打开文本图片集

摘  要：为了提高仓库环境管理的智能化和信息化水平，解决人工巡检效率低、监控方式落后等问题。基于OneNET物联网平台开发了一套完整的仓库环境监控系统。系统以ESP8266为核心，通过无线WIFI的方式将分布在仓库内不同位置的温湿度传感器、烟雾传感器、光线传感器、控制终端接入到云平台。运行在监控室PC上的客户端程序可以实现远程的集中监控和管理，监控终端根据既定的管理策略可以控制执行机构实现异常情况下的应急处理。为了便于随时随地进行监管，系统开发了手机端APP，可以实现完整的管控。通过测试运行效果来看，系统架构可行，功能完善，具体应用快捷高效。

关键词：OneNET；仓库管理；环境监测；ESP8266

中图分类号：TP399   文献标识码： A     国家标准学科分类代码：520.6070

0 引言

随着电商经济的快速发展，仓库成为了存放货物的重要场所，及时了解仓库的环境参数，并合理控制好仓库内的环境，是库房管理员做好货物存放的重要工作，同时仓库内环境参数的好坏也直接关系到货物的品质与安全。随着通信技术的发展，目前常见的仓库自动化管理方案是基于ZigBee或蓝牙等短距离通信技术和Internet来实现环境参数的远程监控和管理。但是ZigBee自组网设计复杂，终端接入和布控灵活性差，维护成本高。近些年，随着物联网技术的发展，以中移物联网、阿里云、百度云、腾讯云为主的物联网平台也得到了快速崛起，同时在众多行业中得到了实际应用。OneNET是中国移动物联网开放平台，提供了多种设备接入协议，为用户提供了终端设备和智能产品的快速接入和应用管理服务。本文以OneNET为接入平台，完成了整个仓库环境监控系统的软硬件设计，接入终端直接以ESP8266模块为通信和主控单元，通过WIFI网络接入平台，系统搭建高效，稳定安全，从而实现了仓库环境的实时监管。

1 系统总体设计

该系统的构成架构如图1所示。主要由数据采集（控制）终端单元、云端接入单元、用户远程管理单元组成。各单元通过互联网进行有效的数据交互。

1）数据采集（控制）单元包括环境参数采集终端以及控制终端两种类型的接入设备。采集终端主要完成各种环境参数的采集、处理及数据上传，同时会对采集的参数进行实时监控，对于超过预设阀值的参数，采集终端同时会向云端发送控制命令，从而启动对应的控制终端完成相应的应紧处置；控制终端主要是接收从云端发送过来的控制命令，通过启动相应的执行机构完成对某个外部设备的实时控制，如打开（关闭）排气扇、打开（关闭）电灯、打开（关闭）加湿器等。各类接入设备通过仓库全覆盖的WIFI热点接入到云端服务器。

2）云端接入单元以中移物联网的OneNET为接入平台，该平台支持多协议接入，同时平台集成了设备管理和应用集成工具，本系统采用MQTT协议将接入设备连入云端平台，从而完成对数据的记录和转发。

3）用户远程管理单元通过两种途径为管理者提供使用场景。一是通过智能手机端上的APP软件使管理人员不受地域限制，可以随时随地完成各个仓库的远程环境观测和控制。二是通过部署在管理机房PC机上的客户端软件实现对仓库的环境监测以及设备控制。

2 系统硬件实现

系统硬件电路的实现如图2所示，包括ESP8266最小单元、温湿度采集单元、光线采集单元、烟雾采集单元、继电器控制单元、电源电路等部分。

2.1 ESP8266最小单元电路

本系统选用的控制器是乐鑫公司的ESP8266EX处理器，该处理器专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用设计，内置了Wi-Fi协议栈，仅需很少的外围电路就可以完成WIFI网络的连接。同时内部集成了一个32位的超低功耗的Tensilica处理器、处理速度最高可以达到160Mhz，厂家提供的SDK工具包中已经移植好了实时操作系统，可将高达80%以上的处理能力留给开发者进行应用编程和开发，可以极大的降低硬件开发成本。ESP8266最小单元电路包括系统复位电路和程序下载口电路，其中J1和K1构成程序下载电路。系统终端设备的升级支持两种方式，一种是通过J1接口外接下载线配合按键K1完成线下升级；另外一种通过FOTA技术，完成远程线上的更新升级。

2.2 温湿度采集单元

温湿度采集单元采用了新型数字温湿度一体化传感器DHT11，该传感器内部集成了一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，同时内部处理单元已将测量的温湿度值已进行了处理并校准，通过双向单总线输出数字信号到外部单片机。本系统将DHT11传感器输出的数据通过单总线连接到ESP8266芯片的GPI12端口，在处理器内部通过总线通信协议的解析将DHT11测量的温度和湿度值取出。

2.3 光线采集单元

光线采集单元采用了两线式串行总线（I²C）接口的数字型光强度传感器BH1750，该传感器内置了16位的模数转换器，对环境光线采集后通过内部的数据处理后直接输出数字信号，该传感器可以探测的光强度范围是：1lx-65535lx。本系统将BH1750传感器输出的数据通过I2C总线连接到ESP8266芯片的GPIO4、GPIO5端口，通过ESP8266内部的集成的I²C控制器可以直接读出传器器BH1750转换出的光强数值。

2.4 烟雾采集单元

本系统烟雾采集传感器选用的是MQ气体传感器。MQ气体传感器可以探测的气体种类繁多，不同气体检测对应的传感器型号如表1所示。

本系统选用型号是MQ-2型烟雾传感器，其检测感应头的气敏材料主要是二氧化锡半导体，属于表面离子式N型半导体材料，正常工作时在感应头上吸附了空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使得半导体的电子密度减少，进而减小导电率，内阻R_s增加，当与检测的敏感气体接触时，感应头上形成的势垒受到敏感烟雾的调整发生变化，从而使导电率提高。MQ-2传感器工作时需要加热，其2脚和5脚为加热引脚，工作电压选取5V，R₈为限流电阻。1、3脚和4、6脚构成内部检测器件的内阻变化引脚，与外接电阻R10构成输出回路，传换成的输出电压接到ESP8266的2脚ADC输入端，通过内部进行模数转换。由于MQ-2工作输出电压范围是0V-5V，ESP8266 ADC单元的输入电压最高1V，因此MQ-2输出通过运放U₆构成的一个电压跟随器，再经过分压后输入到ESP8266 ADC单元。MQ-2内阻R_s与空气中被检测的气体浓度N之间的关系式如公式（1）所示：Log R_s=mLog N + n       （1）

式中：m、n均为常数，m为气体分离率；n为气体检测灵敏度；R_s为传感器内阻。m表示随气体浓度变化的传感器灵敏度；n随着传感器检测材料和气体种类不同而变化。同时传感器内阻也会受到测量温度和激活剂的影响。ESP8266获取到MQ-2的读数后，根据公式计算得到被检测气体的浓度N^'；计算得到的N^'需要进行校准，校准方法是根据电压与浓度标准曲线建立数据表，通过查表后可以得到与一个与实际浓度N非常接近的值。

2.5 继电器控制单元

继电器控制单元用于控制外接的执行机构。选用的继电器是5V电压工作的，常开触点可以控制的交流设备工作电压和工作电流分别是250V和10A。同时为了减少对处理器系统的干扰，控制端加入了光电耦合U₄进行隔离，继电器线圈在通断时会产生感应电动势，为了对驱动管进行保护，电路中加入了保护二极管D₁，用于在通断时对感应电动势进行释放。

2.6 电源电路元

系统供电采用Micro USB接口得到5V直流电压，由于ESP8266工作电压是3.3V，系统使用SY8088芯片进行电压转换，SY8088构成了一个工作频率在1.5Mhz的同步降压DC-DC电路，为ESP8266单元提供3.3V工作电压，同时输出电流最大可以达到1A。

3 系统软件实现

3.1 采集端软件设计

采集终端在安信可科技提供的一体化开发环境上进行开发，开发环境是基于Windows+Msys32+Eclipse+GCC的综合IDE环境，这个开发环境支持ESP8266 NONOS和FreeRTOS开发，图形化界面的开发环境提高了代码开发效率。采集终端的软件实现流程图如图3所示。

本系统使用官方提供的ESP8266_RTOS_SDK-V3.0.0开发包，应用程序的初始化在 user_main.c 中实现｡void user_init（void）是上层程序的入口函数，程序设计中首先在该函数内实现了硬件设备的初始化操作包括传感器上电初始化、ESP8266网络配置、OneNet云端设备连接配置；之后程序通过创建任务的接⼝函数 xTaskCreate（）创建两个用户任务：

xTaskCreate（task_control，"control"，256，NULL，2，NULL）;

xTaskCreate（task_set， "set"， 256， NULL， 2， NULL）;

task_control任务主要完成外接传感器的数据读取及处理，如果外接的是数字型传感器，通过调用单总线或I2C总线协议驱动完成数据的读取（主要针对温湿度传感器和光线传感器）；对于外接的模拟型传感器，程序通过ADC单元将转换后的数字信号读入后，经过滤波、计算、校准后得到测量值（主要针对烟雾传感器）。程序得到环境参数值后通过MQTT协议发送到OneNET云端，同时测量值与保存在存储器参数区的控制阀值进行比较，如果测量值超过设置的阀值，则程序控制本地继电器闭合，以打开相应的执行机构进行应急处理；也可以通过网络将控制信号发送到其它终端结点，控制其继电器闭合，同时程序通过调用OneNET的SMS服务API接口向指定手机端发送告警短信。之后程序进入异常处理单元，待异常信息由用户确认后或者异常解除后，程序又会自动进入到正常的监控流程。监控值如果在正常范围内则会延迟一个时间后再次进行监测。

task_set任务主要是接收OneNET端发送过来的环境参数设置值，并写入到本地的EEPROM存储区中，供终端设备每次开机时读取。

3.2 手机端APP设计

手机端APP采用App Inventor进行开发，App Inventor是一个完全在线开发的Android编程环境，目前支持众多常用控件以及乐高NXT机器人控件，开发环境使用积木式的堆叠法来开发Android程序，通过它可以快速完成手机端控制程序的实现。手机端APP的软件实现流程图如图4所示。程序使用MQTT客户端控件和Web客户端控件，在程序加载时完成两个控件的网络配置。程序实现上主要分为三个进程，分别是环境参数显示进程，主要完成通过Web客户端控件调用OneNET的Http协议API接口来实时获取由终端设备发送到云端的环境参数，并显示在手机界面上；远程控制开关进程主要是通过MQTT协议的订阅／发布方式来实现对控制终端的继电器进行开关的操作；远程更新参数进程，也是通过MQTT协议的订阅／发布的方式来实现远程参数的更新。本系统各个模块间的数据交互采用JSON格式进行封装，为了对每个终端设备进行唯一识别，在JSON封装格式中加入了DeviceAddr字段，DeviceAddr字段的实际取值为云平台为每个接入设备分配的设备号。

3.3 PC客户端程序设计

PC端软件在LabVIEW2018环境下进行开发，程序功能和流程类似手机端，主要通过TCP连接到OneNET服务器后，通过MQTT协议与云端进行数据交互，实现了网络连接、数据通信、环境参数显示、环境参数阀值更新设置等功能，同时PC端软件可以将数据进行统一下载并进行管理。

4 系统运行与测试

系统测试环境选取了一个40m²的仓库进行，首先分别在仓库大门上方、中央两个货架上方，仓库窗户上门安装了四个温湿度传感终端；光线传感器安装在靠窗户的货架上；烟雾传感器探头安装在仓库中央货架上；四个控制终端分别用来控制一组排气扇，一组照明灯，一个加湿器和一个风机。打开手机端APP，程序运行主界面如图5所示。

1）采集终端上电联网成功后，在手机采集界面中可以实时显示各个传感器的数据。

2）分别点击开关1到开关6，能够实现与控制终端相连的设备上电和断电操作。

3）设置每个传感器的阀值，点击更新阀值按钮上传。关闭APP后再次打开，可以读取更新后的阀值。

4）点击系统设置，在接收短信手机中输入告警手机号，对光线传感器进行强光照射，观察测量值，当超过设置阀值后，与光线传感器对应的控制终端继电器会吸合，控制外部用电设备上电工作，同时手机收到告警信息；光照恢复正常后，对应的控制终端继电器断开。

PC端控制程序测试过程同上，运行界面如图6所示。经过对各个功能模块的全面测试，整个系统功能运行正常，稳定，可以实现对仓库环境的实时监控和管理。

5 结论

本文以OneNET物联网开发平台为基础，构建了一个完整的仓库环境监控系统。参数采集终端和控制终端作为物联网的接入端，以目前常用的处理器ESP8266作为无线接入方案，通过本地WIFI连接到OneNET平台，以MQTT协议进行数据通信，本地监控终端即实现了参数的采集与上传，同时根据设定的阀值进行监控和告警；PC端软件可以实现远程的查看、参数设置以及远程控制；手机端监控软件可以完成随时随地的查看与控制，从而提高了仓库管理的效率以及仓库物品存放的安全性。后期系统将实现对更多常见传输协议的支持，以适配多种网络环境，同时完成更多环境传感器的接入，以实现更多环境参数的监控。

参考文献：

[1] 杨建卫，任晓莉.基于Zigbee的仓库环境检测系统设计[J].微型电脑应用，2018，34（9）：62-65.

[2] 田云臣，华旭峰.基于技术的仓库综合管理系统[J].河北工业大学学报，2009，38（3）：65-67.

[3] 金波，台毅柱，王逸乔，桑卫东.基于无线传感器技术便携式仓储管理系统的设计[J].传感器与微系统，2011，30（7）：79-81.

[4] 文晖.基于ZigBee的仓库智能环境监控系统设计[J].智能物联技术，2019，51（3）：55-58.

[5] 秦腾飞，葛广英，张如如，董腾，盛中华.基于物联网的仓库环境监测系统[J].现代电子技术，2018，41（10）：108-111.

[6]潘继强.基于DHT11的空气温湿度监控系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2014，10（21）：5105⁃5108.

[7] 陈思.基于OneNET的农业大棚物联网环境监控系统的研究与实现[D].辽宁：辽宁大学，2019：7-82.

[8] 单桂朋.基于OneNET平台的作物监测系统[D].安徽：安徽农业大学，2019：8-48.

[9] 陈浩.基于OneNET平台的小型泵站控制系统研究与实现[D].江苏：扬州大学，2019：5-16.

[10]李佳旺.基于ESP8266无线WIFI模块的交互装置作品的设计与实现[D].湖北：武汉音乐学院.2020：8-12.

[11] 王鹏辉，方素平，黎奇.基于ESP8266的低成本物联网连栋温室控制管理系统设计[J].中国农机化学报，2019，40（12）：53-58.

[12] 黄桂胜.结合Android和Arduino技术的微型四轴飞行器蓝牙通信实现技术[D].广东：广东技术师范学院，2018：11-36.

[13]覃传妹.基于LabVIEW的车牌识别小区智能门禁系统[D].广西：广西大学，2019：3-69.

[14] T. Thaker .ESP8266 based implementation of wireless sensor network with Linux based web-server[C]//Colossal Data Analysis and NETWORKING.IEEE，2016：1-5.

[15] Kodali R K，Soratkal S R.MQTT based home automation system using ESP8266[C]//IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference. IEEE， 2016：15-18.

作者简介：张林生，硕士，讲师，主要研究领域为物联网技术应用、嵌入式系统开发等。

张慧敏，博士，教授，主要研究领域为智能信号处理、通信工程设计、智能信号处理。