基于无线传感器网络的工厂仓库管理系统设计

摘要：为实现工厂仓库的安全储存和智能管理，文章设计了一种基于无线传感器网络的仓库管理系统，该系统以STM32单片机为控制中心，依托传感器技术、GPS+北斗定位模块、4G通信模块实现了对仓库温湿度等环境状态的实时监测、环境异常的位置的自动定位与预警短信发送。经测试，文章设计的系统测量精度高、性能稳定，具有一定的应用价值。

关键词：工厂仓库；无线传感器网络；STM32；4G通信模块

中图分类号：TP277 文献标志码： A

文章编号：1009-3044（2024）31-0102-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

在新型工业化稳步推进的背景下，工厂的智能化、自动化发展可以提升生产效率，改善生产环境，降低生产成本。无线传感器网络作为促进工厂智能化、自动化发展的重要支撑技术，与工业生产深度融合，在数据的互联互通、生产环境的实时监测方面，表现出显著的优势。

文献[1]利用Hi3861模块、可燃气体传感器、温湿度传感器等设备设计了一种工厂可燃气体监测系统，实现了对工厂中的可燃气体的远程监测；文献[2]通过温湿度传感器、气体浓度传感器、大气压传感器实现对工厂中的相关环境信息的实时采集和查看；文献[3] 设计了一种可以采集生产车间PM2.5浓度、温湿度的监测系统；文献[4]基于Web和ARM处理器设计了一种室内空气质量监测系统；文献[5]通过NB-IoT实时测量纺织车间的温湿度、烟雾浓度，当监测到的数据超过设定的阈值时，系统可以进行报警；文献[6]利用传感器测量环境信息后经Wi-Fi网络传输到STM32 主控制器；文献[7]综合利用AT89C52 单片机、温湿度传感器、甲醛传感器、一氧化碳传感器、烟雾传感器对家居环境信息进行采集，并在液晶显示屏上显示。当采集的甲醛浓度超过阈值时，会触发系统报警；文献[8]以STC89C52单片机为控制中心，监测温湿度、天然气浓度、光照强度等环境数据；文献[9]设计了一种基于AT91SAM9G10 处理器的环境监测系统；文献[10]基于ESP8266实现了温湿度的监测；文献[11]利用温湿度传感器、广谱气体浓度传感器完成相关环境数据采集后，通过Mesh 网络进行传输。

作为工厂的重要组成部分，仓库内储存着生产需要的材料，保障仓库储存材料的安全，实现仓库的智能化管理是实现安全生产的重要前提。本文设计了一种基于无线传感器网络的仓库智能管理系统，可以对工厂仓库的环境状态实时监测、OLED显示屏查看、异常位置定位和预警的功能。

1 系统总体设计

系统包括3个部分，分别为环境感知端、控制端以及监控中心。环境感知端实现仓库内环境状态的采集和仓库异常情况的定位；控制端完成对环境感知端采集信息的接收处理与转发，并控制4G通信模块，通过LED模块显示采集的信息；监控中心实现环境状态信息查看及存储。系统的整体架构如图1所示。

系统启动后，首先控制端的ZigBee模块与环境感知端的ZigBee模块组建网络，接着环境感知端开始周期性采集仓库的环境信息，通过ZigBee网络发送到控制端，控制端接收完成后进行处理，最后控制端将数据传送到监控中心保存并显示。如果采集到的环境状态超过设定的阈值，GPS+北斗定位模块会将异常位置信息发送到控制端，控制端利用4G通信模块进行预警短信的下发。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计包括环境感知端和控制端，二者之间通过CC2531芯片组建ZigBee网络进行数据通信。CC2531集成了性能优越的8051微处理器、RF收发器，工作频率为2.4GHz，支持IEEE 802.15.4协议[12]。

2.1 环境感知端

环境感知端由温湿度传感器、光照强度传感器、酒精传感器、天然气传感器、一氧化碳传感器、氢气传感器、甲醛传感器和GPS+北斗定位模块、STM32单片机和ZigBee模块组成，完成仓库环境状态的采集，当出现异常时，利用GPS+北斗定位模块进行自动定位。

系统选用DHT22温湿度传感器采集仓库的温湿度，该传感器温度和湿度测量范围均广泛，温度测量精度为±0.5℃，湿度测量精度为±2%RH。对温度和湿度的测量准确度较高[13]。

光照强度测量选用GY-302数字光照强度传感器，GY-302传感器基于BH1750FVI芯片，采用3～5V 供电，内部集成16位A/D转换器，采集的数据通过I2C 总线接口传送到STM32单片机[14]。

MQ-3传感器采用的气敏材料为二氧化锡，通过仓库空气中的酒精与二氧化锡发生的化学反应，测量酒精浓度。MQ-3传感器体积小，性价比高，抗干扰能力强[15]。

系统选用MQ-4传感器实时采集仓库空气中天然气浓度信息。MQ-4传感器是一种性能稳定、可长时间使用的半导体气体传感器，工作温度是20±2℃，湿度为65%±5%RH，天然气浓度测量范围为300～10 000ppm [16]，可以满足系统监测天然气浓度的要求。

系统选用的一氧化碳传感器为MQ-7，该传感器对一氧化碳的灵敏度高，使用简单[17]。它的体积为32mm×22mm×27mm，使用的主要芯片为LM393，工作的环境条件为温度范围-10～50℃，相对湿度小于95%RH。

氢气浓度测量选用MQ-8传感器，它的电导率随着空气中氢气浓度的增加而增加，可以较灵敏地测量空气中的氢气浓度[18]。MQ-8 传感器的输出端与STM32的ADC接口相连，其输出的模拟数据经过模数转换后传输到STM32的微处理器处理。

系统选用小型甲醛传感器ZE08-CH2O测量甲醛浓度，它采用电化学原理测量空气中的甲醛浓度[19]。该传感器的工作温度为0～50℃，工作湿度为15%RH～90%RH，量程为0～5ppm，分辨率小于等于0.01ppm。

系统的定位方式为GPS和北斗双重定位，选用的定位模块为ATGM336H。该定位模块的定位精度为2.5m（CEP50），跟踪灵敏度为-162dBm，可实现多个卫星导航系统的联合定位。

环境控制端的STM32芯片选用STM32F103C8T6，闪存程序存储器容量为64KB，拥有多种通信接口。它将接收到传感器采集的环境状态信息和异常位置数据打包发送给ZigBee模块。

2.2 控制端

控制端由ZigBee模块、STM32和4G通信模块组成。ZigBee模块和4G通信模块与STM32之间通过串口进行数据通信。控制端的ZigBee模块和部署在不同仓库的环境感知端的ZigBee模块组建网络，接收各传感器测量的环境状态信息。STM32完成ZigBee无线通信网络的组建和管理，对环境感知端获取的环境状态信息进行处理，控制4G通信模块发送预警短信，控制端的STM32单片机选用的型号与环境感知端相同。系统选用SIM7600CE无线通信模块，它支持多种频段和无线网络制式，具有功耗低、性能稳定等优点，可以实现短信发送、高速数据传输等功能。

3 系统软件设计

系统的软件设计流程是首先上电完成软硬件的初始化，设定环境状态信息的阈值，然后控制端组建Zig⁃Bee网络，与环境感知端建立连接，接着环境感知端接收到控制端的命令后采集仓库中的环境状态信息，将采集结果与设定的阈值进行比较，根据比较结果判断是否进行定位，最后，环境感知端采集的信息通过Zig⁃Bee网络传输给控制端，控制端对接收到的数据进行显示，决定是否调用4G无线通信模块发送预警短信，并将数据实时传输给监控中心。系统的软件设计主要包括环境感知端软件设计和控制端软件设计。

3.1 环境感知端软件设计

环境感知端的程序主要完成对仓库的温湿度、光照强度、酒精浓度、天然气浓度、一氧化碳浓度、氢气浓度、甲醛浓度的周期性采集。环境感知端上电后，完成软硬件的初始化，配置系统的相关参数。ZigBee 模块进行网络搜索，当发现网络时，申请加入。当采集的环境信息超过设定的阈值时，STM32单片机调用GPS+北斗定位模块进行定位。不同类型的传感器将采集的数据发送给STM32单片机。如果接收到的传感器采集信息为模拟信号，STM32单片机利用ADC模块进行模数转换，得到相应的数字信号。STM32单片机以串口通信的方式将处理后的数据传输给ZigBee 模块，经ZigBee网络发送给控制端。环境感知端的流程图如图2所示。

3.2 控制端软件设计

控制端的程序主要完成网络组建、环境感知端采集数据的接收处理及实时显示、数据判断和4G无线通信模块的控制。具体的流程为上电后，控制端进行软硬件的初始化，完成系统参数的配置。控制端的STM32单片机向与其相连的ZigBee模块发送指令进行ZigBee网络组建，当检测到有环境感知端申请加入网络时，为其分配相应地址。ZigBee模块接收到的数据发送给STM32单片机，STM32单片机处理后在显示屏上显示环境感知端采集的数据，当STM32单片机接收到的数据中包含定位数据时，调用4G无线通信模块向相关监控人员发送预警短信。控制端接收的数据同步传输到监控中心。控制端的流程图如图2所示。

4 系统测试

为验证系统设计方案的可行性和测量结果的准确度，部署完成后，对系统进行测试。测试结果表明，本文设计的系统可以实时测量仓库内的温湿度、光照强度、酒精浓度、天然气浓度、一氧化碳浓度、氢气浓度、甲醛浓度，测量的结果可以在显示屏上实时显示并根据仓库中的环境状态变化情况进行动态更新。当采集到的环境状态信息超过设定的阈值时，系统可以及时通过4G无线通信模块向监控人员发送短信进行预警。如图3所示，系统采集的环境状态信息通过OLED屏翻页查看。

5 结束语

本文运用无线传感器网络设计的工厂仓库管理系统可以实时监测仓库中的环境状态数据，包括温湿度、光照强度、酒精浓度、天然气浓度、一氧化碳浓度、氢气浓度、甲醛浓度。当监测到的环境状态数据高于设定的阈值时，系统会及时下发短信给相关的监控人员进行预警。系统可以监测多种环境状态数据，使用便捷，为促进仓库的智能化管理提供了有力支持。

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【通联编辑：梁书】

基金项目：安徽省教育厅高校科学研究项目（2022AH052198） ；安徽省教育厅高校科学研究项目（2023AH052387） ；安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2021A1322）；芜湖职业技术学院校级科学研究项目（wzyzrzd202214）