的方案相比，在老舊倉庫改造方面，具有以下優(yōu)勢：

(1) 測試靈活，由于傳感器放置在移動(dòng)的平臺(tái)上，因此可以根據(jù)需求靈活地設(shè)置測試點(diǎn).

(2) 維護(hù)方便，當(dāng)采集設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，只需要單點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，而固定放置傳感器則需要到不同位置進(jìn)行維護(hù).

后期系統(tǒng)將通過在移動(dòng)機(jī)器人上增加伸縮結(jié)構(gòu)測試不同高度的環(huán)境數(shù)據(jù)，從而生成當(dāng)前倉庫的三維溫度場、濕度場圖，以讓管理人員更清楚地了解倉庫中各個(gè)區(qū)域的環(huán)境狀況.