基于物联网的可视化仓库监管系统论文

发布时间：2022-11-29 11:11:20 文章来源：SCI论文网我要评论

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　　摘要：近年来，我国仓储物流产业发展迅速，仓库监管的安全性问题越来越重要。本文设计了一款基于物联网的可视化仓库监管系统。系统包括执行端、服务器端与微信小程序端。其中，执行端由主控芯片STM32F103和ESP32构成，通过多个传感器采集仓库内的温湿度、烟雾浓度、易燃气体和红外热矩阵数据，利用摄像头实时采集监控画面，并且能够实现对通风、灯光等的控制操作。服务器端使用阿里云服务器，通过在云服务器和本地路由中搭建Frp(快速反向代理)项目，实现客户端与路由器之间的P2P(点对点)数据传输。仓库管理人员通过微信小程序能够实时查看各个仓库内的检测数据、监控画面和仓库3D模型，进而能够第一时间定位灾情或警情。测试结果表明，本设计可以满足大部分仓库安全管理的要求，并且成本较低，可扩展性较高，具有广阔的发展前景。

　　关键词：物联网；单片机；点对点传输；远程监控；微信小程序

　　IoT-based visual warehouse supervision system

　　Zhao Cong,Dou Yongmei,Yan Wenda

　　(Yuncheng College,Yuncheng Shanxi,044000)

　　Abstract:In recent years,my country's warehousing and logistics industry has developed rapidly,and the safety of warehouse supervision has become more and more important.This paper designs a visual warehouse supervision system based on the Internet of Things.The system includes an execution end,a server end and a WeChat applet end.The execution end is composed of the main control chip STM32F103 and ESP32.The temperature and humidity,smoke concentration,ﬂammable gas and infrared heat matrix data in the warehouse are collected through multiple sensors,and the camera is used.Real-time collection of monitoring images,and control operations such as ventilation and lighting can be realized.Alibaba Cloud server is used on the server side,and the Frp(fast reverse proxy)project is built in the cloud server and the local router to realize P2P(point-to-point)data transmission between the client and the router.Through the WeChat applet,the detection data,monitoring images and warehouse 3D models in each warehouse can be viewed in real time,which is convenient for locating the disaster or alarm situation at theﬁrst time.The test results show that this design can meet the requirements of most warehouse safety management,and has low cost,high scalability,and broad development prospects.

　　Key words:Internet of things;single chip computer;point-to-point transmission;remote monitoring;WeChat applet

　　一、引言

　　面对我国日益庞大的电子商务体量，仓储管理逐步向智能化和信息化方向转型[1]。安全管理是仓储管理中十分重要的一环。物联网的兴起给智能仓储技术的发展提供了新的契机。企业有必要利用各种先进的网络与信息技术，改进目前的仓储管理模式，降低管理成本，提高管理效益，以此在激烈的市场竞争中抢占更多份额[2]。因此，研究基于物联网的智能仓储管理系统具有重要意义和价值。仓库管理员通过布放在仓库中的传感器装置，能实时精确地采集仓库环境数据，如仓库温湿度、易燃气体浓度等。同时，将仓库环境数据与虚拟仓库结合起来，能使仓库管理员不仅可以在任意时间、地点和视角查看仓库的环境数据和监控视频，还可以实现远程控制通风、开关灯等操作。另外，局部红外线测温仪可检测到外来人员的入侵，触发自动报警，提醒工作人员及时处理问题，进而大幅提高仓库的效率，加强智能化安全管理。

　　二、整体方案设计

　　该系统主要由三个部分组成，分别为执行端、服务器端与微信小程序端。执行端由STM32F103单片机和ESP32物联网模块组成，其利用高性能的双处理器可配合完成视频监控、传感器数据采集、上传及控制继电器开关等功能。其中，传感器包括温湿度传感器、易燃气体传感器和烟雾浓度传感器。传感器与STM32单片机连接，摄像头则直接连接到ESP32上，能有效减少两个处理器通信的数据交换量。服务器端由Frp网关与服务器组成。服务器采用阿里ESC云服务器，在服务器及Frp网关上搭建Frp内网穿透项目赋予执行端P2P通信能力[3]。小程序端使用JavaScript开发，并调用Three.js 3D引擎库，赋予小程序展示3D模型的能力。整体方案设计如图1所示。

　　图1整体方案设计图

　　三、硬件设计

　　(一)单片机系统

　　本设计选择了STM32和ESP32双单片机系统。STM32与ESP32通过串口连接，STM32最小系统由STM32芯片、电源电路、晶振电路与复位电路组成。ESP32单片机采用集成的ESP32-CAM开发板，该开发板上集成了一个OV2640摄像头，能极大限度地降低布局布线难度。

　　(二)传感器系统

　　温湿度传感器使用SHT20传感器，该传感器支持I2C通信，具有14位的高精度数据采集能力，温度测量范围是-40—125℃，湿度测量范围是0%—100%HR。烟雾传感器和易燃气体传感器分别采用MQ-2和MQ-4传感器。STM32的AD转换精度是12位，可以高精度采集烟雾浓度和易燃气体浓度。红外热矩阵传感器采用AMG8833传感器，可以返回8×8位的热量阵列。人体检测距离高达7米远，温度测量范围是0—80℃。摄像头OV2640可以实现1080P分辨率、30FPS的画面输出，最高支持1600*1200像素的拍照留底图片输出。ESP32容量较大，内部RAM容量为512KB，外部扩展PSRAM容量为4M，因此，可直接使用ESP32读取图像数据。

　　(三)控制系统

　　控制系统采用宏发HF46F-005继电器，该继电器体积小且性能高，可以承受交流250V、5A电流，直流30V、5A电流。为了提高可扩展性，控制系统设置了4路继电器，分别控制风扇和电灯，后续还可添加新的大功率器件。STM32的最高工作电压是3.6V，继电器的工作电压是5V，因此采用三极管做开关电路，负责向继电器提供5V电压。

　　四、软件设计

　　(一)STM32程序设计

　　当STM32复位时，首先会判断ESP32物联网模块是否在线，如果在线，就会读取各个传感器数据，并将其打包为JSON格式将数据包发给ESP32物联网模块，然后判断串口缓冲区是否有数据；如果有数据传回，就判断控制哪一个继电器接通或者断开。STM32程序设计流程图如图2所示。

　　图2 STM32程序设计流程图

　　(二)ESP32程序设计

　　当程序开始运行时，其首先会判断STM32是否在线，如果在线，则初始化HTTP网络协议栈，并创建视频传输任务，读取STM32打包好的JSON数据，将数据传输到客户端[4]；如果客户端有数据回传，就将该数据传输回STM32单片机。ESP32程序设计流程图如图3所示。

　　(三)Frp项目运行过程

　　路由器端Frp项目启动时会向Frp服务器发送请求并建立连接。当微信小程序发送HTTP请求时，Frp项目会在微信小程序和Frp路由器之间直接建立连接，使小程序和Frp网关直接通信[5]。微信小程序即可直接将控制指令发送到执行端，执行端也可以将传感器数据与摄像头数据直接发送到微信小程序。此流程的优势是无需使用服务器转发数据，减少了服务器的数据吞吐量。Frp运行流程图如图4所示。

　　图3 ESP32程序设计流程图

　　图4 Frp运行流程图

　　五、结语

　　本系统采用P2P技术作为技术支柱，视频传输时无需经过服务器这一中转站，这大幅减少了服务器运行时的工作量和服务器的数据吞吐量。这样一来，服务器带宽量即使有限，也可正常传输视频等数据。另外，执行端上集成了继电器控制系统，这使系统不仅具备视频传输和传感器数据传输的功能，还具备远程控制的功能。测试结果表明，该系统工作稳定，微信小程序工作正常且内存占用较小。小程序工作界面如图5至图8所示。该可视化监控系统具有良好的发展前景，后续将进一步优化升级，增加物联网模块OTA远程无线升级固件的功能，方便后期开发新功能和升级版本、增加传感器数量、完善微信小程序功能。