基于物联网的智能运输车辆控制系统设计与实现

穆天 曹清源

摘 要：针对仓储管理系统智能化的需求，文中设计了一款基于物联网的智能运输车辆控制系统，并介绍了系统的组成和工作原理。设计的运输车辆、控制系统以及上位机软件可以实现车辆的自主运行以及运输车辆与控制系统协同工作的功能。该系统具有自动化程度高、功耗低、性能可靠、运行稳定等特点。

关键词：仓储；运输车辆；自动控制；射频识别；蓝牙

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

随着物联网技术的日趋成熟，在仓储管理系统中引入无线射频识别（RFID）技术[1-3]，通过扫描贴在每个货物上的电子标签完成对货物出入库的跟踪管理；同时利用互联网技术、蓝牙通信技术以及微处理器技术实现对仓库存储状态的实时采集；对进入仓储管理区域中的运输车辆进行运行引导，从而高效提升企业智能运输车辆控制系统的综合效益[4-8]。

仓储运输车辆管理控制系统是在无人工干预的情况下，为运输车辆导航，使运输车辆安全到达指定位置。运输车辆行驶至入口处，采集货物信息并与数据库中的信息比对。本系统使用RFID技术读取运输车辆承载货物的详细信息，通过蓝牙向运输车辆发送运行指令，实现运输车辆的自主运行。

1 仓储管理系统工作流程

系统工作流程如图1所示。使用印刷电路板（PCB）作为运输车辆的主体承载平台，在其上方安装一层有机玻璃板用于放置货物。运输车辆使用两个与车轮直接相连的微型直流电机作为动力来源，在该车辆后部安装一个万向轮用于维持车体平衡。运输车辆在指定车道内循迹行驶，且能够实时检测本车与前车间的距离，当与前车的距离小于安全车距时，运输车辆减速，避免与前车相撞。在运输车辆行驶过程中，车载蓝牙始终开启并处于接收状态，实时接收控制中心发送的指令，车辆依照指令运行。当运输车辆行驶至道闸处时，道闸侧面安装的RFID读写器能够识别车载货物的信息，并将信息上传至控制中心计算机，计算机将获得的信息与既有数据库中的信息进行比对，若比对成功则向道闸发送成功信息，栏杆自动抬起，道闸通过蓝牙向运输车辆发送停放位置，运输车辆驶入后数据库信息被更新；若比对失败，栏杆保持落下状态，道闸向当前的运输车辆发送禁止驶入的信息，运输车辆接收到该信息后掉头驶离。

2 运输车辆设计方案

2.1 车辆硬件设计方案

运输车辆由载台和底盘两部分组成。载台是定做的透明有机玻璃板，通过铜柱安装在车辆底盘上。底盘为车辆控制核心电路板。该电路板集成了微处理器、调试接口、开关、电池插口、纽扣电池底座、稳压电路、电机驱动、电机安装口、避障传感器、红外光电传感器及相应的信号处理电路，并留有蓝牙模块的接口，还包括车辆正常工作需要的其他外围电路。底盘上安装有6个发光二极管（LED）作为状态指示灯，还有2个数码管专用于显示车辆编号，使运输车辆具有良好的人机交互功效[9]。

全车的电能均来自一块容量为2 600 mA的锂电池，可通过独立的稳压芯片向全车各模块供电。其中，LM2940提供稳定的5 V电源，向全车各传感器模块供电；AMS1117-3.3提供3.3 V电源，向控制器和无线通信模块供电；78M05和78M06用于向电机提供工作电流。全车各稳压芯片独立工作，互不干扰，可保证系统供电的稳定性。

MCU采用意法半导体公司生产的STM32系列微处理器，该处理器使用来自ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核， 该内核专门用于高性能、低功耗及对成本较为敏感的嵌入式应用场合，因此STM32系列处理器[10，11]是本系统的最佳选择。

本系统选用额定电压为6 V，转速为30 r/min的n20小型电机。电机驱动器使用ST公司的L298P芯片，该芯片工作电压最高可达46 V，持续工作电流为2 A，已完全满足运输车辆驱动电流的需求。封装为贴片形式，具有便于焊接安装、外围电路简单、性价比高等优点。该芯片可以驱动两台直流电机。电机驱动电路如图2所示。

运输车辆与道闸控制系统采用蓝牙通信协议进行通信，软件协议采用自主设计模式，硬件电路采用自主设计的传输模块，通过排针与排座将其安装在运输车辆及道闸控制系统的电路板上。蓝牙模块采用基于CC2540芯片的解决方案，使用蓝牙4.0协议，传输速率达1 Mb/s，若采用外置天线，传输距离可达到100 m。其传输速度与传输距离均能满足本设计的需求。

避障模块使用市面上流行的E18-D50NK光电传感器，其有效距离为3～50 cm，输出信号为数字信号，可广泛应用于机器人避障、流水线计件等场合。该传感器通过专用支架固定在车辆底盘的PCB上，安装方便，工作性能稳定。

用于实现车辆寻迹行驶功能的传感器使用TCRT5000反射式红外光电传感器。该传感器尺寸小，灵敏度高，抗干扰能力强，能够满足本设计运输车辆的需求。光电传感器电路如图3所示。

2.2 运输车辆工作过程

运输车辆沿标记的路径行驶，当车辆偏离路径时能够自动纠正；当车载红外光电传感器检测到转弯标记时可根据指示转弯；当检测到停车线时停车，准备接收道闸控制系统发送的信息。当道闸发送允许信息时，运输车辆等待栏杆抬起后继续前进；当道闸发送禁止信息时，运输车辆自动掉头返回，行驶至停车区停车。运输车辆工作过程如图4所示。

3 道闸控制系统设计方案

3.1 道閘控制系统硬件设计方案

道闸控制系统由安装在透明有机玻璃板上的独立模块构成，包括控制器主板、液晶显示器、蓝牙模块、步进电机、电机驱动模块和射频卡读写器。整个系统由一块锂电池供电，该锂电池与运输车辆使用的锂电池完全相同，此处不再赘述。

主板的核心处理器为意法半导体（ST）公司生产的STM32系列微处理器STM32F103ZET6。这款处理器拥有144个引脚，72 MHz的主频，512 kB Flash，64 kB RAM，并拥有多达80个通用输入、输出端口（GPIO）。该处理器外设资源丰富，处理速度快，抗干扰能力强，能够完全满足本项目道闸控制系统的需求。

主板上留有调试接口、液晶显示器接口、无线通信模块接口和SD卡接口，将全部GPIO通过排针引出，便于连接。主板上还集成了电源插座、稳压芯片（5 V和3.3V）、用于RTC的纽扣电池、红外遥控接收头和必要的外围电路。道闸控制系統的液晶显示器和蓝牙模块直接安装在主板上，其他模块通过导线和主板连接。

显示器选用薄膜晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）。

步进电机选用两相四线的42BYGH步进电机，该步进电机扭矩大，安装方便，且与选用的步进电机驱动器相匹配。使用该型号步进电机能够完全满足本设计的需求。

射频读卡器选用购买的成品MFRC-522模块。该模块被广泛应用于各类射频识别场合中，其供电电压为3.3 V，通过SPI接口直接与用户MCU主板相连接通信，具有工作可靠、读卡距离远、抗干扰能力强等特点。射频读卡器与MCU连接关系如图5所示。

3.2 道闸控制系统工作过程

道闸控制系统工作过程如图6所示。MCU通过射频读卡器连续检测当前卡的状态。当检测到有卡后，MCU获取卡片信息，将其发送至上位机软件中，若获得的反馈信息为允许通过，则蓝牙模块向运输车辆发送通过信息，同时步进电机带动栏杆抬起，待车辆通过后道闸落下，射频读卡器继续检测卡状态；若卡片代表的信息为禁止通过，则蓝牙模块向运输车辆发送禁止信息，运输车辆掉头返回，栏杆保持落下状态。

4 计算机软件简介

本项目涉及的计算机软件设计方案如下：通过LabVIEW绘制前面板，构成程序主界面。主界面第一行显示当前最新的货物进出动态。第一行上方的选择栏设定当前使用的串口号，通过串口与道闸通信。第一行下方列表显示历史数据。当道闸检测到货物时，将货物信息通过串口发送至计算机处，由计算机软件判定是否允许货物进入，并将当前编号、系统时间、货物信息、状态等显示在前面板上。若货物允许进入，则向道闸发送允许信息；反之则发送禁止信息。程序运行时前面板如图7所示[12-14]。

5 结 语

本文基于物联网技术、蓝牙通信技术以及微处理器技术，设计了一个智能运输车辆控制系统，并通过硬件模块、软件模块的选取进行实验操作。实验结果表明，在无人工干预的情况下，该系统能够为运输车辆导航，使运输车辆安全到达指定位置，具有自动化程度高、功耗低、性能可靠、运行稳定等特点，具有较大的实用价值。

参考文献

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