基于物联网的智能运输车辆控制系统设计与实现

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 道闸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 3.3 V）、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 控制系统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。