一種應(yīng)用在叉車上的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計

紀(jì)弘陽 張鳳濤

摘 要：本文為解決當(dāng)前中小企業(yè)生產(chǎn)車間內(nèi)如何提高叉車駕駛員搬運貨物效率的問題，提出一種基于ATMEGA8L單片機和CC1100無線通信模塊，組成一個小型的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計方案。在保證系統(tǒng)可靠通信的情況下，可以為叉車駕駛員節(jié)約取貨時間，減少叉車行駛距離，降低搬運過程中的運營成本，大幅度提升搬運效率的同時，又可保證通信系統(tǒng)擴展的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：單片機；無線通信模塊；星形網(wǎng)絡(luò)；通信系統(tǒng)擴展

一、設(shè)計背景

當(dāng)前，許多中小企業(yè)的生產(chǎn)車間內(nèi)，叉車成為貨物運載的主要交通工具，而倉庫與生產(chǎn)線往往位于車間的兩端，叉車駕駛員首先需查看哪一條生產(chǎn)線上有貨物下線，然后使用叉車將貨物搬運到幾百米遠(yuǎn)處的倉庫內(nèi)，接著再一次返回到生產(chǎn)線上查看哪條生產(chǎn)線上有貨物下線……周而復(fù)始，不斷地重復(fù)這樣的工作。在此過程中，假設(shè)有5條生產(chǎn)線，駕駛員需要不斷的對5條生產(chǎn)線進行輪詢，時間、油耗、行駛路程都會大大增加，工作效率低是目前叉車駕駛員最大的困擾。

為此，本設(shè)計采用433MHZ的CC1100無線通信模塊、ATMEGA8L單片機、光電開關(guān)、LED顯示等器件，采用自定義的通信協(xié)議，共由7個節(jié)點構(gòu)成一個小型無線通信網(wǎng)絡(luò)。包括檢測節(jié)點1、2、3、4、5，一個中繼節(jié)點，和一個自由節(jié)點。

二、硬件描述

（1）檢測節(jié)點由ATMEGA8L單片機的某一個IO端口外接一個型號為E3F-DS10C4的光電開關(guān)，調(diào)節(jié)其檢測距離在50厘米左右，單片機通過讀取該IO的電平狀態(tài)可得到生產(chǎn)線上是否有貨物下線。一般低電平表示有貨，高電平表示無貨。ATMEGA8L的串行口外接CC1100無線通信模塊，接收來自中繼節(jié)點的輪詢指令，并及時給與信息回饋，如圖1所示。

（2）中繼節(jié)點主要完成信息收集，所有工作均由串口完成。所以設(shè)計中繼節(jié)點電路時，只需ATMEGA8L的串行口外接CC1100無線通信模塊，外加供電電源即可，如圖2所示，所有功能通過軟件編程實現(xiàn)。在整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中繼節(jié)點處于主機的地位，而其它節(jié)點均處于從機地位。

（3）自由節(jié)點是唯一有顯示信息的裝置，通過ATMEGA8L的IO驅(qū)動一定數(shù)量的發(fā)光二極管，用以點亮或熄滅前面板上已經(jīng)雕刻好的數(shù)字字形符、故障指示燈，同時ATMEGA8L的串行口外接CC1100無線通信模塊，接收來自中繼節(jié)點的顯示信息，如圖3所示。

三、供電方法

根據(jù)車間內(nèi)的實際情況，在系統(tǒng)供電方面，為了保證系統(tǒng)可以長期工作，檢測節(jié)點1、2、3、4、5及中繼節(jié)點由AC220V轉(zhuǎn)DC5V1A的適配器供電，并在節(jié)點接線盒下方預(yù)留電源接入插孔。因自由節(jié)點需隨叉車在車間內(nèi)自由移動，它的供電電源可以取自叉車的DC12V供電電瓶，并通過DC/DC降壓變換而得到DC5V電壓，為控制芯片和顯示裝置提供電源。

四、通信協(xié)議

從生產(chǎn)線上有貨物下線開始，直道自由節(jié)點上的顯示信息有反饋結(jié)束，這一段時間稱為該系統(tǒng)的一個反饋周期。一般反饋周期只要低于0.5秒，都能滿足客戶要求。為了系統(tǒng)軟件容易實現(xiàn)，系統(tǒng)采用自定義協(xié)議，由中繼節(jié)點對5個檢測節(jié)點進行輪詢，并要求每個檢測節(jié)點在50ms內(nèi)給予信息回饋。對于有回饋信息的，中繼節(jié)點會記錄下該生產(chǎn)線上貨物信息。無回饋信息的，中繼節(jié)點會標(biāo)記為該檢測節(jié)點處于未連接狀態(tài)。當(dāng)輪詢周期結(jié)束后，中繼節(jié)點將5個檢測節(jié)點的回饋信息進行整合，然后以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給自由節(jié)點。自由節(jié)點接收到這一幀數(shù)據(jù)后，對其進行解析，然后將檢測信息顯示在叉車上的顯示面板上。

我們設(shè)定通信超時時間為10毫秒，根據(jù)系統(tǒng)工作中最壞的情況考慮，假設(shè)所有檢查節(jié)點均處于未連接狀態(tài)，此時反饋周期是最長的，約為10毫秒*5=50毫秒的時間。這樣，在1秒時間內(nèi)，自由節(jié)點中的顯示內(nèi)容至少可以刷新20次以上，完全能夠滿足客戶對于反饋周期的要求。

五、安裝需求

CC1100無線通信模塊的直線通信距離大約250米左右，而且使用時需確保車間內(nèi)無其它433MHZ無線干擾源；需遠(yuǎn)離電動機等強磁干擾源；架設(shè)天線時，需遠(yuǎn)離大面積金屬，并垂直向上擺放，其架設(shè)高度需超過2米；安裝時盡量使任意2個節(jié)點之間通信無遮擋。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合架設(shè)在長度在250米～500米之間的生產(chǎn)車間內(nèi)使用。當(dāng)車間長度低于250米，可以省去中繼節(jié)點，由自由節(jié)點代替中繼節(jié)點完成相同的工作。當(dāng)車間長度大于500米，可增設(shè)中繼節(jié)點個數(shù)，以達到信息中繼、長距離可靠傳輸?shù)哪康摹?/p>

在本通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校?/p>

（1）檢測節(jié)點1、2、3、4、5分別安裝在5條生產(chǎn)線上，每個節(jié)點上都有一個光電開關(guān)用于檢測是否有貨物下線；

（2）中繼節(jié)點安裝在車間的正中心，用于收集5條生產(chǎn)線上的貨物信息，并進行數(shù)據(jù)加工整理，發(fā)送給自由節(jié)點。若通信距離不可靠，可以適當(dāng)偏向生產(chǎn)線一側(cè)，自由節(jié)點在取貨過程中一定會進入可靠通信范圍內(nèi)；

（3）自由節(jié)點安裝在叉車上，隨著叉車在車間內(nèi)自由移動，并實時接收來自中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，解析后顯示在屏幕上。

六、顯示信息設(shè)計

該系統(tǒng)所有信息均在自由節(jié)點上顯示，方便叉車駕駛員及時發(fā)現(xiàn)工作信息和故障信息；

顯示器上電自檢，狀態(tài)為1-5的數(shù)字字形依次點亮，然后進入工作狀態(tài)；

若任一條生產(chǎn)線上有貨物下線并需要運載，則對應(yīng)的數(shù)字將被點亮。貨物被取走后，對應(yīng)數(shù)字將熄滅。

數(shù)字下方的超時故障指示燈正常工作時，均處于熄滅狀態(tài)。若某個指示燈點亮表示該生產(chǎn)線對應(yīng)的檢測節(jié)點與中繼節(jié)點之間發(fā)生失聯(lián)，此時請檢查通信故障：（1）檢測節(jié)點未供電；（2）該節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距離超出可靠通信范圍；（3）天線未擰緊等。

若自由節(jié)點的顯示面板上出現(xiàn)所有數(shù)字和超時故障指示燈頻繁閃爍，表示自由節(jié)點與中繼節(jié)點之間發(fā)生失聯(lián)，此時請檢查通信故障：（1）中繼節(jié)點未供電；（2）自由節(jié)點與中繼節(jié)點超出了可靠通信范圍；（3）天線未擰緊等。

七、測試方法

按照拓?fù)渲袕挠蚁蜃蟮捻樞驕y試，可以及時掌握所有顯示信息并可最快做出故障判斷。

第1步：自由節(jié)點接入直流12V電源后打開電源開關(guān)，系統(tǒng)先進行自檢，然后出現(xiàn)頻繁閃爍；

第2步：中繼節(jié)點接入DC5V1A的電源適配器后打開電源開關(guān)，顯示器上5個數(shù)字熄滅，頻閃故障消失，下方的5個超時信號燈點亮，此種情況表明中繼節(jié)點與自由節(jié)點正常通信；

第3步：5個檢測節(jié)點接入DC5V1A適配器后，依次打開電源開關(guān)。每給一個節(jié)點上電，就會發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的超時燈熄滅，用手遮擋光電開關(guān)，對應(yīng)的數(shù)字被點亮，手移開，數(shù)字熄滅，表示該檢測節(jié)點與中繼節(jié)點通信正常。

八、結(jié)語

該系統(tǒng)在設(shè)計過程中，充分考慮了硬件電路的可靠性、軟件協(xié)議的可行性、設(shè)計成本的性價比等因素。該無線通信系統(tǒng)可以大幅度提高叉車駕駛員的工作效率，主要體現(xiàn)在：

（1）節(jié)約了時間?？梢钥焖偬嵝疡{駛員哪條生產(chǎn)線上有貨物下線，省去了駕駛員開車對生產(chǎn)線貨物下線情況進行輪詢的耗時環(huán)節(jié)。

（2）減少了叉車行駛距離。在避免走冤枉路的同時，也減少了叉車燃油的損耗，降低搬運過程中的運營成本。

（3）系統(tǒng)擴展性能優(yōu)越。若企業(yè)未來擴大生產(chǎn)規(guī)模，增設(shè)了生產(chǎn)線的數(shù)量，該無線系統(tǒng)只需增加檢測節(jié)點數(shù)量，無需其它硬件的改動和資金的投入。

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基金項目：2016年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201610205054）

作者簡介：紀(jì)弘陽（1996-），男，本科，學(xué)生，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。

*通迅作者：張鳳濤（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向：自動化控制。