基于长线1-Wire的仓储货架并行测温系统设计

2021-11-30 11:28| 发布者: www.daoteng56.com/| 查看:

摘要: 在物流行业中,仓储系统是其重要的一个环节,环境温度需要时时监测,以保证货物的质量,由于物流仓储使用的货架体积大,存储与管理的货物批量大、品种繁多,使用常规的人工监测方法耗时耗力,利用1-wire总线技术设计一种长线并行测温系统,进行集中式实时温度监测,精确到各种货物的具体储存点,减少人力资源投入,提高 ...

1.背景

物流过程中,货物的储存是一个重要的环节,一个仓库或配送中心的成败很大程度上取决于其货架系统的效率[1]。仓储货架大多采用立体结构,体积庞大,需要满足大批量、品种各异的货物存储和管理。为了保证各种货物的存储质量,经常需要监测其环境温度、湿度等指标,使用常规的温度计、湿度计查看方法,虽然设备成本低廉、方案简单,但是需要投入人力资源,而且经常不能保障监测的实时性和准确性。一旦货物存储的局部环境温度发生变化,管理人员很难及时发现,则会给存储货物,特别是对温度敏感的货物带来较坏影响,降低储存质量。为了解决此类问题,设计一种适合物流仓储环境的温度监测系统,并行测量仓储环境中各个存储地点的实时温度,提高测量的准确性和监测效率,保证存储物资的质量。

2.1-wire基本原理

1-wire总线(即单总线)是Dallas半导体公司设计提出的多设备间通信的一种总线规范,它规定了设备之间仅利用一根数据线进行数据通信的协议,1-wire总线适用于长距离的低速率数据传输,经常应用在低成本设备之间的通信环境中。数据在1-wire总线上的传输只需一根数据线加一根地线,该数据线负载能力强,比基于两线的I2C总线和三线的SPI总线的硬件连接更简单、性能稳定、抗干扰性能好,并且在同一数据线上可以共存多路高速通信,所以1-wire总线技术在现场总线技术方面得到越来越广泛的应用[2]。由1-wire设备可以组成称之为微域网(MicroLAN)的网络,其中的每一个1-wire设备具有唯一的标识符,这些设备分为主机设备和从机设备,主机设备只有一个,可以是PC主机或者主控制器芯片,从机设备可以有多个。所有设备的供电和数据传输都是通过这一根数据线完成,主机设备负责给从设备提供电源,同时负责发起通信、仲裁各从机设备之间同时通信的冲突。所有的通信协议都由嵌入到设备中的软件实现。1-wire协议重点规定了主机设备发现从机设备、控制所有设备之间通信的关键时序。主要时序包括:初始化时序、读数据时序和写数据时序。

3.并行测温硬件设计

物流物资的仓储,大多利用的是货架的方式,与一般仓库储存有着很大的区别。物流行业的特殊性,在选择仓储货架是需要综合考虑如下细节:存储密度、出货精度要求等[1]。其中为了尽可能大的满足存储密度高的要求,货架一般都具有体积大、层数多的特点。因此,采用并行多点测温方式,能够更好的符合仓储特点。测温硬件系统分为两个部分:前端采集模块和后端处理模块。前段采集模块使用1-wire器件DS18B20数字温度传感器,后端处理模块采用STC89C52单片机。根据采集点的数量,确定前端采集模块的个数,模块之间连接采用并行拓扑结构。DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1-wire器件,具有线路简单,体积小的特点[3]。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线上可以连接很多这样的数字温度计,十分方便。具体特点包括:
(1)只要求一个端口即可实现通信。
  
表1 DS18B20详细引脚功能描述  下载原图


表1 DS18B20详细引脚功能描述
(2)每个器件具有独一无二的ID序列号。
(3)不需要外部任何元器件即可实现测温。
(4)测量温度范围在-55oC到+125oC之间。
(5)数字温度计的分辨率从9位到12位。
(6)内部有温度上、下限告警设置。
DS18B20的封装为TO-92,引脚分布十分简单,只有3个引脚,见表1。因此,并行测温系统的硬件连接十分简单,多个DS18B20器件和AT89S52单片机的数据口同时挂接到同一根数据线上即可。但有实验表明,非切换型星形网络拓扑(在主机端有多个分支)的可靠性很难保证,不同分支的节点在主机设备端造成较大的阻抗失配,再加上从分支末端造成的反射,反射信号所经过的路程几乎和网络总长相等,从而导致误码[4]。因此硬件系统连接拓扑采用切换型星型结构,这种网络在物理连接上是星型拓扑网络,而在逻辑连接上却等同于直线拓扑,切换采用数字开关控制。通常1-wire网络的半径(即主机设备距离支路最远从机设备的距离)不超过750m。具体见图1所示。
图1 硬件连接拓扑图图1 硬件连接拓扑图  下载原图
 
系统连接使用5类铜缆双绞线,主机设备提供5V总线电源为1-wire网络供电。连接网络的分支与1-wire总线连接时,在每一个传感器节点处都会产生阻抗失配,会对网络上的其它设备造成影响,所以为了降低失配程度,在支路上串联一个150欧或100欧的电阻。

4.软件设计

1-wire总线协议方式,用一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89S52单片机来说,硬件上并不直接支持单总线协议,因此,需要利用软件模拟实现单总线的协议时序来完成对多个DS18B20传感器的访问。每一个DS18B20传感器芯片都具备一个唯一的ID序列号,在软件设计中可以利用芯片的ID序列号区分测量值对应的测量地点。DS18B20在一根I/O线上读写数据,对读写的数据位有着严格的时序要求,它有严格的通信协议来保证数据传输的正确性和完整性。此协议定义了信号时序:初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主控制器作为主机设备,单总线器件传感器作为从机设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机设备主动启动写时序开始,如果要求从机设备回送数据,在进行写命令后,主机设备需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20在完成一个读时序过程,至少需要60us才能完成。DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后,在15秒之内释放单总线,以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。DS18B20写0时序和写1时序的要求不同,当要写0时序时,单总线要被拉低至少60us,保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平,当要写1时序时,单总线被拉低之后,在15us之内释放单总线。DS18B20的复位时序、读时序和写时序示意图具体可见文献[3]。多个温度传感器的采集软件控制流程见图2所示。
图2 软件设计流程图图2 软件设计流程图  下载原图
 

5.结束语

仓储货架是物流系统中的一个必要环节,存储着大量的、品种各异的物资,货架的各个节点储存的物资并不一定相同,各种物资对温度的敏感程度也各不相同,在实际存储的过程中,能够实时准确的监测到各个存储节点的温度值,这对与保证物资存储质量有很大影响。基于1-wire总线设计多点温度实时测量,成本低廉,构建简单,适用于大部分货架场合。