倉庫作為企業存放物資的地方, 關系著公司職工的生命安全和公司的經濟利益。每年, 倉庫火災造成的經濟損失和人員傷亡都是無數的。據統計, 倉庫火災數量占全年火災總數的21.76%, 造成重大人員傷亡和巨大經濟損失。倉庫智能小車通過對倉庫中溫濕度, 氣體濃度等數據進行采集, 幫助倉庫管理人員提前做好防備, 降低倉庫火災發生的可能性。由于倉庫的面積較大, 人工檢測的成本較高, 且采集的數據不夠精確, 利用倉庫智能小車對倉庫內溫濕度, 氣體濃度進行采集, 既減少人力成本又提高數據的精確程度。本文利用Arduino及其擴展板研究設計一個可以完成檢測倉庫溫濕度, 氣體濃度的倉庫智能小車。

圖1 倉庫智能小車硬件電路結構圖  下載原圖

倉庫智能車配備Arduino及其擴展板, 超聲波傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器, 輪胎采用橡膠輪胎, 并通過電機進行驅動, 保證小車行駛的穩定性和速度的可控性。倉庫智能小車硬件電路結構如圖1所示。

為保障倉庫智能小車在無上位機控制時能夠自主行駛, 本設計采用紅外傳感器實現自主避障。紅外避障傳感器有一對紅外發射管和接收管, 發射管發出一定頻率的紅外線, 當檢測方向遇到障礙物 (反射表面) 時, 紅外線被接收管反射回來并被接收管接收。GP2 D120 X的測量范圍為4～30cm, 常被用于智能硬件領域的視覺系統中, 因此, GP2 D120 X紅外傳感器可以幫助自主行駛小車更準確地避開障礙物。

為了確保倉庫智能車測量的溫度和濕度數據的準確性, 使用DHT11溫度和濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器具有校準數字信號的功能, 響應速度快, 抗干擾能力強, 性價比高, 它可以保證測量數據具有高可靠性和長期穩定性, 體積小、功耗低, 便于攜帶。

采用MQ9煙霧傳感器測量倉庫內的氣體濃度, MQ9煙霧傳感器對一氧化碳, 甲烷和液化石油氣非常敏感, 它采用了SnO2敏感材料, 通過循環高低溫進行檢測, 低溫時檢測CO, 高溫時檢測甲烷, 丙烷等可燃氣體, 并且能夠自動清除低溫下吸附的其他氣體。

為保證倉庫智能小車與上位機之間穩定的通信, 通過比較藍牙、紅外和WIFI控制的優缺點, 最終選用WIFI Bee-ESP8266芯片實現無線通信。WIFI BeeESP8266芯片可用于擴展Arduino, 實現無線數據傳輸及遠程控制, 芯片的片上處理和存儲能力十分強大, 內置32位處理器和Lwip協議棧并支持AP+STA模式共存。采用XBEE造型設計的串口轉WIFI的設計模式, 體積較小。

倉庫智能小車使用RomeoV2開發板做為主控板, 實現環境檢測系統、自動避障系統和通信系統等各個模塊功能。系統總體設計流程圖如圖2所示。

圖2 倉庫智能小車系統總體設計流程圖  下載原圖

倉庫智能小車環境檢測系統主要包括溫濕度檢測和氣體濃度檢測。

系統上電后, 先判斷DHT11溫濕度傳感器是否工作正常, 若不正常則返回錯誤信息, 反之, 則執行指令返回所采集的溫濕度數據。氣體濃度檢測, 采用MQ9煙霧傳感器模塊, 可以將0到5V之間的輸入電壓轉換為0到1023之間的整數值, 根據其返回的數據可以分析出空氣中一氧化碳等氣體的濃度。溫濕度檢測具體的代碼分析如下:

自動避障系統主要采用GP2D120 X紅外傳感器實現, 可探測前方4～30cm距離的物體。GP2D120 X紅外傳感器的舵機不停的以0～180°反復擺動, 在檢測到前方大概6cm處有障礙物后, 傳遞信息給Romeo V2主控芯片, 控制小車自動轉向避障。具體的代碼分析如下:

通信系統, 是為了實現倉庫智能小車與上位機之間的通信, 采用ESP8266芯片, 使其在AP模式下工作, 利用上位機來連接ESP8266開啟的AP熱點, 完成實現倉庫智能小車與上位機之間的通信。

利用ESP8266開啟一個AP (接入點) , 并創建一個服務器, 當有設備連接時, 服務器發送握手成功信息給接入的設備, 并將上位機發送的指令傳遞給Romeo V2控制器, 由Romeo V2控制器來控制倉庫智能執行相應的動作。關鍵代碼分析如下:

為了能夠對智能倉庫小車行駛路線進行控制, 在手機移動端, 開發了基于Andriod平臺的“WIFI小車”APP?！癢IFI小車”APP具有控制小車的移動和接收小車的環境數據的功能。主要代碼如下:

(1) 發送控制指令模塊:

(2) 接收小車上傳的消息模塊:

完成倉庫智能小車的硬件連接與系統設計后, 對倉庫智能小車進行功能測試, 測試結果如下:

(1) 上位機與倉庫智能小車的能否連接成功, 測試結果如圖3:

圖3“WIFI”小車運行測試圖  下載原圖

(2) 倉庫智能小車能否采集到溫濕度數據并檢測可燃氣體是否超標, 測試結果如圖4所示:

圖4 氣體濃度超標時所采集的數據  下載原圖

(3) 倉庫智能小車在自動行駛模式遇到障礙物時能否避障行駛, 避障測試結果如圖5所示:

圖5 倉庫智能小車自動避障圖  下載原圖

經檢測, 倉庫智能小車在自動行駛模式下能夠成功避開所有障礙物并正常行駛。在非自動行駛模式下, 上位機可以控小車正常行駛并且準確采集環境中的溫濕度數據和氣體濃度數據, 同時判斷此時可燃氣體濃度是否超標。因此, 倉庫智能小車通信系統, 自動避障系統, 通信系統, 環境檢測系統均能正常工作, 完成設計目標。

將由紅外避障傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器和Arduino及其擴展板構成的智能小車應用到倉庫中, 是智能機器人應用到工業生產的一種體現。倉庫智能小車取代人工測量倉庫中環境數據, 成本低且精確度高, 控制過程簡單便于操作, 同時可以加以改造應用于其他工業智能作業領域中。當然, 倉庫智能小車還有些不足之處, 比如當檢測到可燃氣體超標時能否準確找到著火點, 并將位置信息傳送給上位機, 通知倉庫管理人員。

下一步將為倉庫智能小車設計一個GPS定位系統, 實現對小車的實時定位, 使倉庫管理人員在倉庫著火時, 快速到達著火點進行撲火, 減少經濟損失, 提高安全保障。同時研究多性能的小車針對存儲不同貨物的倉庫, 綜合各種因素為倉庫提高更加自動化, 實用化的倉庫智能小車。